絕緣試驗(yàn)基礎(chǔ)培訓(xùn)教學(xué)文稿

絕緣試驗(yàn)基礎(chǔ)培訓(xùn)華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司高壓所呂明2010年8月主要內(nèi)容一、電氣設(shè)備絕緣基本知識(shí)二、電介質(zhì)基本知識(shí)

一、電氣設(shè)備絕緣基本知識(shí)1.絕緣的作用？絕緣是電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其作用是將不同電位的導(dǎo)體分開(kāi)，使各自保持應(yīng)有的電位。3.運(yùn)行中起絕緣作用的電介質(zhì)

需要承受以下幾方面的作用：（1）電壓的作用。（2）溫度的作用。（3）機(jī)械力的作用。（4）化學(xué)的作用。（5）大自然的作用。4.絕緣缺陷來(lái)源及分類(lèi)來(lái)源：

制造過(guò)程遺留。運(yùn)行中外界作用。絕緣缺陷一般分兩大類(lèi)：集中性缺陷。分布性缺陷。5.幾個(gè)電氣設(shè)備故障實(shí)例介紹（1）陡河電廠7號(hào)發(fā)電機(jī)定子繞組相間短路（1）陡河電廠7號(hào)發(fā)電機(jī)定子繞組相間短路機(jī)組型號(hào)：QFSN-200-2發(fā)生時(shí)間：1987年故障原因：定子繞組手包絕緣缺陷，機(jī)組漏油嚴(yán)重，發(fā)電機(jī)內(nèi)氫氣濕度大（2）大港電廠2號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地（2）大港電廠2號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地機(jī)組型號(hào)：THAR-2-376470-3000-20000型，意大利產(chǎn)發(fā)生時(shí)間：2006年8月故障原因：護(hù)環(huán)下，六包、七包線圈間短路，絕緣塊炭化。制造質(zhì)量問(wèn)題。（3）張家口電廠2號(hào)高廠變繞組變形（3）張家口電廠2號(hào)高廠變繞組變形發(fā)現(xiàn)時(shí)間：2007年11月故障原因：變壓器抗短路能力差，運(yùn)行中曾發(fā)生出口短路（4）北京超高壓公司城北站220kV避雷器運(yùn)行中折斷（4）北京超高壓公司城北站220kV避雷器運(yùn)行中折斷發(fā)生時(shí)間：2006年7月故障原因：避雷器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致避雷器進(jìn)水受潮，造成避雷器內(nèi)部絕緣擊穿。(5)大同超高壓供電公司渾源開(kāi)閉站500kV斷路器內(nèi)部放電故障(5)大同超高壓供電公司渾源開(kāi)閉站500kV斷路器內(nèi)部放電故障型號(hào)：LW56-550發(fā)生時(shí)間：2007年6月故障原因：拉桿連接件缺損；密封環(huán)部分碎片掉到絕緣筒里，使絕緣筒內(nèi)部電場(chǎng)分布發(fā)生畸變，也影響其絕緣性能。（6）北京超高壓公司姜家營(yíng)站2號(hào)主變跳閘故障

（6）北京超高壓公司姜家營(yíng)站2號(hào)主變跳閘故障

（6）北京超高壓公司姜家營(yíng)站2號(hào)主變跳閘故障

型號(hào)：ODFPSZ-250000/500，重慶ABB變壓器廠發(fā)生時(shí)間：2007年11月故障原因：導(dǎo)線質(zhì)量較差

，變壓器長(zhǎng)期滿(mǎn)載運(yùn)行6.絕緣試驗(yàn)的分類(lèi)

試驗(yàn)可分為兩類(lèi)；

非破壞性試驗(yàn)破壞性試驗(yàn)非破壞性試驗(yàn)：

即絕緣特性試驗(yàn)，特點(diǎn)是電壓較低方法簡(jiǎn)單。如絕緣電阻、直流泄漏、介質(zhì)損耗、色譜分析、水分含量等。

破壞性試驗(yàn)：

模擬絕緣在運(yùn)行中承受的過(guò)電壓而施加與之等價(jià)的高電壓來(lái)考核絕緣的電氣強(qiáng)度。二、電介質(zhì)基本知識(shí)1.電介質(zhì)的極化1.1電介質(zhì)極化的物理特征電介質(zhì)的極化----電介質(zhì)中的荷電質(zhì)點(diǎn)在電場(chǎng)作用下相應(yīng)于電場(chǎng)方向產(chǎn)生有限位移的現(xiàn)象。1.2介質(zhì)極化現(xiàn)象介質(zhì)極化現(xiàn)象示意圖a）極間為真空b）極間為介質(zhì)1.3介電常數(shù)極化的強(qiáng)弱可以用相對(duì)介電常數(shù)來(lái)表示，物理上通常用εr表示。相對(duì)介電常數(shù)：由電介質(zhì)材料所決定，是綜合反映電介質(zhì)極化行為的物理量。其物理意義是金屬極板間放入電介質(zhì)后的極間電容（或極板間電荷）與真空時(shí)金屬極板的極間電容（或極板間電荷）之比。1.4常用介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)空氣1.00059中性變壓器油2.2～2.5弱極性蓖麻油4.5極性純水81強(qiáng)極性聚乙烯2.25～2.35弱極性油浸紙3.3～3.8極性電瓷5.5～6.5離子性云母5～7離子性1.2幾種主要的極化形式

電介質(zhì)的極化是電介質(zhì)在電場(chǎng)中的固有現(xiàn)象，不同電介質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)不同，荷電質(zhì)點(diǎn)也不同，因此電介質(zhì)的極化可以分為以下4類(lèi)：1.2.1電子式極化電子式極化----對(duì)原子或離子外施電場(chǎng)。電子式極化存在于一切氣體、液體和固體介質(zhì)中。特點(diǎn)1：完成極化的時(shí)間極短（因電子質(zhì)量極?。?，約10-15—10-13S，在各種頻率下均能產(chǎn)生。特點(diǎn)2：極化具有彈性，即當(dāng)外界電場(chǎng)消失后，電子有返回原來(lái)軌道。特點(diǎn)3：不消耗能量，不發(fā)熱。

電子式極化的特點(diǎn)2.2離子式極化離子式極化----固體無(wú)機(jī)化合物多數(shù)屬于離子式結(jié)構(gòu)，如云母、陶瓷材料等。離子式極化示意圖a）無(wú)外電場(chǎng)時(shí)b）有外電場(chǎng)時(shí)離子式極化的特點(diǎn)

特點(diǎn)1：完成極化的時(shí)間比電子式極化長(zhǎng)，但仍然很短，約10-13—10-11S，在各種頻率下均能產(chǎn)生。特點(diǎn)2：極化具有彈性，即當(dāng)外界電場(chǎng)消失后，電子有返回原來(lái)軌道。特點(diǎn)3：幾乎不消耗能量，不發(fā)熱。1.2.3偶極子極化偶極子極化----即使不施加電場(chǎng)，在某些電介質(zhì)中（極性電介質(zhì)）具有永久性偶極子，這種電介質(zhì)稱(chēng)為極性電介質(zhì)，如橡膠、膠木、纖維素等。若外施電場(chǎng)，永久性偶極子將沿著電場(chǎng)方向排列而產(chǎn)生偶極子效應(yīng)。也稱(chēng)定向極化。偶極子極化示意圖a）無(wú)外電場(chǎng)時(shí)b）有外電場(chǎng)時(shí)偶極子極化的特點(diǎn)特點(diǎn)1；完成極化的時(shí)間比電子式極化長(zhǎng)，約10-6—10-2S，在某些頻率下，偶極子極化可能來(lái)不及完全建立，所以偶極子極化與電場(chǎng)頻率有關(guān)。特點(diǎn)2：在交變電場(chǎng)中偶極子反復(fù)轉(zhuǎn)向，電介質(zhì)內(nèi)部將發(fā)生摩擦損耗，消耗電場(chǎng)能量。1.2.4夾層介質(zhì)界面極化界面（夾層）極化----介電常數(shù)不同的絕緣材料組成的多層結(jié)構(gòu)，對(duì)它外施電場(chǎng)，將在結(jié)合面累積電荷而產(chǎn)生極化。夾層介質(zhì)界面極化直流電壓作用于雙層介質(zhì)(a)示意圖；(b)等值電路夾層介質(zhì)界面極化的特點(diǎn)吸收現(xiàn)象兩層電介質(zhì)有一個(gè)電壓再分配過(guò)程，也就是C1、C2上的電荷再分配。伴隨著電荷的積累過(guò)程形成的電流就是吸收電流，這種現(xiàn)象就是吸收現(xiàn)象。吸收現(xiàn)象與電容、電阻有關(guān)，可持續(xù)幾分之一秒、幾十秒、幾分鐘、幾十分鐘甚至更長(zhǎng)。夾層介質(zhì)界面極化時(shí)間界面（夾層）極化在外施電場(chǎng)失去后，電介質(zhì)內(nèi)部吸收的電荷回緩慢釋放。1.2.5幾種介質(zhì)極化對(duì)比極化種類(lèi)產(chǎn)生場(chǎng)合所需時(shí)間能量損耗產(chǎn)生原因電子式極化任何電介質(zhì)10-15s無(wú)束縛電子運(yùn)行軌道偏移離子式極化離子式結(jié)構(gòu)電介質(zhì)10-13s幾乎沒(méi)有離子的相對(duì)偏移偶極子極化極性電介質(zhì)10-10～10-2s有偶極子的定向排列夾層極化多層介質(zhì)的交界面10-1s～數(shù)小時(shí)有自由電荷的移動(dòng)1.2.6討論電介質(zhì)極化的意義

意義1：高電壓設(shè)備中常常是幾種絕緣材料組合在一起使用，要注意各種材料εr的配合，不同介質(zhì)串聯(lián)時(shí)，各層電場(chǎng)分布不均勻：如交流電場(chǎng)下，分到場(chǎng)強(qiáng)E1/E2=ε2/ε1意義2：界面極化現(xiàn)象在絕緣預(yù)防性試驗(yàn)中可用來(lái)判斷絕緣受潮情況。極性介質(zhì)容易吸潮。

意義3材料的介質(zhì)損耗與極化類(lèi)型有關(guān)，偶極子、夾層極化會(huì)引起tgδ增大，而介質(zhì)損耗是影響絕緣劣化和熱擊穿的一個(gè)重要因素。2.電介質(zhì)的電導(dǎo)2.1電介質(zhì)

物質(zhì)按導(dǎo)電性（電阻率）可分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體和電介質(zhì)三類(lèi)，電阻率為109—1022Ωm的物質(zhì)為電介質(zhì)。電介質(zhì)的電導(dǎo)-----任何物質(zhì)或多或少都存在一些帶電質(zhì)點(diǎn)（載流子），在電場(chǎng)作用下帶電質(zhì)點(diǎn)（載流子）定向移動(dòng)而形成電流的現(xiàn)象。2..2固體介質(zhì)的電導(dǎo)固體電介質(zhì)的電導(dǎo)分為表面電導(dǎo)和體積電導(dǎo)。表面電導(dǎo)：易受環(huán)境濕度和表面污穢的影響。體積電導(dǎo)：溫度升高時(shí)，因解離的離子數(shù)增大，電導(dǎo)增大，因此測(cè)量絕緣電阻或泄漏電流時(shí)，必須注意溫度的影響2.3電介質(zhì)電導(dǎo)的特性特性1：電介質(zhì)電導(dǎo)的離子性

電介質(zhì)電導(dǎo)與導(dǎo)體電導(dǎo)不同，其載流子主要是離子。中性和弱極性電介質(zhì)的電導(dǎo)主要是由雜質(zhì)離子構(gòu)成，其電阻率很高。極性電介質(zhì)除了雜質(zhì)離子外，還有本身分子的離解形成的離子電導(dǎo)。極性越強(qiáng)，離解越多。所以極性電介質(zhì)電阻率較低。特性2．溫度的影響電介質(zhì)的溫度增加，定向運(yùn)動(dòng)的離子數(shù)和速度都會(huì)增加，所以電導(dǎo)劇增即電阻劇減。特性3：電場(chǎng)強(qiáng)度的影響電場(chǎng)強(qiáng)度較小時(shí)，電導(dǎo)率幾乎與電場(chǎng)強(qiáng)度無(wú)關(guān)。電場(chǎng)強(qiáng)度較大時(shí)，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度增加，分子離解為離子的數(shù)量增加，電導(dǎo)率增加。特性4．濕度的影響暴露在大氣中的液體電介質(zhì)的電導(dǎo)隨大氣濕度增加而增加。多孔性材料的電導(dǎo)隨大氣濕度增加而劇烈增加。固體電介質(zhì)的表面電導(dǎo)隨大氣濕度增加而增加。2.3討論電介質(zhì)電導(dǎo)的意義通過(guò)試驗(yàn)反映電導(dǎo)情況以體現(xiàn)電介質(zhì)的狀態(tài)。通過(guò)不同電導(dǎo)的介質(zhì)的合理使用，以構(gòu)造新的電介質(zhì)材料。設(shè)計(jì)絕緣結(jié)構(gòu)時(shí)要考慮到環(huán)境條件，特別是濕度的影響。并不是所有情況下都希望絕緣電阻高，有時(shí)要設(shè)法減小絕緣電阻值。3.電介質(zhì)的損耗3.1電介質(zhì)損耗的分類(lèi)電介質(zhì)的損耗分以下三類(lèi):電導(dǎo)損耗極化損耗游離損耗3.2介質(zhì)的損耗的定義tgδ與幾何尺寸無(wú)關(guān)P=UIR=ωCU2tgδ氣體的tgδ極性液體介質(zhì)的tgδ頻率f2（曲線2）>f1（曲線1）3.3固體電介質(zhì)的損耗結(jié)構(gòu)上分為：分子式、離子式、不均勻結(jié)構(gòu)等。(1)分子式：中性——損耗小，如石蠟、聚乙烯極性——損耗與極性液體類(lèi)似，如有機(jī)玻璃、酚醛樹(shù)脂

(2)離子式：結(jié)構(gòu)緊密——損耗小，如云母結(jié)構(gòu)不緊密——損耗與成分有關(guān)系，如玻璃、陶瓷(3)不均勻結(jié)構(gòu)：損耗取決于各成分的性能與數(shù)量間的比例。如廣泛使用的油浸紙、膠紙絕緣等3.4常用液、固體介質(zhì)的tgδ（20℃）變壓器油0.0005～0.005油浸紙0.001～0.01油浸pp膜0.0005～0.004聚乙烯0.0001～0.0002電瓷0.01～0.053.5tgδ(電介質(zhì)損耗)的

影響因素（1）濕度電介質(zhì)吸潮后，介電常數(shù)增大，同時(shí)電介質(zhì)的不均勻性增加，所以tgδ會(huì)隨電導(dǎo)損耗、極化損耗和界面極化損耗等損耗的增加而增加。（2）溫度的影響只有在某個(gè)溫度才能使極化建立時(shí)間與外施電壓變化周期相近時(shí)，損耗最大，tgδ出現(xiàn)最大值。（3）頻率的影響只有極化建立時(shí)間與外施電壓頻率相近時(shí)，損耗最大，tgδ出現(xiàn)最大值。（4）電場(chǎng)強(qiáng)度的影響良好的電介質(zhì)的tgδ在電場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)幾乎不變。3.6tgδ能發(fā)現(xiàn)的缺陷tgδ可以發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備絕緣整體受潮、劣化變質(zhì)以及小體積被試設(shè)備貫通和未貫通的局部缺陷。當(dāng)被試設(shè)備體積較大，而缺陷所占的體積較小時(shí)，用tgδ較難發(fā)現(xiàn)。因?yàn)槿毕莸膿p耗占整個(gè)被試設(shè)備的損耗太小了！3.7討論介質(zhì)損失角正切的意義絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須注意到絕緣材料的tgδ，如tgδ過(guò)大會(huì)引起絕緣嚴(yán)重發(fā)熱，使材料容易劣化，甚至導(dǎo)致熱不穩(wěn)定——擊穿。在絕緣預(yù)防性試驗(yàn)中，tgδ是一基本測(cè)試項(xiàng)目，當(dāng)絕緣受潮或劣化時(shí)，tgδ急劇上升。絕緣內(nèi)部是否普遍發(fā)生局部放電，也可通過(guò)測(cè)tgδ~U的關(guān)系曲線加以判斷。4.電介質(zhì)的擊穿當(dāng)施加于電介質(zhì)上的電壓超過(guò)某臨界值時(shí)，電流劇增，電介質(zhì)發(fā)生波壞或分解，喪失固有的絕緣性能，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電介質(zhì)擊穿。擊穿電壓：電介質(zhì)發(fā)生擊穿時(shí)的臨界電壓UbEb=Ub/δEb——擊