第九章 套管和绝缘子的状态分析与诊断

第九章套管和绝缘子的状态分析与诊断
套管和绝缘子在搬运和施工过程中，可能会因碰撞而留下伤痕；在运行过程中，可能由于雷击，而使其破碎或损伤；由于机械负荷和高电压的长期联合作用，而导致劣化，这都将使其击穿电压不断下降。

当绝缘子击穿电压下降至小于沿面干闪电压时，就称为低值绝缘子。

当低值绝缘子的内部击穿电压为零时，就称为零值绝缘子。

当绝缘子串存在低值或零值绝缘子时，在污秽环境中，在过电压甚至在工作电压作用下就易发生闪络事故。

因此，及时检出运行中存在的不良绝缘子，排除隐患，对减少电力系统事故、提高供电可靠性是很重要的。

第一节套管和绝缘子的绝缘试验
一、套管绝缘试验
预防性试验项目主要有：主绝缘及电容型套管末屏对地绝缘电阻的测试和对地tan 的测试；在大修后或必要时进行油中溶解气体色谱分析、交流耐压试验和局部放电试验。

1、绝缘电阻的测试
套管的绝缘电阻测量是为了初步检查套管的绝缘情况，在交流耐压试验前后均须进行。

测量前要先用干燥清洁的布擦去其表面污垢，并检查套管有无裂纹及烧伤情况。

应用2500V兆欧表进行测量，兆欧表的两个端钮分别接在套管的导杆和法兰上。

2、介质损耗角正切和电容量的测量
测量20kV及以上非纯瓷套管的介质损耗角正切和电容值是判断高压套管绝缘的一项重要指标。

因为套管劣化、受潮等都会导致其介质损耗角正切的增加，所以根据介质损耗角正切的变化可以较灵敏地反映出绝缘的劣化
和其他局部缺陷。

测量套管的介质损耗角正切可采用QS1型西林电桥，用西林电桥测量单独套管的tanδ值，可采用正接线方式。

已安装于电力设备上的高压套管，其法兰盘与设备金属外壳直接连接并接地。

测量这些套管的tanδ值时，首先应将与套管连接的引线或绕组断开。

除接地屏经小套管引出时可用上述正接线法测量外，一般用反接线法测量。

在采用西林电桥测量套管的介质损耗角正切时，有时往往只测电容芯子的介质损耗角正切，或只测量油纸套管导电芯对抽压或测量端子间的tanδ，而不测量端子或抽压端子的介质损耗角正切。

由于套管内部初期进水受潮时，潮气和水分只进入末屏附近的绝缘层，故占总体积的比例甚小，往往反映不出来，这给电气设备安全运行留下隐患。

3、交流耐压实验
套管在交接时或大修后需要进行交流耐压试验，试验时应先将被试套管表面擦干净。

对于变压器或油断路器等充油设备上的套管，应将下部浸于绝缘油内，法兰与油箱外壳连接并接地，接地屏同时接地，在导杆上施加试验电压。

4、局部放电测量
对66kV及以上的电容型套管在大修后可测量局部放电作为辅助试验。

二、绝缘子绝缘试验
支柱绝缘子和悬式绝缘子的预防性试验项目主要包括：零值绝缘子检测、绝缘电阻测量、交流耐压试验、绝缘子表面污秽物的等值盐密测定等。

1、绝缘电阻的测试
清洁干燥的良好绝缘子，其绝缘电阻是很高的。

电瓷有裂纹时，绝缘电阻一般也没有明显的降低。

当电瓷龟裂处有湿气及灰尘、脏污入侵后，绝缘电阻将显著下降，仅为数百甚至数十兆欧，用兆欧表可以明显地检出。

测量多元件支柱绝缘子每一元件的绝缘电阻时，应在分层胶合处绕铜线，然后接到兆欧表上，以免在不同位置测得的绝缘电阻数值相差太大，造成误判断。

《规程》规定，用2500V
兆欧表测量绝缘电阻时，多元件支柱绝缘子和每片悬式绝缘子的绝缘电阻不应低于300MΩ。

500kV悬式绝缘子的绝缘电阻不低于500MΩ。

2、交流耐压试验
对于单元件的支柱绝缘子，交流耐压目前是最有效、最简易的试验方法。

预防性试验时，可用交流耐压试验代替测量电压分布和绝缘电阻，或用它来最后判断用上述方法检出的绝缘子。

对于绝缘子的交流耐压试验，各级电压的支柱绝缘子和悬式绝缘子的交流耐压试验电压标准见表9-1和表9-2。

按试验电压标准耐压1min，在升压和耐压过程中不发生跳弧为合格。

表9-1 支柱绝缘子的交流耐压试验标准（kV）
对运行中的35kV变电所内的支柱绝缘子，可以连同母线进行整体耐压，试验电压为100kV，时间为1min。

耐压完毕后，必须测量各胶合元件的绝缘电阻，以检出不合格的元件。

对于穿墙套管绝缘子，应根据实际状态进行加压。

对变压器出线套管，如系35kV电压等级，试验时套管内应充满油，下半部应浸入绝缘油中再加压。

3、表面污秽物等值盐密测定
定量评价绝缘子“脏”的程度而使用的最为广泛的一种方法。

等值盐密法是把绝缘子表面污秽密度按照其导电性转化为单位面积上NaCl含量的一种表示方法。

具体来说是用300ml蒸馏水，清洗并溶下
一片绝缘子表面的污秽，在另一杯300ml 蒸馏水中逐渐放入NaCl ，直到2杯水的电导率相同，则用放入的NaCl 的量除以绝缘子的面积，所得结果称为该绝缘子的等值附盐密度。

当盐密值超过规定时，应根据具体情况采取相应的清扫措施。

等值盐密法的最大优点是直观易懂，便于推广。

其缺点是不反映污秽成分，不反映非电物质的含量，不反映污秽在绝缘子上的分布。

而污秽又分为4个阶段：污秽的沉积、受潮、干区的形成和局部电弧的发展，所以等值盐密法的测量结果只反映积累污秽的结果，不反映过程。

不能反映局部电弧的发展状况。

第二节 绝缘子的电位分布实验
一、绝缘子串电压分布规律
由于每个绝缘子的金属部分与杆塔（地）间、导线间均存在杂散电容，绝缘子串中每个绝缘子实际所分担的电压并不相同。

如图9-2中的曲线3所示。

沿绝缘子串的电压分布是极不均匀的，靠近导线的绝缘子电压降最大，离导线愈远的绝缘子两端压降愈小，当绝缘子靠近杆塔横担时，绝缘子电压降又升高。

绝缘子串愈长，电压分布愈不均匀，愈容易导致某些部位的绝缘损坏。

1
2
3
4
5
绝缘子编号
每片绝缘子分担的电压(k V )
图9-2 绝缘子串的电压分布曲线
二、绝缘子串电压分布测量方法
测量电压分布的工具有短路叉、电阻分压杆、电容分压杆、火花间隙检验杆等。

1、 短路叉
这是检测损坏绝缘子（又称零值绝缘子）最简便的工具，其检测方法如图9-3所示。

图9-3 短路叉检测法
检测杆端部装上一个金属丝做成的叉子，把短路叉的一端2和下面绝缘子的钢帽接触，当另一端1靠近被测绝缘子的钢帽时，1和钢帽间的空气隙会产生火花。

被测绝缘子承受的分布电压愈高，出现火花愈早，而且火花的声音也愈大，因此根据放电情况可以判断被测绝缘子承受电压的情况。

如果被测绝缘子是零值的，就不承受电压，因而就没有火花。

这种测杆不能测出电压分布的具体数值，但可以检查出零值绝缘子。

在使用时应注意，当电压等级较低时（35kV 及以下）不能因火花间隙放电而引起相对地闪络。

2、 电阻分压杆、电容分压杆
电阻分压杆的内部结构和接线如图9-4所示，其中图9-4 (a) 、(b)是表示测量两点之间电位差的外部结构和内部连接图，适用于110kV 及以上的变电所和线路绝缘子串测量；
图9-4 (c) 、(d)是表示测量某点对地电位的外部结构和内部连接图，适用于35kV 变电所内支柱绝缘子的测量。

这种检验杆应预先在室内求出端部电压和微安表读数的关系，并应经常校准。

通常盘形悬式绝缘子C ≈50pF ，
C
ω1
=64M Ω。

当采用电阻为220MΩ的绝缘杆与之并联时，阻抗值降为50MΩ，将会导致约20%的误差，这需要在测量中注意。

在强电场附近测量时，要注意外界电场对表读数的影响，必要时需采用适当的抗干扰措施。

V
绝
缘
杆
C
A
5×22M
(1W)
5×
22M
(1W)
A
(10-15)
×22M
(1W)
V
C
(a)(b)(c)(d)
图9-4 电阻分压杆测量法
(a)测量两点电位差的外部连接; (b)测量两点电位差的内部连接;
(c)测量某点电位的外部连接; (d)测量某点电位的内部连接
当采用图9-4 (a)方法测量时，若某片绝缘子片的电位差为0，则该片绝缘子即为零值绝缘子。

当采用图9-4 (c)方法测量时，应先从母线端开始读取微安表的读数，依次往下进行，所测得的微安数应该是递减的，如出现某片绝缘子与上一片绝缘子电流值相同，则该片绝缘子就是零值绝缘子。

电容分压杆与电阻分压杆类似，只是将电阻串和带有桥式整流的微安表，换成一个或几个串联且能承受被测电压的高压电容器与一个小量程指针式的静电电压表相串联。

当电容器的电容量取的足够小的时候，被测量的电压都分布在电容器上，因此小量限的电压表就可测量几千到几万伏的电压。

3、火花间隙检测杆
图9-5 可调火花间隙检测杆测量法
图9-5所示为一种可调火花间隙的检测杆，其测量部分是一个可调的放电间隙和一个小容量的高压电容器相串联，预先在室内校好放电间隙的放电电压值，并标在刻度板上，测杆在机械上可以旋转。

这样，在现场将高压电容器和放电间隙串联的部分并联到绝缘子片两端，转动操作杆，改变放电间隙，直至开始放电，即可读出相应于间隙距离在刻度板上所标出的放电电压值。

如果某一元件上的分布电压低于规定标准值，而相邻其他元件的分布电压又高于标准值时，则该元件可能有缺陷。

为了防止因火花间隙放电短接了良好的绝缘元件而引起相对地闪络，可以用电容与火花间隙串联后再接到探针上去。

电容值约为30pF,与一片良好的悬式绝缘子的电容值接近。

因为和电容串联的火花间隙的电容量只有几皮法（pF），所以电容的存在基本上不会降低作用于间隙上的被测电压。

这种检测工具的缺点是，动电极容易损伤而变形，放电电压受温度影响，检测结果分散性大，这些都使其检测的准确性较差，而且测量时劳动强度较大，时间也较长，因此，它仅用于检验性测量，对于零值绝缘子的检测还是有效的。

第三节套管和绝缘子故障诊断
一、绝缘子运行状态分析
绝缘子性能主要由电气性能、机械性能、热性能和抗老化性能等决定。

绝缘子的电气性能主要包括：绝缘子闪络特性、各种过电压下的电气性能、
绝缘子的污秽闪络特性、油中工频击穿电压特性；
绝缘子的机械性能主要包括：抗弯强度；绝缘子的热性能主要包括其冷热性能。

《规程》规定，用2500V兆欧表测量绝缘电阻时，多元件支柱绝缘子和每片悬式绝缘子的绝缘电阻不应低于300MΩ。

500kV悬式绝缘子的绝缘电阻不低于500MΩ。

绝缘子的交流耐压试验前面已论述过。

二、套管运行状态分析
套管式结构是一种容易发生滑闪放电的绝缘结构。

为了提高套管的闪络电压，必须采取防止滑闪的措施，改善电场分布。

瓷套形外绝缘套管，其放电性能要求与一般绝缘子相同；内绝缘套管是一个电场比较复杂的电容芯子，其热稳定性、耐局部放电性能至关重要。

电容型套管绝缘电阻测量结果应满足：导电芯对抽压端子或测量端子间的绝缘电阻不小于10000MΩ，抽压端子和测量端子间的绝缘电阻不小于1000MΩ，测量端子对法兰的绝缘电阻应不小于1000MΩ。

套管的耐压试验标准见表9-5，试验时间为1min。

若试验中该套管无放电现象，内部无击穿响声，仪表指示稳定，则认为合格，试验时允许套管上部有电晕现象。

表9-5 套管的交流耐压试验标准（kV）
《规程》规定20℃时tanδ值（%）不应大于表9-6的规定值。

末屏对地绝缘电阻小于1000MΩ时，测量末屏对地的tanδ值，且不大于2%。

电容型套管电容值与出厂值或上一次测量值相比超过±5%时要查明原因。

在测量套
管介质损耗角正切时，可以同时测得其电容值，其允许偏差为±5%。

当套管受潮或电容套管中的一层或数层电容短路时，测得的电容值将增大，此时应查明原因，作出正确分析。

表9-6 高压套管在20℃时的tan 规定值（%）
三．套管和绝缘子故障诊断
通常绝缘材料的老化大多是电的、机械的、热的、环境方面等各种主要因素复杂地交叉作用而引起的，因此呈现的老化也是多种多样的。

这些异常现象都是能在维护检查时发现，为了事先预防事故而应列为检查的重要项目。

1、龟裂
在发现瓷绝缘子、绝缘套管及环氧树脂制品上有龟裂的情况，无论从电气性能还是机械性能方面说，都是有危险的，必须尽快更换。

局部的裙边缺损或凸缘缺损，虽然不一定会引起事故，但由于会扩展成龟裂，所以应及时早日更换为好。

对于瓷制的和高分子材料制的绝缘子和绝缘套管来说，发生龟裂的原因有下列几方面：
1)瓷绝缘子、绝缘套管龟裂的原因
（1）瓷件表面和内部存在着制造过程中产生的微小缺陷，因反复承受外力等作用，使其受到机械应力，然后发展出现龟裂、裙边断裂等。

（2）过电压或污损引起的闪络，使瓷件受到电弧、局部过热而引起破坏。

（3）绝缘子上涂敷硅脂，一般是作为防污损的措施。

当长时间不重涂硅脂
而继续使用时，会因硅脂的老化产生漏电流和局部放电，以及发生瓷绝缘子表面釉剂的剥落，裙边缺损和裂缝。

（4）由于紧固金具过紧，使瓷件的某些部位上受到过大的应力。

（5）由于操作时的疏忽，使绝缘子受到意外的外力打击或投石等外力破坏等原因引起损伤。

（6）使用于设备上的瓷套，如内部设备配合不好，有时会引起瓷套间接性的破坏。

2)高分子材料的绝缘子、套管龟裂的原因
（1）制造过程中材料固化收缩时产生的残留内应力会引起龟裂。

（2）设备在反复运行、停运的过程中造成的热循环，会因不同材料热膨胀系数的差别，而使制品受到循环热应力，从而引起埋入树脂中的金属剥离和发生龟裂。

（3）由于长期运行中绝缘材料机械强度下降或是反复应力引起的疲劳，也会发生龟裂。

（4）紧固部位过份紧固而产生机械应力过大引起龟裂。

2、爬电痕迹
当有机绝缘材料表面被污损而且湿润时，表面流过泄漏电流会形成局部的、绝缘电阻较高的干燥带，使加在这一部分上的电压升高，从而产生微小放电。

其结果，绝缘表面被炭化形成了导电通路，这就是爬电痕迹。

如果对已产生爬电痕迹的绝缘子原样放置而不顾，就会逐渐发展，最后因闪络而引起接地短路事故。

在更换产生有爬电痕迹的绝缘子的同时，必须设法加强对污损及受潮之类问题的管理，设法采用耐爬电痕迹性能优良的材料等，力求防止爬电痕迹再次发生。

3、漏油
内部装有绝缘油的绝缘套管，会由于瓷套管龟裂，过大的弯曲负载引起瓷管错位，或因密封材料老化等引起漏油。

当漏油严重时，不仅会引起套管绝缘击穿而且还可能对装有套管的设备本身如变压器、电抗器、油断路器等造成很大的损害。

因此，在万一发现有漏油时，应立即调查其严重程度，根据情况采用必要的措施，如停止运行或更换等。

通过观察油面位置及检查套管安装部位四周的情况就能监视漏油。

监视油面
位置的方法（结构）随不同的制造厂而略有差别，当油面低于油位计的可见范围时应引起注意。

还有，套管的密封材料是采用丁腈共聚物软木和合成橡胶等有机材料，所以随使用时间增长不可避免地会发生老化。

因此必须定期检查，每隔适当的期限要更换密封材料。

4、电晕声音
端子金具上突出部分的电晕放电、被污损的绝缘表面产生的沿面放电会发生可听得见的声音。

但是绝缘子、套管的龟裂和内部缺陷等也会成为发出电晕声音的原因。

听到电晕声音时必须及早查明原因，采取适当的措施。

另外，此类电晕放电产生的杂散电波会对无线电、电视产生干扰。

5、端子过热
绝缘套管的中心部位贯穿着通电流的导体，此导体经过套管头部的端子金具与母线等相连接。

如端子的连接不良，就会发生过热而使端子变色，绝缘物的寿命缩短等故障。

因此，在用示温涂料或示温片等对导体连接部位进行温度监视的同时，须定期检查此处各种螺栓的紧固状态。