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为什么要进行电气设备绝缘预防性试验
时间: 2019-03-03 11:32 来源: 未知 作者: 科新电力 点击:
   电气设备绝缘性能的好坏直接影响到电力系统的安全、可靠运行。为了保证电力系统长期安全、稳定运行,所有供、用电设备都必须做到在长期运行电压下有足够的绝缘强度,不发生绝缘故障而直接导致电力系统停电;同时要保证在电力系统中出现的各种过电压作用下,具有足够的绝缘强度,不会发生有害的放电导致绝缘破坏,从而保证电力系统的安全可靠支行。为此,所有供、用电设备都必须经过严格的绝缘试验。在生产制造过程中,必须通过各种型式试验,以考验设备绝缘是否达到设计要求,检验设备对于工频过电压、雷电冲击波电压、操作冲击波电压等是否具有规定水平以上的绝缘强度。同时,要进行各种绝缘特性的测试,发现生产工艺中出现的缺陷。
    电力设备运输到使用现场之后,必须经过一系列交接试验来检查设备经过运输过程、安装过程有否发生异常,以及绝缘特性恶化的迹象。在设备投入运行之后,根据不同设备的特点,要进行定期或不定期的各种绝缘试验,检查其绝缘是否受潮、老化以及发生局部放电等事故隐患,及时采取措施予以消除。设备经过一段时间运行后,需要做定期检修,更换设备中的某些部件或单元,也必须通过绝缘试验来检验检修质量,决定是否可以重新投入使用。
    由此看来,能否通过绝缘试验是保证供、用电设备能否可靠运行的关键检验手段,而对于电力系统的运行人员,更重要的是如何对运行中的设备进行维护和管理,使电力设备的绝缘事故防患于未然,达到电力系统安全运行的目的。
一、绝缘预防性试验的意义
    预防性试验是电力设备运行和维护工作中的一个重要环节,是保证电力系统安全运行的有效手段之一。通过定期(有些试验是根据需要进行)试验,掌握设备的绝缘性能的变化情况,及时发现内部缺陷,采取相庆措施进行维护与检修,保证设备的安全可靠运行。
    绝缘试验的目的就是检验设备在长期额定电压作用下绝缘性能的可靠程度,以及即使在外界过电压作用下,也不致发生有害的放电,导致绝缘击穿。绝缘试验一般可分为绝缘强度试验和绝缘性能试验。换句话说,可分为破坏性试验和非破坏性试验。破坏性试验如雷电冲击试验、操作冲击试验、工频耐压试验,主要是考验设备的绝缘强度,发现较大的制造工艺上失误、运输过程等环节中出现的变形、局部绝缘损坏、绝缘子断裂等集中性的缺陷。它能保证绝缘有一定的裕度,但这种试验对绝缘本身会有不同程度的损害。非破坏性试验主要是针对绝缘质量监督,如设备整体绝缘性能下降,电机、变压器、套管等绝缘材料受潮、老化引起的绝缘劣化等。实践证明、非破坏性试验对尽早发现异常、及时采取措施进行维护、提高设备运行可靠性是有效的。下面分别对这二种类型的试验进行叙述。
二、绝缘强度试验
    根据电力系统中可能出现过电压的类型,绝缘强度试验大致分为雷电冲击电压试验、操作冲击电压试验、工频交流耐压试验。
(1)雷电冲击电压试验。是模拟发生在电力系统中的雷电波的电压波形而进行的试验,其目的是验证在雷电造成的瞬时过电压时设备的绝缘强度。标准的雷电波形根据国家标准GB311.1“高压输变电设备的绝缘配合”规定为1.2/50μs。这个波形规定为当一个雷电波沿着一定输电线传播,到达设备时的电压波形。这个试验尤其对非自恢复绝缘的设备(如变压器,电抗器)更为重要。在冲击电压作用下,变压器的层间、饼间、匝间各纵绝缘上的电压分布很不均匀。因此在设计变压器纵绝缘时应根据在冲击电压下各部分纵绝缘上实际可能出现的梯度来考虑。输电系统的绝缘配合主要是由系统各部分对于冲击电压的绝缘强度来决定的。
(2)操作冲击电压试验。是模拟由于输电系统发生的操作过电压的实验。特别对超高压设备,由于绝缘结构更加紧凑,同时采用降低绝缘的方法来提高经济性,输电系统发生的操作过电压与冲击电压的差别缩小了,因此在进行绝缘设计时,应特别注意操作过电压。操作冲击试验是验证被试设备在规定的试验电压下不发生绝缘破坏。对不同的试品,操作波形的参数也不同。通常,电力变压器采用的操作波头时间大于100μs,波尾时间大于1000μs;气体绝缘金属封闭电器采用的操作波头时间大于250μs,波尾时间大于2500μs。
(3)交流耐压试验。该试验的目的是检验电力设备的绝缘强度和确定长期使用的安全性。通常是规定在一定的试验电压下耐压1min。试验电压主要是根据绝缘配合、避雷器的保护水平来决定的。一般认为,经过1min工频耐压,绝缘能够承受住,说明具有一定的绝缘裕度,可以保证设备安全运行。所以它是确定绝缘可靠行的最简单的方法。
    由于短时耐压试验不能检验在正常工作电压下的长时间耐压问题,对检验绝缘结构的可靠性不够充分,也不是系统工频过电压的反应,绝缘由于长时间内部放电而引起破坏,介质损耗或泄漏电流而引起热破坏造成绝缘破坏都需要较长时间,为了考核长时间运行电压下绝缘性能的变化,采用长时间交流耐压试验配合局部放电测量是有效的。
    长期以来,工频耐压试验一直是作为考核绝缘强度的主要手段,确实发现了许多绝缘缺陷,特别对低压试验,不进行雷电冲击和操作冲击试验,1min工频耐压就成为考核绝缘的唯一手段。设备无论是在出厂试验或是投入运行时的交接试验;或是经过大修后都需通过这一试验加以考核。随着电力系统的飞速发展,提高系统电压,降低冲击电压水平是发展趋势,为了保证设备投入运行后的可靠性,越来越要求进行长时间耐压试验并进行局部放电测量,如果在运行中不发生局部放电或局部放电水平没有发生变化,就能保证绝缘的运行寿命。
    在工频耐压中,有些设备如变压器,由于采用分级绝缘,需进行感应耐压试验。为了防止励磁电流过大,可采用高于额定频率的频率,一般为10~300Hz之间。试验持续时间是当试验频率为额定频率2倍以内时间为1min,超过2倍则按下面公式计算
    试验时间(s)=120×额定频率/试验频率(但最少为20s)
    绝缘强度试验除上述三种试验外,还有直流电压试验,特别是对大容量试品如电缆等,这些试品交流耐压的电容电流很大,需要大容量试验设备,有一定困难。进行直流耐压试验同时测量泄漏电流也可以直到考验绝缘强度的作用。
    绝缘强度试验对设备绝缘的考验是非常严格的,它能够有效地发现设备内部明显的缺陷,对保证设备安全运行起到关键作用。但是,设备经过冲击、耐压之后,绝缘受到不同程度的损伤,因此,它们不可能是长期进行绝缘监督的手段。随着绝缘质量管理水平、维护和测试技术不断提高,新的绝缘特性试验方法已逐渐得到推广使用,采用更多的非破坏性试验来检测设备的绝缘特性,从而判断绝缘的内部缺陷是可能的。将各种不同的试验方法适当配合,针对设备不同特点,确定可靠性最高的试验方法,从而使绝缘得到最合理的保证是至关重要的。
三、绝缘特性试验
    电力设备经过长时间运行,可能由于绝缘受潮、老化、或者局部过热引起绝缘劣化。绝缘特性试验是从各种不同角度鉴定绝缘的性能,判断绝缘缺陷,尽快查明原因加以消除,以保证设备的运行安全。下面介绍几种常用的绝缘特性试验。
(1)绝缘电阻试验。由于绝缘介质受潮、污秽或开裂后,介质内的离子增加,传导电流剧增,绝缘电阻明显下降。通过测量绝缘电阻的大小可以了解绝缘的状况,通常采用兆欧表测量。设备在进行耐压试验前、后测量绝缘电阻值,可以检验设备的通电是否良好,对运行中的设备而言,则可以初步反应绝缘材料吸潮、污秽等状况。如瓷的支柱绝缘子,一旦瓷质明显开裂,难以给出一定的绝缘电阻判断标准,因此应与以往的测量结果相比较或进行相同条件下的不同相的比较来发现问题。
    许多电力设备的绝缘是多层介质,如电机绝缘中用的云母带,是用胶把纸或绸布和云母片粘合而成,变压器的绝缘有油和纸等。这种多层介质在进行绝缘电阻测量时,当直流电压一加上,开始电流很大,以后逐渐减少,经过一段时间后趋于稳定。试品容量越大,这个过程越长。这种绝缘在充电过程中逐渐吸收电荷的现象称为吸收现象。因此测量绝缘电阻随时间的变化,可以更有利于判断绝缘状态。通常用1min的绝缘电阻值与15s的绝缘电阻值之比来表示,叫“吸收比”,或用10min的绝缘电阻值与1min的绝缘电阻值之比来表示,叫“极化指数”。
    有些情况下绝缘已经损伤,但没有构成贯穿性的通道,绝缘电阻值仍很高,吸收比也很明显,这时候,仅用绝缘电阻测量已不能正确反应绝缘的优劣状况了。因此,只凭绝缘电阻测量来判断绝缘是不可靠的。但它是一种简便的有一定效果的方法,仍是预防性试验中的主要项目。
(2)泄漏电流测量。该试验主要用来分析绝缘有无缺陷和受潮。其测量原理和绝缘电阻用兆欧表试验相同。只是试验电压较高,更易暴露出绝缘本身的弱点。在升压过程中,可随时监视电流的变化。图4-7-1示出绝缘电阻(Rnp)、传导电流(Inp)与外施电压(Unp)的关系。当电压在一定范围内时,电流与电压的关系是直线关系,绝缘电阻保持不变。电压升到某一值时,随着电压的增加,Inp急剧上升,Rnp迅速下降,产生更多的损耗,以致绝缘击穿。这一点电压称为拐点电压Unp。泄漏电流试验时,施加的电压不能超过拐点电压,对于良好的绝缘,在这一电压范围内, 其伏安特性是直线关系,当有绝缘缺陷存在时,以此来判断绝缘受潮程度。
(3)介质损失角正切测量。用来判断绝缘受潮、干燥程度、油质劣化变质、绝缘中气隙放电等。在交流电路中的介质总是有损耗存在的,通常把绝缘的功率因数角的余角称为介质损失角,以符号δ表示,其正切叫做介质损失角正切(tgδ)。它与功率因数相对应,利用测量交流电压下的tgδ-电压特性及tgδ-温度特性来检查绝缘的受潮、污秽和存在气泡等状况,判断绝缘的劣化程度。
1)tgδ与电压的关系:如图4-7-2所示。在一定电压范围内,tgδ与电压无关,随着电压的增加超过Uc(Uc为气隙开始放电的施加电压)值,随电压的增加,tgδ就急剧上升。tgδ的变化可以反映出绝缘老化的情况。如油纸电容器,电机线棒等,由于内部有气隙存在,可能在较低的电压下出现游离放电,tgδ急增,从而可 以判断出绝缘老化程度。
2)tgδ与温度T的关系:一般情况下,各种性质的绝缘材料具有固定的tgδ-T关系。通常随着温度的增加,多数介质的tgδ也增加。当绝缘受潮时,由于离子导电变得显著,温度升高,tgδ数值增加很大。如绝缘油的tgδ受温度的影响很大。温度高时,不同质量的油tgδ差别更大。对于劣质油,温度升高,tgδ增加很快。因此,要求绝缘油测量90℃下的tgδ,观察tgδ随温度的变化来判断油质的优劣。
   采用tgδ值判断绝缘状况时,必须着重与该设备历年的数值相比较,与同样运行条件下的同类设备相比较,即使tgδ没有超过标准,但有明显的突然增大也必须进行处理,否则可能在运行中发生事故。
   近些年来,带电测量tgδ的技术发展很快,用于经常性的绝缘监督,对保证设备安全驼行起了很好的作用。当在线监测发现有问题时,应采取其他方法进行综合判断。
(4)局部放电试验。局部放电是指在电场作用下,绝缘的部分区域中发生放电短路现象,它可以发生在绝缘结构内部下气隙、油膜中或导体(电极)边缘上,但在电极之间不形成通道。如果在运行电压下,设备内部存在局部放电,就会逐渐损坏绝缘,最后导致击穿,严重时可能引起击穿短路停电故障。
    对电力设备进行局部放电测量,可以预先发现设备内部存在的缺陷。如由于制造工艺过程造成的绝缘损伤、尖端、导电杂质等;也可以发现设备在运输过程中出现的绝缘损坏,以及在安装过程中遗留的事故隐患。随着电力系统电压等级越来越高,更有必要进行局部放电试验,限制放电强度在一定限值时,是保证运行可靠性的有效手段。
    绝缘的破坏或局部劣化,多数是以局部放电开始的。如固体绝缘,在电场作用下发展成树枝状爬电现象,最后构成放电通道;油纸绝缘中气泡放电,损耗增加,出现绝缘老化现象以及气体绝缘电器中导电杂质的放电等,都会构成长时间运行电压下的电力设备发生击穿事故的隐患。局部放电通常伴随着电、热和化学的过程,使绝缘性能下降。所以检测局部放电的强度极为重要。随着电力系统的发展,电力设备朝着高电压、小体积方向发展,绝缘所承受的工作场强越来越高,产生局部放电的可能性也越来越大。另一方面,浇铸绝缘、有机绝缘材料日益增多,也要求加强局部放电试验,以确保运行中的安全。
    局部放电试验要求被试设备在规定电压下不发生超过某一规定值的放电量;测量局部放电的起始电压和熄灭电压以及在规定试验电压下的放电强度。局部放电试验电压比交流耐受电压低得多,对设备绝缘的危害性少得多。同时,通过测量可以找到放电产生的部位,是最有效的绝缘诊断方法之一。当前,世界各国随着特高压输电系统的发展,电力系统多采用降低绝缘水平,在此情况下,1min交流耐压试验电压和额定运行电压相差缩小了,与大气过电压,操作过电压不同,运行中工频过电压是不能依靠避雷器来保护的。因此,局部放电试验可能比1min工频耐压更为合理些,也可能是一种最有效的试验方法之一。
    由于受各种试验条件的限制,以及运行现场干扰的影响,有些设备在现场进行局部放电测量比较困难。采用超声波法、振动法等非电气测量方法对运行中设备进行带电监控,可以发现一些潜伏性的放电故障隐患,作为一种内部放电的手段也是非常有效的。目前,用超声波法探测套管、互感器等少油设备局部放电取得很好的效果。用振动法对气体绝缘金属封闭电器进行内部放电的监测也是很有效的。
(5)绝缘油的气相色谱分析。对充油设备如变压器、互感器、断路器、充油套管等,当设备内部有局部过热或局部放电缺陷时,其缺陷附近绝缘就会分解而产生气体。这些气体溶解于绝缘油中。通过对油中溶解气体组分和含量的分析试验,可以了解设备中绝缘故障。不同的故障表现出的特征气体不同,含量也不同。
    油的气相色谱分析试验可以发现充油设备中一些用tgδ等方法所不能发现的局部缺陷如局部过热和局部放电。试验方法简单,可以带电取油样分析,准确性高。多年来已为变压器、互感器、套管等充油设备早期的绝缘故障隐患进行了预报,及时排除隐患,起到不可忽略的作用。
    通常,油中溶解气体主要以氢气(H2)、甲烷(CH4)、乙烯(C2H4)、乙烷(C2H6)、乙炔(C2H2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)……等来表征不同缺陷。例如绝缘内部裸金属过热,变压器中分接开关、铁芯、裸接头、箱壳等局部过热引起油分解时,油中溶解气体的总烃含量增高,其中以CH4、C2H4突出;如果是固体绝缘过热,如引线、绝缘纸板、穿芯螺栓过热等,溶解气体以CO、CO2的含量增加。CO和CO2含量是反映固体绝缘过热、老化、热分解的主要特征气体。当有局部放电发生及产生电弧时,C2H2含量明显增高,H2含量也会增高。C2H2是局部放电和电弧放电的主要特征气体。
    我国从60年代开始就对油中溶解气体的色谱分析进行大量的研究工作。现在,这一试验已在全国各省局、各供电部门以及各运行单位普及,对变压器、互感器等充油设备经常性的监视工作有效地防止停电事故的发生。
    油中气体色谱分析方法对于判断慢性局部潜伏性故障很有效,但对于某些突发性故障如突发匝间短路,由于故障潜伏期很短,来不及在色谱中反映。尽管如此,色谱分析作为一个有效的试验手段是大家所公认的。
    随着检测技术的发展,在线进行油中溶解气体色谱分析的技术已逐步推广应用,如在线监测H2含量的变化,可以及时对绝缘状况进行初步分析,一旦发现有异常时,可以增加测量次数或是决定进一步试验的方案。
   除上述绝缘特性试验外,还有一些试验项目和测量绝缘子表面电位分布等可以发现绝缘子的劣化情况。
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