單 位： 恒揚電機技術顧問股份有限公司
講 師： 廖 志 中
恒揚電機技術顧問股份有限公司
Hung Yang Electric Consultant Co., Ltd.
台南市東區崇明22街12號
No. 12, Chung-Ming 22nd St., Tainan, Taiwan 701 TEL：（06）2605447、2601087 FAX：（06）2601058
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歷年來國內外統計資料顯示電力設備事故多肇因 於絕緣材料故障與老化，所以絕緣材料的絕緣狀 態往往是決定電力設備性能與壽命的關鍵指標，
如能運用檢測技術得知設備的絕緣狀態，進一步 加以分析研究，將可應用於故障的診斷與預防，
使設備故障率降低，防止無預警的停電及其所帶 來之損失。
大 綱
故障率變遷曲線
電力設備維護方式
• 事後維護(break-down maintenance)
• 預防維護(preventive maintenance)
• 預知維護(predictive maintenance)
1.絕緣材料之絕緣電阻特性 2.局部放電技術
3.實際案例檢討
簡 報 內 容
1.絕緣材料之絕緣電阻特性
電力設備的絕緣方式
1 多數絕緣體為複合體絕緣體
2 氣體絕緣體必須配合支持用固體絕緣體使用，氣體就在固體 周圍
複合體
1 無機質絕緣體、有機質絕緣體都有
2 今後以合成的高分子絕緣材料會成主流 3 多成為複合體絕緣體使用
固體
1 變壓器、電容器等使用液體做絕緣者頗多，但多與固體成複 合體絕緣
2 以礦物油為多，部份使用不燃性合成油 3 因使用目的不同，所要求特性不同
液體
裸導體外都是氣體絕緣
2 氣體絕緣開關場 (GIS)、匯流排 (GIB)、線路 (GIL)等 3 氣體絕緣斷路器 (GCB)
4 今後如屋內用變壓器、電容器有使用氣體絕緣的趨勢 5 目前以SF6 氣體為主流
氣體
說 明
要 絕緣材料
記
氣体與固体絕緣的複合絕緣
z 註：並連型
幾種常見絕緣材料的介電常數與絕緣耐電壓
常見的
絕緣體
幾種常見絕緣材料的介電常數與絕緣耐電壓
(合成橡膠)
各種介質破壞電壓
破 壞 電 壓
絕對壓力
絕緣材料模型
絕緣劣化的演變
‧材料自然老化
–任何材料受到濕氣、空氣、溫度、電 場、磁場會逐漸劣化，失去絕緣特性
‧部分放電的發生
–部分部分放電加速絕緣材料周邊的劣
化，進而逐漸發展至絕緣崩潰
絕緣材料衰減老化因素
紫外線、氧氣、水分 、酸、鹼、
微生物、油脂、藥品等 環境
外力衝擊、彎曲過分張力、凸出 物、震動
機械應力
最高容許電壓、加電壓時間、頻率 電與磁
最高容許溫度、熱循環 熱
影響因素
老化原因
絕緣電阻與破壞電壓的關係
絕緣電阻與破壞電壓的關係
‧不均勻分壓的絕緣體，兩導體間跨越絕 緣體之電壓與距離之比數為電位梯度，
將影響絕緣的特性與能力
‧電位梯度越大，形成電場應力越大，絕 緣容易劣化
‧尖端電極會產生較大的電位梯度，容易 引起部分放電，進而導致絕緣劣化持續 發展
重要
電力設備絕緣狀態診斷內容
1. 離線(Off - Line)絕緣測量
‧ 介質電力因數
‧ 直流電阻
2. 線上(On - Line)絕緣測量
‧ 部分放電
‧ 紅外線熱影象
‧ 油中氣體分析
高電阻計
直流電阻測試法的盲點
(1)電力變壓器線圈與外殼間距離很大，當線圈絕緣出現緣 劣化時，由於線圈與外殼間仍有絕緣油隔離，洩漏電流 i c 很小，無法看出劣化現象。
(2)測量結果極易受天候影響，溼度較高、變壓器套管或測
試電纜線潮溼，則經由套管或電纜線表面之洩漏電流過
大，若未作Guard測試，則絕緣電阻偏低，因此測量值
僅供參考，並無判斷標準。
一絕緣材料的等效電路如圖所示，其中 R p ：絕緣介質電阻。
C p ：絕緣介質電容。
理想絕緣體 R p = ∞ ⇒ 介質電力因數 PF =
介質消散因數 DF =
) 0 (
90 ° = °
= δ
θ
T R
I cos θ = I
C R
I tan δ = I
θ δ C
pR
pV
I
RI
TI
CI
CI
RI
TV
介質電力因數測試法的盲點
(1)介質因數法所測得的結果為包含絕緣紙及油整體平均的絕緣狀況，
為均質性絕緣特性。
(2)電力變壓器線圈與外殼間距離很大，當線圈絕緣出現緣劣化時，由 於線圈與外殼間仍有絕緣油隔離，因此在上圖中洩漏電流I
R仍很小，
所測得的PF值無法看出劣化現象。
(3)一般最常見致使變壓器絕緣劣化的主要因素是線圈產生部分放電，
要量測部分放電需在運轉中方可實施，介質電力因數法無法測得變壓 器部分放電的嚴重程度。
(4)無法有效測出絕緣紙劣化情形、繞組扭曲變形、層間短路，也就是
說變壓器繞組與外殼間維持一定的絕緣下，其它的劣化狀況完全無法
得知。
2.局部放電技術
局部放電介紹
局部放電定義
要看
發生局部放電的原因
‧設備老化，其老化過程經由電應力、熱應 力、機械應力等造成。
‧絕緣設備在製造過程中往往會殘留氣泡或
產生裂縫，或參雜其他的異物。
產生局部放電原因:
¾當絕緣介質材料加電壓時，內部放電會發生在介質 材料中的絕緣強度較低部位。
¾因此於較雜物週圍絕緣介質的破壞強度低的電場中 雜物就會發生絕緣破壞。
¾往往雜物的介電常數比介質的介電常數低，因此雜
物內的電場較週圍介質內的電場高，以致雜物先發生
放電，形成內部的局部放電。
局部放電基本概念
局部放電原理
局部放電可觀測的現象
局部放電原理(起始、熄滅電壓)
局部 放電的過程
離子化 原子帶電的過程
離子放電 由於電子崩潰的
氣體中通電流
局部放電 沒達到兩電極間 橋絡的放電
內部放電 沿面放電 尖端放電
介電質內的雜物、
或空隙內的放電
在介電物表面所 發生的放電
發生在尖端部份、電極
間週圍因不均勻電場所
產生放電
沿面放電
內部放電
局部放電類型
電暈放電
多空洞內部放電
局部放電類型
扁平空洞放電
電樹放電
局部放電類型
局 部放電的發展
• 部份放電從最初始的暈光電暈(glow corona)開始，逐漸發展成為毛刷狀 電暈(brush corona)，若部分放電的 因素沒有排除，導致介質絕緣快速 劣化，會變成為湧流狀電暈
(streamer corona)，並快速發展到閃
絡放電
局部放電 產生的現象
E – 流入地線的電流 A – 絕緣物體內
的部分放電 B – 輻射電磁場
C – 高壓側產生電壓降
D – 由雜散電容
的擴散電場
局部放電的物理特性
‧電力設備在發生絕緣崩潰事故前，一定會 發生局部放電的現象。
‧當絕緣物發生局部放電時，除了會引起電 場與磁場的變化還會產生光、熱、聲響及 化學變化。
‧依不同物理特性而有不同的檢測方法。
－電氣訊號檢測
－非電氣訊號檢測
局部放電可供測量的現象
‧ 電磁場
‧從部份放電的位置向外輻射
‧ 電壓降
‧經由電場去耦合 (Coupling Capacitor, C-Sensor)
‧ 電流突波
‧經由磁場去耦合(L-Sensor)
‧ 可以聽見的衝擊波
‧超音波 偵測器 / 轉換器
‧ 閃光電弧
‧紫外線 偵測器 / 攝錄機
‧ 化學上的分解
‧油中氣體分析
局部放電的危害
• 局部放電會以光、熱、聲響及化學變化
等形式釋放能量，在高溫、高能量作用
下，產生臭氧、氧化氮等氣體、其分解
物質會擴散侵蝕絕緣材料逐漸形成導電
通道，沿電場方向形成樹狀 (treeing)結
構，使絕緣能力降低、絕緣材料耐久性
變差，進而加速樹狀通道發展，將快速
的導致絕緣介質的崩潰破壞。
電樹放電(Electrical Trees)
實驗室局部放電耦合脈衝電流的測試法
(IEC-60270)
& 根據IEC-60270傳統標準測試法及標準校正程序
& 通常是在工廠或實驗室用，也可以應用在現場測試
& 高靈敏度
& 可作線上長期監控
& 變壓器的絕緣套管可以當耦合電容來使用
' 必須直接連接至高壓
' 須在停電下連結測試線
' 需要耦合電容或絕緣套管
IEC-60270 標準測試連接法
U Ca
Z
Ck
Cc
Zm CD MI
U – 工作電壓 Z – 濾波器 Ca – 待測物 Ck – 耦合電容
Zm – 測量系統的輸入組抗 CD – 耦合裝置
Cc – 測試線
MI – 部分放電測試儀器
電場耦合電容性感應器 (C-Sensor)
& 不必直接接觸高壓，並可在活線下測試
& 測試簡單且容許快速掃描變電站內所有的設備，如模
鑄式變壓器、PT 、CT等
& 可以靠近高壓處作檢測
' 不能透過保護層作檢測(如油浸式變壓器外殼) ' 不是很靈敏 (依感應器大小而定)
' 方向性不是很好
利用電場耦合模式測量部分放電
Cs1 – 高壓側至儀器間的 雜散電容
Cs2 – 儀器至大地間的 雜散電容
C s
1A
LDP-5
B
C
S2A – 部分放電測試儀器 B – 電容性感應器
(電場感應器)
C-Sensor測試方式介紹
TO:PC
應用電場耦合 模式 於現場測試
可快速掃描變壓器表面
電場耦合差動 模式 (C- Sensor)
利用正負輸入訊號至測試儀器，來測量不同的訊號強度 如果兩個輸入端檢測到相同的訊號時，其輸出結果為零!
& 非常準確 (誤差在2公分以內)
' 必須直接接觸到絕緣體表面
' 不能透過保護層作檢測(如油浸式變壓器外殼)
' 當離高壓側安全距離不夠時則避免使用
電場耦合差動模式
A
B
A – 絕緣體內的部分放電(非保護層,如套管礙子等)
B – 使用2個小的電容感應器在測試儀器上
利用差動模式定位故障點
磁場耦合電感性感應器 (L- Sensor)
& 不必直接接觸高壓，並可在活線下測試
& 測試簡單且容許快速掃描變電站內所有的設備
& 非常敏感
' 沒有方向選擇性
' 不能透過保護層作檢測 ' 必須直接接觸到接地線
' 容易受各種雜訊干擾，如AM廣播電台等
應用磁場耦合模式量測部分放電
A B
LDP-5
A – 部分放電測試儀器
B – 電感式感應器(磁場感應器,L-sensor)
應用磁場耦合 模式 於現場測試
於22.8kV電纜頭接地線測量
電磁場耦合模式
UHF 感應器
可以非常準確的定位
& 低雜訊干擾
& 可以透過部分保護層作檢測
& 最適合使用在GIS、電纜頭及電纜接頭
' 必須直接接觸到絕緣體表面
' 在固體和液體絕緣體方面的較強信號衰減後會阻礙更 遠處缺陷的察覺
' 必須與高壓側保持安全間距
部份放電會引起電磁暫態現象的範圍是從大約100 kHz開始
一直到10MHz為止，所以可以利用UHF感應器來測量部份
放電的訊號
應用UHF 感應器量測部分放電
A
LDP-5
B C
A – 絕緣體內的部份放電(如乾式,模鑄式等) B – 部分放電測試儀器
C – UHF感應器
應用UHF感應器於現場測試
模鑄式變壓器測試
電纜頭測試
應用UHF於 GIS 電纜頭測量部分放電
1 – 電纜頭去耦合的區域 2 – 部分放電去耦合迴路 3 – UHF感應器
4 – BNC測量線
6 – UHF轉換器
7 – 部分放電測試儀器 8 – BNC測量線
9 – 數位式部分放電測量統
超音波 感應 器
目前最主要應用在油浸式變壓器的測試
& 可定位在空氣中(Corona)及變壓器的部份放電
& 不必直接接觸高壓，並可在活電下測試
& 轉換器可直接使用於油浸式變壓器外殼
& 最好配合其他方式測試法
' 不能對內部放電定位(需要多組感應器才有辦法定位)
' 可能因為超音波在牆面或其他表面上的反射被誤導
' 不需要校正
使用 超音波 的測試法
A B
LDP -5
C D
E
LDP -5
C G
F
C – 部分放電測試儀器 G – 超音波轉換器(聲音)
E – 超音波轉換器 D – UHF感應器
A – 油浸式變壓器內部份放電 F – 部份放電 (corona)
C – 部分放電測試儀器
結合磁場及 超音波 的測試
LDP-5 LDP-5
C B
A
D
A – 經由磁場耦合的部份放電訊號 B – 超音波轉換的訊號
C – 部份放電的觸發訊號
D – 示波器
GIS局部放電檢測的意義
GIS各種絕緣缺陷的局部放電特徵
GIS局部放電檢測技術
GIS局部放電檢測技術
UHF法的基本原理
UHF法檢測GIS局部放電的原理
AE法的基本原理
AE法檢測GIS局部放電的原理
Signal Decoupling Technique at GIS
雜訊
高壓雜訊
z
變壓器
z
電壓調整器
z
發電機
突波雜訊
高壓連接處
z
接點不良
z
電暈放電
U Ca
Z
Ck
Zm MI
無線電雜訊
接地系統
z
接點不良
z
接地環路
Power supply
雜訊的 降低
現場的試驗常被電磁雜訊影響
因此必須降低雜訊來增加測量的敏感性
兩種一般的雜訊:
- 窄頻雜訊 (持續性，如 AM Radio等)
)使用外接的濾波器LDF-5來抑制雜訊
- 寬頻突波雜訊 (如開關或其他設備的部分放電等)
)使用外接的濾波器LDK-5來抑制雜訊
雜訊抑制濾波器 LDF-5
局部 放電的分類 - 外部放電
‧在環境空氣中出現並且在低曲率半徑的電 極放電 (尖端或突出點)
‧如果不沿著固體的介面出現，通常是 不危 險的
‧類型
–空氣中的放電及尖端放電 (電暈放電)
–沿著固體表面傳導 (沿面放電)
外部電暈放電
特徵:
‧脈衝首先出現於負半週
‧在較高的電壓時於正半週同樣會有較大的 脈衝量
‧出現在電壓的峰值區域
‧當電壓升高重複頻率 (Repetition rate) 也升高
‧在電壓持續增加時期會類似直流電流
外部電暈放電
外部電暈放
電
外部電暈放電事件
沿面放電 Surface Discharge
位置:
‧套管
‧絕緣體表面
‧電纜終端處理頭
‧發電機繞組線圈
沿面放電 Surface Discharge
特徵:
‧放電脈衝在上下週期同時出現
‧介於零點至峰值之間
‧在電壓峰值之後馬上消失
‧放電量增加可能會拉長其脈衝長度
‧脈衝量比空洞或空氣間隙還大
沿面放電
沿面放電
沿面放電
沿面放電
局部 放電的分類 - 內部放電
‧絕緣材料內部含有固態或液態的異物 (或兩 種的混何物)
‧比較危險,會促進絕緣材料的劣化
‧類型
–空隙內的氣體 (空洞放電)
–沿著電介質介面
形成內部放電的因素
形成內部放電的因素
電暈的樹狀結構發展 形成導電狀態放電通 道
絕 緣 介 質 內 部
的氣隙或雜質
空洞放電 Void Discharge
位置:
• 空隙內的氣體
造成內部放電的主要因素:
–氣體的介電常數 (dielectrics) 小，所以空隙間的電
場強度提高 (由於氣體的介電常數與固體或液態的絕
緣材料比較小)
空洞放電 Void Discharge
特徵 :
‧放電脈衝在兩個半週期同時出現 (比較在空氣中的沿 面放電)
‧介於零點至峰值之間
‧當電壓加大時脈衝量也不會變大 (因放電量會因空隙
的尺寸所限制)
空洞放電
空洞放電
局部放電沿著電介質介面
位置:
• 固體的絕緣層 – 絕緣紙
• 固體與液態絕緣體的組合 – 線圈繞組絕緣
– 電力變壓器
局部 放電沿著電介質介面
特徵:
‧放電脈衝在兩個半週期同時出現 (比較在空氣中的沿 面放電)
‧脈衝量可能變得比在空氣裡高
局部放電造成設備損壞
局部放電造成設備損壞
局部放電造成設備損壞
數位測試系統
& 即時顯示部分放電測試的結果
& 儲存測試結果於硬碟中
& 可比對上次測試的結果
& 超強分析功能
& 利用電腦上專家系統幫助故障診斷
& 累積測試數據，建立更強的專家系統
分析能力
軟體結果顯示/分析 圖譜
數位,多應用部份放電診斷系統 LDS-5
軟體結果顯示/分析 3D結果
數位,多應用局部放電診斷系統 LDS-5
軟體分析/診斷
數位,多應用局部放電診斷系統 LDS-5
油浸變壓器局部放電產生的原因
‧絕緣紙的纖維質
‧絕緣油中溶解的氣體
‧氣體分析不一定能夠提供及時準確的絕緣
診斷
樹脂型變壓器局部放電產生的原因
• 結構不合理，使電場分怖局部電場過份集 中。
‧製造過程樹脂灌注含浸真空處理過程中在 繞組間含有空隙，隨著運轉使用空隙漸漸 產生局部放電進而導致絕緣體破壞。
‧金屬部件帶有尖角、毛刺或絕緣體含雜 質、缺陷。
‧內部金屬接地部件或導體間連接不良。
樹脂型變壓器局部放電特徵
‧ 電暈產生在電機內部暈光無法觀測
‧ 熱能與電機(變壓器)本身的產生的 熱損耗產生混淆，很難量測
‧ 聲音與交流聲及環境噪音混淆，有 可能可以量測 ，但不易分辨
‧ 產生之電磁波訊號，不論能量強度
大小、頻率高低，都能透過電磁感
應技術，加以量測、鑑別與記錄
樹脂型變壓器局部放電產生的危害
‧放電點受衝擊，造成局部性的能量釋放將 產生熱、光、聲、電磁波等效應，這些能 量將導致周邊的絕緣材料逐漸加速化，使 得絕緣性能越來越惡化、電暈的現象越來 越明顯。
‧長期放電產生的臭氧、氧化氮的作用下，
使絕緣受到腐蝕，電導增加，最後導至熱
擊穿。
電纜終端接頭故障之主因
‧電暈 ( Corona )
‧電痕 ( Tracking )
‧水份滲透 ( Moisture Penetration )
高壓電纜終端接頭局部放電形成過程 及因素
表面放電，閃絡電弧 接頭絕緣層預留長度不足
或內半導層施工殘留
表面放電，電樹放電 施工過程滲入紛塵、水
氣、等污染
初期空洞放電，可能衍生 電樹放電
矽膏未填補或各種包紥過 程產生之間隙
可能造成局部放電種類
電纜終端接頭不良的施工過程
電暈發生的原因
CORONA
原因:電纜表面之電位梯度過高
結果:會破壞周圍部分空氣絕緣,產生電暈,
對無線電干擾,電視干擾,及可聽見之噪音
電暈類別
絕緣體表面之離子化 Dominant Medium negligible
導體-導體 導體-氣體 導體-絕緣體 絕緣體-氣體 絕緣體-絕緣體
A
I H
G F
E D
C B
K
J
L M N O
電場
Ref. L. Niemeyer, ‘a generalized approach to partial discharge modeling’, IEEE transactions on dielectrics
