一、简答题1. 什么是绝缘中的局部放电,局部放电试验的目的是什么?
电气设备的内部常存在一些局部缺陷,例如固体绝缘中的空隙、杂质,液体绝缘中的气泡等。当在高电压作用下,这些空隙和气泡或局部固体绝缘表面上的电场强度达到一定值时,就会发生局部放电。由于这种放电只存在于绝缘的局部位置,而不会立刻形成贯穿性的通道,故称局部放电。
局部放电试验的目的是为了发现设备结构和制造工艺上的缺陷,例如绝缘内部局部电场强度过高,金属部件有尖角,绝缘混入杂质或局部带有缺陷,产品内部金属接地部件接地不良或导体之间连接不良等,以便消除这些缺陷,防止局部绝缘因局部放电而损坏。
2. 在大型电力变压器现场局部放电试验中为什么要采用125Hz试验电源?
局部放电试验是对电压很敏感的试验,只有当内部缺陷的场强达到起始放电场强度时,放电才能观察到。因此试验标准对加压幅值及持续时间、试验接线等都作了明确的规定,必须按此规定进行试验。采用工频试验电源不可能使绕组中感应出模拟系统中的过电压,因为铁芯磁通密度饱和,激磁电流及铁磁损耗都会急剧增加。因此提高电源频率是唯一可行的办法。然而,试验电源的频率要选择合适,保证在被试变压器加试验电压铁芯不饱和的前提下,尽量减小试验电源频率,以利于减小补偿电感的容量。通过对现有220、500kV主变压器无功容量的计算,选择了125Hz为试验电源的额定频率。
3. 局部放电对绝缘有何影响,其产生的关键因素是什么?
局部放电对绝缘的影响,一是放电点对绝缘的直接轰击造成局部绝缘破坏,逐步发展使绝缘击穿;二是放电产生的热及臭氧等活性气体的化学作用,最后导致热击穿。通常,电气绝缘的破坏或局部老化多是从局部放电开始的,所以局部放电的危害性是使绝缘寿命降低,影响电气设备的安全运行。
局部放电产生的关键因素有四个方面:
(1)导电体和非导电体的尖角、毛刺。
(2)固体绝缘的空穴、缝隙中的空气及油中的微量气泡。
(3)在高电场下产生的悬浮电位的金属物。
(4)绝缘体表面的灰尘和脏污。
4. 局部放电试验干扰的来源有几种,降低干扰的方法有哪些?
局部放电试验要求测试回路的背景噪声应足够低,以保证测量的准确度,通常要求噪声水平应小于允许放电量的50%。干扰的来源大致有两种:
(1)试验回路未通电时存在的干扰。其来源主要是试验回路以外的其他回路中的开关操作、附近高压电场、无线电传输等,以及测量仪器本身固有的噪声等;
(2)回路通电时产生的干扰。这种干扰通常随电压增大而增大,主要来自试验变压器局放,高压导体电晕或接触不良的放电,以及电源侧的局部放电等。
降低干扰的方法大致有以下几种:
(1)回路保持良好的接地,并通过一点接地,以降低地线一中性线间电流对测量的影响。
(2)对试验回路与测量回路加以滤波。在高压电源与试品之间以及电源出口与地之间加滤波电容器。
(3)采用扩径导线作为试验回路的连接导体,在导体连接处加装屏蔽球。另外,在被试变压器高压端和中压侧出线端加装均压环,用以防止在高电压下电晕及尖端放电。
(4)在试验现场的附近,应停止产生电火花的工作。
(5)被试变压器放在金属板上面,以避免地线—中性线间电压干扰。
(6)选频放大器选择适当的测量频率范围,使放大器带宽离开干扰源的频率范围。
(7)根据脉冲出现的相位及波形特点,对干扰脉冲可利用开窗装置,将其干扰脉冲置于窗外,不予读数。
(8)对于与电源有关的干扰,如高压电源的内部放电,试验回路接触不良放电或电晕等,可将被试变移出试验回路,用无局部放电电容器代替,以对局部放电情况加以区分。
(9)局部放电仪放到屏蔽网中。
5. 变压器局部放电试验施加电压的顺序是什么,试验规定标准又是什么?
变压器局部放电试验施加电压的顺序按IEC标准进行,即对变压器预加电压为1.5U
m/
kV,保持5min,然后将电压升至U
m保持5s,再降至1.5U
m/
kV,并在此电压下保持30min。在此期间,连续观察和记录局放量,U
m为被试设备的最高运行电压。
试验规定标准为:在线电压为1.5U
m/
kV时,要求放电量不大于500P
c;在线电压为1.3U
m/
时,放电量一般不大于300P
c。
6. 利用色谱分析为什么能检测出变压器故障?
变压器绝缘系油纸组合绝缘,内部潜伏性故障产生的烃类气体来源于油纸绝缘的热分解,其分解的过程和产物决定于油纸绝缘的化学结构并符合化学热力学原理,而油纸热分解的产气量、产气迅速率以及生成烃类气体的不饱和度又决定于故障点的能量密度。故障性质不同,分解产生的烃类气体也不同。电晕放电主要分解产生氢,电弧放电主要分解产生乙炔,高温热点主要分解产生乙烯。故障点的能量不同,上述各种气体的产生速率也不同,这是因为油纸等碳氢化合物的化学键不同,而不同的化学键结构的碳氢化合物有着不同的热稳定性,从而得出绝缘油随着故障点温度的升高裂解生成烃类的顺序是烷烃、烯烃和炔烃。同时又由于油热裂解生成的每一种烃类气体都有一个相应最大产气率的特定温度范围,从而导出了绝缘油在各不相同的故障性质下产生不同成分、不同含量的烃类气体的简化机理。
7. 判断变压器故障的特征气体的方法是什么?
变压器发生不同性质故障时伴随着产生不同种类和数量的气体,据此对可能存在故障类型作出初步判断,其方法如下:
(1)一般过热性故障:气体的主要特征是总烃较高,甲烷和乙烯为主要成分,乙炔小于5ppm。
(2)严重过热性故障:总烃高,甲烷和乙烯为主要成分,含氢量较高,乙炔大于5ppm,但未构成总烃的主要成分。
(3)局部放电:总烃不高,氢大于100ppm,甲烷为总烃主要成分。
(4)火花放电:总烃不高,乙炔大于10ppm,氢含量较高。
(5)电弧放电:总烃高,乙炔高并构成总烃中主要成分,氢含量高。
另外,当氢含量增大,而其他组分不增加时,有可能是由于设备进水或气泡引起水和铁的化学反应,或在高电场强度作用下,水或气体分子发生电离分解或电晕作用而产生的。
8. 什么是三比值法,其编码规则是什么?
用5种特征气体的C
2H
2/C
2H
4、cH
4/H
2和C
2H
4/C
2H
6三对比值来判断变压器等充油设备故障性质的方法称为三比值法,也叫IEC法。
在三比值法中,对相同的比值范围,三对比值以不同的编码表示,其编码规则如表16-1所示。
表16-1 三比值法的编码规则
|
特征气体 的比值 |
比值范围的编码 |
说明 |
C2H2/C2H4 |
CH4/H2 |
C2H4/C2H6 |
<0.1 |
0 |
1 |
0 |
例如: C2H2/C2H4=1~3时编码为1 CH4/H2=1~3时编码为2 C2H4/C2H6=1~3时编码为1 |
0.1~1 |
1 |
0 |
0 |
1~3 |
1 |
2 |
1 |
>3 |
2 |
2 |
2 |
9. 判断变压器有无故障色谱分析是如何规定的?
用色谱分析、判断变压器有无故障时,是把分析结果的绝对值超过如表16-2所示的油中溶解气体含量的注意值,且总烃产气速率超过如表16-3所示的注意值时,判定为存在故障。
表16-2 油中溶解气体含量的注意值
|
设备 |
气体组分 |
含 量 (ppm) |
变压器和电抗器 |
总烃 |
150 |
乙炔 |
5 |
氢 |
150 |
互感器 |
总烃 |
100 |
乙炔 |
3 |
氢 |
150 |
套管 |
甲烷 |
100 |
乙炔 |
5 |
氢 |
500 |
表16-3 总烃产气速率的注意值
|
设备形式 |
开放式 |
密闭式 |
产气速率(mL/h) |
0.25 |
0.5 |
10. 产气速率与变压器故障性质的关系是什么?
一般讲,对总烃产气速率大于1mL的变压器,可判断有故障。由产气速率可判断变压器故障的情况,绝对产气率≥10mL/h时,为带有烧伤痕迹故障;>5mL/h时为严重过热性故障,但未损坏绝缘;>1mL/h时为过热性故障。
11. 变压器油中含有的碳的氧化物浓度偏高时说明什么问题,其注意值是什么?
变压器油中所溶解的CO、CO
2浓度偏高时,通常说明固体绝缘受热分解,其注意值如表16-4所示。固体绝缘中含水量大时,CO/CO
2比值小。故障温度高、时间长CO/CO
2比值大。IEC导则推荐以CO/CO
2比值作为判据,认为该比值大于0.33或小于0.09时,很可能有纤维绝缘分解故障。
12. 变压器过热性故障产生的主要原因是什么,如何估算热点的温度?
变压器过热性故障产生的主要原因是:
(1)油箱底部有金属异物,由于强油循环逐渐造成铁芯多点接地。
(2)油箱底部有金属屑,由于电场作用形成动态式“小桥”通路,造成铁芯两点接地。
(3)变压器制造结构缺陷引起的涡流。
(4)制造和维修中,引线焊接处及分接开关接触处接触不良或匝间绝缘破损引起局部过热。
故障点温度估算的经验公式为
T1=322log(C2H4/C2H6)+525
当涉及到固体绝缘裂解时,绝缘纸过热温度为
T2=241log(CO/CO2)+373
13. 变压器油中主要气体成分与异常情况的关系是什么。有何具体情况?
(1)H2为主要成分,异常情况为局部放电、弧光放电,具体情况是绕组层间短路、绕组击穿、分接开关触点间局部放电、弧光短路。
(2)CH4、C2H4为主要成分,异常情况为过热、接触不良,具体情况是分接开关接触不良、连接部位松动、绝缘不良。
(3)C2H2为主要成分,异常情况为弧光放电,具体情况是绕组短路、分接开关切换闪络。
14. IEC三比值法判断故障性质的标准是什么?
IEC三比值法判断故障性质的标准如表16-5所示。
表16-5 判断故障性质的三比值法
|
序 号 |
故障性质 |
比值范围编码 |
典型例子 |
C2H2/C2H |
CH4/H2 |
C2H4/C2H6 |
0 |
无故障 |
0 |
0 |
0 |
正常老化 |
1 |
低能量密度的 局部放电 |
0① |
1 |
0 |
由于不完全浸渍引起 含气孔穴中的放电,或 过饱和或高湿度引起的 孔穴中的放电 |
2 |
高能量密度的 局部放电 |
1 |
1 |
0 |
同上,但已导致固体 绝缘的放电痕迹或穿孔 |
3 |
低能量的放 电② |
1~2 |
1 |
1~2 |
不同电位之间的油的 连续火花放电或对悬浮 电位连接不良的连续放 电。固体材料之间有的 击穿 |
4 |
高能量放电 |
1 |
0 |
2 |
有工频续电的放电。 绕组之间或绕组对地之 间的油的电弧击穿。选 择开关切断电流 |
5 |
低于150%时 的故障③ |
1 |
0 |
1 |
一般性绝缘导线过热 |
6 |
150~300℃低 温范围的过热故 障④ |
0 |
2 |
0 |
由于磁通中引起的铁 芯局部过热,热点温度 增加,从铁芯中的小热 点,铁芯短路,由于涡 流引起的铜过热。接头 或接触不良以及铁芯和 外壳的环流 |
7 |
300~700℃中 等温度范围的热 故障 |
0 |
2 |
1 |
8 |
高于700℃高 温范围的热故 障⑤ |
0 |
2 |
2 |
|
注①乙炔和乙烯的含量均未达到应引起注意的数值;
②随着火花放电强度的增长,特征气体的比值有如以下增长的趋势:乙炔/乙烯从0.1~3增加到3以上,乙烯,乙烷从0.3~3增加到3以上;
③在这一情况下,说明了乙烯,乙烷比值的变化,气体主要来自固体绝缘的分解;
④这种故障情况通常由气体浓度不断的增加来反映。甲烷/氢的值通常大的为1,实际值大于或小于1与很多因数有关,如油保护系统的方式,实际的温度水平和油的质量等;
⑤乙炔含量的增加表明热点温度可能高于1000℃。
15. 如何用色谱分析法判断变压器铁芯多点接地的故障?
(1)经验表明,变压器铁芯多点接地故障一般不涉及固体绝缘材料。因此,作为特征气体,主要是指CH4、C2H6、C2H4、C2H2、H2。
(2)一般铁芯故障实例中,油中烃类气体组分的含量依C2H4>CH4>C2H6>C2H2递减。即使是油中特征气体组分含量未达到“注意值”的实例,也遵循以上递减关系。当铁芯多点接地导致变压器局部过热时,热点温度在600~700℃,有时达1100~1200℃。
(3)变压器铁芯多点接地时烃类各组分与总烃的比例范围为:
1)C2H4/(C1+C2)=41.3%~68.4%。
2)CH4/(C1+C2)=18.2%~40.6%。
3)C2H6(C1+C2)=4.0%~19.0%。
4)C2H2/(C1+C2)=0%~3.4%。
可见,C2H4作为铁芯多点接地故障的特征气体,在总烃中占主要组成部分,其比例在41.3%~68.4%。这个比例的上限不仅有铁芯多点接地和局部短路或漏磁环流引起的过热故障,还包括了因分接开关接触不良,导线接头不良或紧固件松动而引起的过热故障。在三比值法中,有3组编码组合数与铁芯引起的故障点有关,即0,2,0;0,2,1;0,2,2编码。
(4)实际工作中如出现三比值法中不存在的编码组合,可参考其他诊断方法,如“电协研”法,并考察油中烃类组分的关系进行故障判断。
16. 采用三比值法确定变压器故障性质时应注意些什么?
采用三比值法确定变压器故障性质时应注意以下几点:
(1)对油中各气体含量正常的设备,其比值没有意义。
(2)有油中气体各组分含量超过“注意值”并经综合分析确定存在故障后,方可用三比值法判断变压器故障性质,否则有可能造成误判断。
(3)在判断故障性质三比值法表中,每一种故障对应于一组比值,对多种故障的联合作用,可能找不到相应的比值组合,而实际是存在的。
(4)在实践中可能出现既没有包括在三比值法判断故障性质表中的比值组合,对于某些组合的判断正在研究中。
(5)三比值法不适用于气体继电器里收集到的气体分析判断。
17. 何谓接地、接地极、接地线和接地装置?
电气设备的任何部分与土壤间作良好的电气连接称为接地。
与土壤直接接触的金属体或金属体组称为接地体或接地极。
连接于接地体与电气设备之间的金属导线称为接地线。
接地线和接地体合称为接地装置。
18. 为什么要对接地装置进行定期检查和试验?
在运行过程中,接地线或中性线由于有时遭受外力破坏或化学腐蚀等影响,往往会有损伤或断裂的现象发生,接地体周围的土壤也会由于干旱、冰冻的影响而使接地电阻发生变化。因此,为保证接地与接中性线的可靠,必须对接地装置进行定期的检查和试验。
19. 接地装置的检查项目、周期和要求是什么?
接地装置的检查项目、周期和要求如下:
(1)检查有效接地系统的电力设备接地引下线与接地网的连接情况。至少3年检查一次。要求不得有开断、松脱或严重腐蚀等现象。采用专用电桥或万用表进行检查。如采用测量接地引下线与接地网(或与相邻设备)之间的电阻值来检查其连接情况,可将所测数据与历次数据比较或相互比较,通过分析决定是否进行挖开检查。
(2)抽样开挖检查地中接地网的腐蚀情况。已经运行10年以上的接地网或根据前次开挖检查的结果决定是否开挖。如开挖,需选择5~8个点沿接地引下线进行检查,如有疑问应扩大开挖范围,要求不得有开断、松脱或严重腐蚀现象。对于土壤电阻率小于10Ωm或盐碱地区,应缩短检查周期。
20. 用接地电阻测试仪测量接地电阻时,为什么电位探棒要距接地体20m?
当电气设备发生接地短路时,电流则通过接地体向大地作半球形散开,在距接地体越近的地方越小,越远的地方越大。所以,在距接地体越近的地方电阻越大,而在接地体越远的地方越小。试验证明:在距单根接地体或碰地处20m以外的地方,呈半球形的球面实践上已没有什么电阻存在,不再有电压降,也就是该处的电位已近于零。因此要测出接地体的对地电位,必须把电位探棒打到距接地体20m左右的地方。
21. 为什么常采用直径约为50mm、长度为2500mm的钢管作人工接地体?
若钢管直径小于50mm,则由于机械强度小,容易弯曲,不适宜采用机械法打入土中。如直径大于50mm,根据试验结果,当直径由50mm增加到125mm时,流散电阻仅减少15%,所以从经济效果来看并不合算。接地体长度若小于2500mm,流散电阻增加很多;反之,若接地体长度再增加时,流散电阻减小的并不多。所以常采用直径约为50mm、长度为2500mm的钢管作为人工接地体。
22. 为什么垂直敷设的接地极常用铁管?
与重量相同的其他铁件相比,用铁管作接地极有许多优点:它中空而有较大的直径,增加与土壤的接触面;管子钢度大,打入土壤时不易弯曲;冲击接地电流有趋肤效应;铁管的金属利用率高,有利于接地电流传导。所以垂直敷设的接地极大多数采用铁管。
23. 为什么变压器空载试验能发现铁芯的缺陷?
空载损耗基本上是铁芯的磁滞损失和涡流损失之和,仅有很小一部分是空载电流流过绕组形成的电阻损耗。因此空载损失的增加主要反应铁芯部分的缺陷。如硅钢片间绝缘漆质量不良,漆膜劣化造成片间短路,可能使空载损失增大10%~15%;穿芯螺栓、轭铁梁等部件的绝缘损坏,都会使铁芯涡流增大,引起局部发热,也使总的空载损失增加。另外,制造过程中选用了比设计值厚的或质量差的硅钢片以及铁芯磁路对接部位缝隙过大,也会使空载损失增大。因此,空载试验得到的损失情况可反应铁芯的缺陷。
24. 为什么电力变压器做短路试验时多数从高压侧加电压,而做空载试验时又多数从低压侧加电压?
短路试验的目的是测量额定电压下的短路损耗和阻抗电压。试验时,低压侧短路,高压侧加电压,试验电流为高压额定电流,试验电流较小,容易满足要求,而测量的是从高压侧表示的阻抗电压,数值大,比较准确,故短路试验一般都是从高压侧加电压。
空载试验的目的是测量额定电压下的空载损耗和空载电流。试验时,高压开路,低压加压,试验电压是低压额定电压,试验电压容易满足,而测量的是低压侧表示的空载电流,数值大,比较准确,故空载试验一般都从低压侧加压。
25. 变压器大修后为何要做冲击试验?
当空载变压器投运时会产生励磁涌流,可达8倍左右的额定电流,将产生很大电动力,不仅考核变压器的机械强度,同时也考核励磁涌流在衰减周期内能否造成继电保护误动作,故要做冲击试验。
当空载变压器断开时,又可能产生操作过电压。中性点不接地或经消弧线圈接地时过电压幅值可达4.5倍运行相电压,中性点直接接地的可达3倍运行相电压。为了考核变压器绝缘强度能否承受全电压或操作过电压,故也要做冲击试验,冲击次数为5次。