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1、第二章 电气设备绝缘故障及诊断2.1 电气设备故障分析2.2 电气设备绝缘试验及诊断2.3 电气设备故障调查与分析2.1 电气设备故障分析电气设备可靠性主要取决设备绝缘电气 设备金属材料绝缘材料绝 缘 材 料液体绝缘： 绝缘油固体绝缘：绝缘纸、电瓷 、 云母、交联聚乙烯气体绝缘： 空气、SF6 真空绝缘实际绝缘结构通常是由几种电介质 联合构成的组合绝缘 固-液 绝缘固-气 绝缘 绝缘介质 紧固支撑 冷却媒介电气绝缘的作用 电气设备故障的主要原因 制造工艺存在缺陷 恶劣环境和苛刻运行条件 绝缘材料的劣化 缺乏良好的管理及维护 绝缘劣化及影响因素 电气因素 机械因素 温度和热稳定性 受潮 化学稳定
2、性和抗生物性1、电气因素u 工作电压 u 短时过电压 2、机械影响u 机械负荷u 长时间振动u 短路应力3、温度影响u 季节变化u 长期过负荷u 热老化电介质耐热等级热老化规律 6 度规则对于常用A级绝缘，如油纸绝缘，温度每超过6，寿命约缩短一半 对于B级、H级绝缘分别约为10和124、受潮影响局部电弧水带绝缘介质复合绝缘材料表面憎水性5、化学稳定性和抗生物性 u 在户外工作的绝缘材料应能长期耐 受日照、雨雾冰雪等大气因素的侵蚀。 u 在腐蚀气体等环境工作时，绝缘材 料应具有更强的化学稳定性。 u 在湿热带和亚湿热带地区，绝缘材 料要注意抗生物（霉菌、昆虫）特性， 如在电缆护层材料中加入防霉剂
3、和除虫 涂料等。绝缘介质的电气特性1、强电场下（当外施场强大于介质击穿 场强时），出现放电、闪络、击穿等现 象，这在气体中表现最为明显。2、弱电场下（当外施场强比介质击穿场 强小得多时），主要是介质极化、电导 、介质损耗等现象。气体放电击穿闪络火花放电 (Spark)电弧 (Arc)液体、固体介质的电气特性 主要为在电场下的导电性能、介电性能 和电气强度，常用以下特征参数表示：u 电导率（或电阻率） u 介电常数（或电容C） u 介质损耗角正切（介质损耗因子） tg u 击穿电场强度Eb 电介质极化A电极面积（cm2）,d 电极间距（cm） r相对介电常数 如绝缘纸中存在气泡，气泡耐压低但分到
4、 场强却比纸要高45倍，这是组合绝缘中 局部放电问题突出的重要原因之一。 电气设备中常以几种绝缘材料组成，这时 串联介质在交变电压下场强分布与介电常 数成反比，即对于多种材料组成的绝缘结构，或者采用 不均匀的介质时，还会出现夹层极化。 当t=0时，电压与电容成反比稳态时，电压与电阻成反比电介质电导固体介质电导包括：体积电导与表面电导 ，后者受湿度、染污的影响更大。如随着温度升高，表面解离离子数呈指数增大 因此，测量绝缘电阻或泄漏电流时必须注 意温度影响。电介质损耗交流电压下，试品电流包括有功分量及 无功分量，则介质损耗为式中为介质损耗角，与绝缘结构形状及 尺寸无关，仅取决于介质的损耗特性。因
5、此国际上都直接用它来评估绝缘材料质量 ，衡量绝缘结构性能。常用介质tg值（20，工频）极性液体介质tg与温度的关系 1. 对应于频率f1的曲线 2. 对应于频率 f2的曲线(频率f2 f1)电介质的击穿极其纯净的液体及固体介质发生电击穿的 电压很高，但实际不可避免含有杂质，如 气泡、水分、炭粒等，对介质击穿过程及 击穿电压有很大影响。 n 电击穿：电场作用直接引起。 n 热击穿：仅靠增加绝缘厚度以提高击 穿电压难以奏效。 n 电化学击穿：长期局部放电引起。2.2 电气设备绝缘试验及诊断电气设备绝缘试验 l 破坏性试验与非破坏性试验 l 直流耐压、交流耐压及冲击试验l 离线试验与在线监测 l 电
6、气方法与非电方法 1. 破坏性试验与非破坏性试验非破坏性试验 （绝缘特性试验 ）绝缘电阻试验 介质损失角正切值 (tg) 试验 局部放电试验破坏性试验 （绝缘耐压试验 ）交流电压试验 直流电压试验 雷电冲击电压试验 操作冲击电压试验耐压试验必须在非破坏试验合格后才进行2.交流耐压、直流耐压及冲击试验 冲击试验：考核设备在雷电及操作过电压下的特性。比较真实、可靠的，特别对变压器等绕组结构而言，但难于在现场进行。 交流耐压试验：一般仅在交接试验及大修后进行，因为虽然试验很严格，有利于发现某些缺陷，但可能产生严重“副作用”。 直流耐压试验： 油纸电缆寿命曲线：1-粘性浸渍；2-充油电缆但交流设备用直
7、流试验也不够真实，例如油纸串联时，交流下电场分布取决于介电常数，而直流却取决于电阻率。因此两者并不等效，互相替代。 对于大电容试样，交流耐压试验所带来的残余破坏远大于直流耐压。3. 离线试验与在线监测 在线监测的优点l 所加的是运行电压，比停电试验电压下测的参数更真实、灵敏；l 可以随时进行检测，能够及时发现缺陷。 在线监测的缺点 p 造价高； p 可测试项目较少； p 易受环境因素影响。 4. 电气方法与非电方法 绝缘介质的劣化、击穿过程常伴有热、声、化学等参数的变化，这些参数中有些较易于测到或受外界干扰少，可以充分予以利用，用于电气设备绝缘的检测与诊断。 油中气体分析DGA (Dissol
8、ved Gas Analysis)对发现油浸电力设备中的电弧放电、局部过热等潜伏性故障相当有效； 红外热成像（Thermo vision）可用于发现较小尺寸设备，如避雷器、互感器、套管等的热点故障；超声法对测量振动及放电定位相当有效。 运行电气设备 电、热、机械、环境等因素作用 绝缘性能逐渐劣化 故障 事故 巨大损失 故障 各种前期征兆 电气、物理、化学特性的少量、渐变 特性变化的大小和趋势 早期发现故障电气设备绝缘故障诊断定义 通过对电气设备的试验和各种特性的测量，了解其特征，评估设备在运行中的状态(老化程度)，从而能早期发现故障的技术。作用 提高电气设备及电力系统的运行可靠性 明显的经济效
9、益和社会效益 检测表征工作状态的信号进行信号处理提取信号特征 根据信号特征 分析故障类型、性质及严重程度 对故障点进行定位功能电气设备绝缘故障诊断特点任何诊断问题都是以征兆为线索，电气设备绝缘故障诊断的困难在于：一般情况下，故障和征兆之间并不存在简单的一一对应关系，一种故障可能对应多种征兆，而一种征兆也可能对应多种故障。因此仅仅依靠单一检测项目，对故障诊断分析是不全面的，需要对各种试验结果进行综合推理。 诊断原理图因果诊断原理图故障诊断是故障发展因果关系的逆问题状态监测技术实时采集反映设备运行情况的各种信号和参数，对设备状态加以记录，为设备故障分析、性能评估及合理使用提供基础信息。故障诊断是故
10、障发展因果关系的逆问题故障识别技术根据状态监测获得的信息，对异常状态做出报警，对故障类型进行初步分析，以便运行人员及时了解设备工作情况。故障诊断是故障发展因果关系的逆问题诊断推理技术根据各种检测方法得出的初步结论，结合设备结构特点，综合考虑设备运行历史（运行纪录、故障经历及维修纪录）和环境因素，对设备故障进行分析，确定故障性质、程度及部位，推测诱发故障原因。故障诊断是故障发展因果关系的逆问题寿命预测技术对已识别的故障进行预测，指出故障发展趋势及后果，估算设备剩余寿命，确定检修周期，提出控制及消除故障的维修策略。2.3 电气设备故障调查与分析设备故障设备的“病”=诊断确定类型推测原因预计后果诊断
11、最基本的功能就是对设备未知故障的分类问题。为了提高设备故障诊断的水平，需要对设备故障有一个系统的认识，这不仅有助于预防自然发生的故障，同时也有利于阻止人们可能引发故障的过失行为。 有关故障的经验数据是人们判断和识别设备故障状态的重要依据，如果缺乏具有本质意义的典型故障信息，则无法得到正确的诊断知识。所以典型故障的是研究故障诊断技术的基础。 故障调查故障分析故障机理性分析故障统计性分析设备故障总是由基本的部件故障引起，如何将设备的整体故障与局部的零部件故障联系起来，是故障分析的关键。现场故障数据尤为重要，因为是在实际使用的条件下获得的，其结果远比实验室试验的结果含有更多的信息。法国电气公司以35
12、00倍的出厂价格收购 用户的失效集成芯片。u从现场收集的大量故障数据与资料大 多数是分散且无规律的。u由于故障发生后几乎所有的证据都不 复存在，所以往往难以根据事故的原 始状态准确无误地说明究竟是什么原 因使设备损坏。因此，一般所说电力 设备的击穿原因往往是一种推测。故障调查的难点u现场人员的错误纪录。u设备故障与生产工艺和运行环境密切 相关，由于不同时期设计的设备结构 不同，所以引发设备事故的主要故障 类型也在逐渐变化 。故障调查的难点我国变压器事故部位分类表 我国变压器事故部位分类表 我国电力变压器主要故障类型演变 主次图法直方图法故障统计分析法主次图法原则上，设备的所有这些组、部件都有可
13、能 发生故障，但其发生的概率差异很大，为了保 证分析的有效性，将分析的范围限制在较为常 见的故障类型。主次图法又称巴雷特图法或排列图法，是根 据故障调查结果，分析产品故障主要原因和主 要故障模式的有效方法。发动机故障概率统计表发动机故障主次图一般情况下，主次图中体现出：主导因素占累计相对故障率0-80% 的因素主要因素占累计相对故障率80-90% 的因素次要因素占累计相对故障率90- 100%的因素直方图法（ppm ）台次油中溶解气体氢含量失效模式、影响和危害度分析法世界上没有永恒的事物，更没有绝对的 可靠性，所有系统最终都将失效。因此 更应关注的是如何使失效频率及损失降 低到在经济上和社会影
14、响上可接受的范 围之内。这是比所谓 “无风险”、“ 无事故”之类政治口号更为现实和合理 的目标。失效模式、影响和危害度分析法简称 FMECA法FMECA故障模式分析（FMA）故障影响分析（ FEA）故障后果分析（FCA）FMECA分析的方法和步骤（一）拟定有效故障数据收集计划n 明确用途n 确定和培训数据员（二）系统功能逻辑分析n 明确定义系统的各个环节n 建立系统的功能逻辑图（三）FMECA的定性分析通常利用表格进行分析，按照国际电工委 员会IEC“系统可靠性分析技术工作组” 规定的最低限度内容进行分析。 1）各部件功能简述 2）列出每个部件的可能失效模式 3）列出所有失效模式对系统工作的各
15、种影响 4）列出每一种失效模式发生的各种诱因 5）估计每一种失效模式发生的概率 6）列出抑制失效模式发生的各种措施。分析等级表分析等级表故障树分析（FTA）如何对这些故障进行归纳和组织，以便 更清晰地反映故障间的因果关系。成为 进一步研究的重点。故障树分析方法（Fault Tree Analysis） 简称FTA法，是一种将系统故障形成的原因由总体至部分按树枝状逐级细化的 分析方法。故障树建树方法通常采用演绎法建立故障树，首先将威胁设备 安全运行需尽快安排检修的情况作为顶故障， 导致顶故障发生的中间级故障是按设备主要组 件故障划分的。进一步根据故障间的因果关系，可以分别找出 导致中间级故障的更
16、基本的故障原因，因而形 成一系列故障子树。设备故障的正向预测在全部或部分因果链中，属于“由因求 果”的是正问题，对应故障树由下而上 的逆向搜索，是分析由已知原因将可能 导致什么样系统状态(通常是系统故障 状态)的过程，是对系统状态或故障发 展可能性的估计，属于故障预测。 设备故障的反向推理在全部或部分因果链中，属于“由果求 因”的是逆问题，对应故障树由上而下 的正向搜索，是分析由于何种原因导致 某个特定系统状态(通常是故障模式)出 现的过程，是对故障原因的分析，属于 故障诊断。 随着运行经验的积累，制造工艺逐步得 到改进，旧问题将不断被解决，而随着 电压等级和容量的不断提高，新技术的 广泛应用，新的问题也会不断产生；同 时由于监测手段的进步，也将使过去无 法发现的故障隐患被挖掘出来，所以一 劳永逸的方法是不存在的，故障诊断技 术的研究将是一个永无
