GIS运行监测手段及气体分析2

六氟化硫封闭式组合电器故障检测手段及其可行性分析以SF6作绝缘介质的气体绝缘金属封闭开关设备（简称GIS），是将断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接管和过渡元件（如电缆头、空气套管和油套管）全封闭在一个接地的金属外壳内，壳内充以SF6气体作为绝缘和灭弧介质。由于SF6气体具有不燃烧和优异的绝缘性能及灭弧性能,逐步被人们作为新型介质应用于高压电器。今天在高压、超高压及特高压领域,SF6气体几乎成为断路器和GIS的唯一绝缘和灭弧介质。在中压领域,SF6同真空开关已成为并驾齐驱的两大支柱。与传统敞开式配电装置相比主要具有占地面积小、重量轻、元件全部封闭不受环境干扰、运行可靠性高、检修周期长、维护工作量少、安装期限短、运行费用低、损耗少、噪音低等优点，我厂110kV及以上电压等级的开关均采用SF6气体作为绝缘介质，特别是除邹平中心变电站外其余各变电站均为GIS。虽然GIS有着诸多优点，但是也存在着一些缺点，例如所有设备完全封闭，不能发现故障的早期症状；设备之间距离紧凑，易于互相影响，导致故障扩大；GIS发生故障后，寻找故障点及检修比较困难；检修时间也长，设备造价高等。在GIS的加工、运输及现场装配过程中不可避免地会存在绝缘缺陷而影响其可靠性。这类缺陷包括：1、载流导体表面缺陷：如毛刺，尖角等引起导体表面电场强度不均匀，这种缺陷通常在制造或安装时造成的，在稳定的工频电压下不易引起击穿，但在操作或冲击电压下很可能引起击穿。2、绝缘子表面缺陷：绝缘件的缺陷是生产 GIS 内部的绝缘件或组装过程中，残存在内部的气孔、龟裂、表面受损或污染，如盆式绝缘子内部或与导体交界处的气隙等。3、GIS筒内在制造和安装过程中存在的自由导电微粒。自由微粒是GIS内部发生率高的绝缘缺陷，因生产、安装过程中在GIS内部残存的自由导电微粒，如残留金属屑或金属颗粒，由于强烈的电场影响移动而发生的放电。 4、附近存在悬浮电位体或导体间连接点接触不好等。上述缺陷在电场作用下产生局部放电，最终可能导致绝缘损坏。因此对GIS的绝缘诊断技术愈来愈被制造厂家和用户所重视，其中最主要的是进行局部放电检测。国家标准中规定GIS在现场安装交接时、运行中发现异常或缺陷进行必要的分解检修及大修时，应进行下列电气试验项目：元件及连锁试验；主回路电阻测量；密封性试验；SF6气体湿度测量；主回路的交流耐压试验。这几项试验中除密封性试验（我厂所用检漏仪器仅能定性）和SF6气体湿度测量可以实现带电检测外，其余试验需要设备停电进行，而就考核GIS的绝缘性能而言只有对主回路进行交流耐压试验。GIS的现场耐压可采用交流电压、冲击电压和雷电冲击电压等试验装置进行。交流耐压试验是GIS现场耐压试验最常见的方法，它对检查自由导电微粒等杂质比较敏感，在大多数情况下，能有效地检查异常电极结构，但对固定在带电部分的球状突起、绝缘子中的裂缝、悬浮部件等缺陷不易被发现；雷电冲击电压对检查固定类型的绝缘缺陷（例如电极损坏）比较敏感，缺点是对活动的绝缘缺陷不敏感而且输出电压效率低，试验装置较笨重，且要注意陡波引起的反射问题，故一般不太适合现场试验；操作冲击电压试验对检查存在的污染和异常电场结构特别有效，它能够有效地检查内部导电微粒的存在、绝缘子表面污染、电场严重畸变等故障。目前，由于试验设备和条件所限，现场一般只做交流耐压试验。魏桥一电110kV、220kVGIS配电室，邹平中心站二期220kVGIS配电室、长山电厂220 kVGIS配电室，滨州供热二厂220 kVGIS配电室，胡集侧220kVGIS配电室内各安装了一套综合在线监测装置，用于监测GIS内部SF6气体微水含量和配电室内SF6气体浓度。其中魏桥一电、邹平中心站、滨州供热二厂、胡集侧随设备各配备一套便携式局部放电检测仪：单位型号厂家备注魏桥一电GIA-ZP美国SigmaTech与该厂家技术人员交流，了解到该设备灵敏度相对较差，仅能对局放量较大的缺陷进行定位，无法判断缺陷类型，且不能在网络上查到该设备及厂家，缺少现场使用经验。邹平中心站APD6北京迪扬该仪器为仿制挪威AIA产品，中文汉化版，其性能及灵敏度较前者差较多，但也能对一些缺陷进行定位监测。市场价格在30万左右。滨州供热二厂AIA-2北京迪扬 （挪威进口）该仪器为目前利用超声波原理进行局部放电检测最好的产品，灵敏度很高可达1pC,可以检测，识别和定位GIS中的大部分故障，可满足现场使用。市场价格在70万左右。胡集侧变电站AIA-2北京迪扬 （挪威进口）同上，现已到货。目前GIS绝缘在线检测与诊断最有效的方法是SF6气体分解产物分析（化学法）和局部放电检测(物理法)两种，以下为这两种方法可行性分析：一、 SF6气体分解产物分析纯净的SF6气体无色、无味、无臭、不燃，在常温下化学性质稳定，属惰性气体, 其惰性与氮气相似，气体密度是空气密度的5.1倍。该气体有较强的电负性和化学稳定性，使SF6气体具有很高的绝缘强度。同时，SF6的分解时需吸收大量的热量，能使电弧迅速冷却下来，而且具有极高的分解复合性，复合后性能无明显下降，在0.29Mpa压力时，绝缘强度与变压器油相当，SF6气体的灭弧能力相当同等条件下空气的100倍；在1.2Mpa时液化，为此 SF6断路器中都不采用过高压力，使其保持气态。规程中对SF6气体的检测方法有SF6纯度、湿度和检漏项目,这些方法只能评价安装维护工艺，而与内部故障无直接关系。对SF6分解产物进行分析不但可以作为事故后故障部位的查找，还可以作为设备早期的故障诊断。当SF6设备中发生绝缘故障时，放电产生的高温电弧使SF6气体发生分解反应，生成SF4、SF3、SF2和S2F10等多种低氟硫化物。如果是纯净的SF6气体，上述分解物将随着温度降低会很快复合，还原为SF6气体，实际上使用中的SF6气体总含有一定量的空气、水分，由于上述分解生成的多种低氟硫化物很活泼，即与SF6气体中的微量水分和氧气等发生反应。由于SF6分解物与水分结合生成的HF和H2、SO3、SO2等化合物，均对设备内其他绝缘及金属材料有强腐蚀作用，进而加速绝缘劣化，最终导致设备发生突发性故障。引起SF6气体分解的主要原因有：局部放电、火花放电和电弧放电等。火花放电和电弧放电主要发生在断路器的灭弧室，由于GIS中断路器部分的灭弧室是单独的气室，因内部绝缘缺陷引起局部放电产生的分解气体组分和因断路器正常开断产生的分解气体组分是相互独立的。初步研究表明：不同绝缘缺陷引起的局部放电会产生不同的分解化合气体，相应的分解化合气体成份、含量以及产生速率等也有差异。这样使得通过分析分解产物的组分来判断故障类型成为可能，并可以通过检测设备中SF6气体分解气体组分及化合产物，来判断绝缘缺陷类型、性质、程度及发展趋势。目前，对于SF6气体分解产物分析检测方法有四种：气相色谱法、检测管法、气体传感器法、红外吸收光谱分析法。1、气相色谱法。气相色谱法是国内外用于SF6放电分解气体组分检测最常用的方法，也是国际电工学会和国家标准中共同推荐的方法。它具有检测组分多、检测灵敏度高等优点，但是色谱分析仪需要对分解气体组分的浓度进行标定，由于没有分解产物的标准物质，致使色谱法存在一定的局限性，不能如意的开展工作；同时它需要现场取样回实验室进行分析检测的复杂过程，存在取样和分析过程中可能混入水分导致一些组分水解、对SO2F2和SO2的检测比较困难、不能检测HF和局部放电主要成分之一的SOF4等缺点。2、检测管法。虽然可以检测SO2和HF等物质，但是检测组分比较单一，不能反映整体概况，使用有一定的局限性。3、气体传感器法。该方法是利用化学气敏器件检测气体组分，具有检测速度快、效率高，可以与计算机配合使用从而实现自动在线检测诊断等突出优点，但也存在检测气体组分单一等缺点，目前国内外用气体传感器可以检测的气体组要是比较常见的气体如SO2、HF和H2S，而对重要的气体组分SO2F2、SOF2、SF4、SOF4和CF4则无能为力。因GIS内部故障分解物的主要成分为二氧化硫（SO2）、氟化氢（HF）和硫化氢（H2S），选定一种或二种成分进行含量测试，通常以二氧化硫（SO2）和氟化氢（HF）或二氧化硫（SO2）与硫化氢（H2S）为检测对象；二氧化硫（SO2）为主测对象，氟化氢（HF）或硫化氢（H2S）为辅测对象，分析测试设备内的总的分解产物的含量，只要设备内存在分解产物就能进行检测。市面上大多数便携式SF6气体分解产物分析仪利用此种方法，该仪器现场进行测试工作，使用方便，但只能对大能量放电引起的气体分解进行检测较理想，或应用于故障后进行准确定位。另外，它存在组分间的干扰问题如：H2S传感器会对SO2有响应以及HF传感器使用寿命短等问题。有的便携式SF6分解产物分析仪还可增加对气体纯度和露点的检测，集SF6湿度仪、 SF6纯度仪、 SF6分解产物分析仪于一体，一次现场测量，即可完成三项指标检测，大大节省设备中的气体，同时减少用户的工作量，提高了工作效率。国内该产品市场价格在10万左右，进口产品市场价格在30万左右。4、红外吸收光谱分析法。该方法是鉴别化合物和确定物质分子结构常用手段之一，对于单一组分或者混合物中各组分也可以进行定量分析，尤其对于一些较难分离并在紫外、可见区找不到明显特征峰的样品可以方便快捷地完成定性定量分析。通过光谱进行一些分解产物的分析测试如SF4、S2F2、SF2、S2F10、SOF2、SO2F2、SOF4、HF、SO2等物质，其优点是无需气体分离、需要样气少、可在分解气体组分定性的同时完成定量，检测时间短，可形成在线监测系统等，是SF6气体分解产物组分分析技术的发展趋势。像德国PD公司生产的FTIR-SF6分解物分析系统，但市场价格在140万左右。虽然气相色谱法和红外吸收光谱分析法所检测分解气体组分多、检测灵敏度高，特别是红外吸收光谱分析法检测时间短，操作相对简单，但是其价格较昂贵，现场采集样品回实验室进行分析检测，由于分解产物一般都具有毒性，操作过程中一旦发生气体泄漏对实验人员的人身安全危害比较大，而且SF6分解气体含量与绝缘缺陷状况之间的关系，还缺乏像检测变压器油色谱那样完善而有效的原理、方法及判断标准，这主要是分解气体的成分复杂、种类多、含量小、稳定性差，加上缺乏有效的检测方法和技术等原因。所以建议购买一套便携式SF6气体分解产物分析仪，现场可结合便携式局部放电检测仪配合使用。二、 GIS在线局部放电检测：局部放电检测可以弥补耐压试验的不足，在耐压试验1min后紧接着进行局部放电检测，可以发现耐压试验所不能发现的缺陷。通过定期检测又可以发现绝缘制造工艺和安装过程中的缺陷等，可以及时发现各种可能的异常或故障预兆，并实时了解掌握局放的发展恶化趋势，在必要时对其进行处理，既保证电力系统的正常运行，又可以减少不必要的停机损失。GIS 的内部存在局部放电缺陷时，随着运行时间，缺陷导致老化，直到事故的发生。绝缘降低的过程中大部分缺陷，伴随局部放电现象，局部放电现象会带来高频电压和电流、噪音、光、气体分解、放射电磁波等现象。国家标准DL/T555-2004气体绝缘金属封闭开关设备现场耐压及绝缘试验导则中规定：“局部放电试验有助于检查多种绝缘缺陷和绝缘弱点，因而它是现场耐压试验很好的补充。”，“局部放电试验可以有效地发现GIS内部缺陷，各运行部门应积极创造条件开展此项工作。”，DL/T603-2006气体绝缘金属封闭开关设备运行及维护规程中更是把局部放电试验作为GIS在分解检修后应进行试验项目之一。同时标准中给出几种现场检测局部放电的方法：1、 电荷法测量局部放电。当电力设备发生局放故障时，其产生的高频电流脉冲信号会沿着设备外壳和接地线导入大地，根据这一特点可以在GIS的间隔与间隔间的连接铜排上，接地电缆或接地线安装高频电流传感器进行局放在线检测，它可以有效地发现GIS中的缺陷，如金属微粒、电极上的尖端突起、绝缘子中缺陷等。但采用此方法一般需要在线加装CT,如果GIS是室外的或进线和出线是架空线式的时候，外界的高频电流脉冲干扰信号将会对检测产生影响，无法判断局放信号的来源,但受环境干扰较为明显。2、 UHF（甚高频）法。当GIS内部发生局部放电时，会同时伴随有甚高频的电磁信号产生，甚高频的电磁信号沿着金属壳外壁传输，并向外界辐射。因此通过容性的或天线式的甚高频传感器可以接收到发生局部放电时产生的高频电磁波信号，以达到发现缺陷的目的。一般选定的频率范围是300-1000MHz，但是在现场测试过程中甚高频传感器经常会受到来自外界的甚高频信号的影响（如外部架空线的电晕放电，手机信号等）使检测装置很难判别信号的来源和真实性，需要放置噪音传感器及后台分析软件进行过滤。实际使用经验证明，该方法能够发现缺陷，可以实现在现场、在任何系统电压下进行测量，国际大电网工作组认可该方法。3、 VHF（超高频）法。通过检测GIS内部放电产生的超高频信号达到发现缺陷的目的。测量频率一般是40-300MHz，VHF信号最好是由设备内部安装耦合器获得，如从外部提取信号不可避免要受到空间电磁场的干扰，同时受测量频率的限制，VHF信号传递过程中能量损失比UHF信号明显。4、 振动法。通过放置在GIS外壳上的传感器接受放电产生的振动脉冲达到检测放电故障的目的。测量频率一般在10-30kHz范围。振动法对运行的金属微粒具有较高的灵敏度，且操作简单，易于实施，缺点是振动强度与放电强度成比例变化。常用于现场耐压试验时，有放电但未击穿前进行故障定位，以确定放电间隔。5、 超声波法。当电力设备发生局部放电的时候，除了发出电信号外还会伴随有超声信号，热信号和化学反应等。根据这一物理现象，可采用超声传感器对电力设备进行局放检测。尤其是GIS设备当其内部发生了局部放电时，由于其绝缘空间较小，更容易超声波信号的传输，因此采用超声波对GIS内部的局放检测已经得到广泛的应用。但是如果GIS内部绝缘子内部发生了局放故障，超声信号将很难传输出去，将无法检测到GIS绝缘子内发生的局放故障。超声波法测量频率一般在20-100kHz范围,声测法对跳动的金属微粒和电极上的毛刺，凸起等缺陷比较敏感，故障的定位可以通过寻找最大幅值的超声信号或是测量两个传感器之间的时延来确定。通过分析超声信号的形状和幅值来区分不同类型的故障及其危险程度。UHF法和超声波法，与其他方法相比，这两种方法对局部放电信号灵敏度比较高，所以它们可以用于设备运行时的局部放电检测。目前，国内外测量局部放电最常用的方法是UHF（甚高频）与超声波法相结合的方法：首先使用UHF法进行快速检测，对检测到的异常信号再利用超声波法进行确认定位。此方法可以实现对所有缺陷进行快速定位检测，早期故障类型判断及程度识别等，而且仪器为便携式，使用简单，适合于在线定期检测。此类产品市场价格，国产仪器（如北京圣泰、兴泰仪器）在40万左右，进口仪器（如德国PD2501-A/U）在50万左右。综上所述，GIS设备发生故障的70%以上是与GIS生产厂家和安装施工单位有关，并且最容易发生故障的时间是投运后的第一年，即GIS设备的“婴儿期”。因此，这就要求我们不但要加强监督基建安装质量，把好新设备交接试验关，还要在GIS设备运行中运用各种有效的监测手段加强巡视检查工作。我公司GIS设备所配挪威AIA-1型便携式局部放电检测仪不但可以在现场耐压试验时对设备进行局部放电测试，便于查找耐压试验所发现不了的缺陷，而且可以定期在线检测GIS内部局部放电量，做到故障早期判断；便携式SF6气体分解产物分析仪能检测出设备内部长期过热缺陷，对能量较大的缺陷较灵敏，特别是用于故障后进行准确定位，便于及时检修。以上内容大部分来自国家标准，网上查阅相关文献及GIS设备事故处理方法，仪器产品资料等，因本人技术水平有限，不可避免会存在技术片面性或缺乏真实性。要想真正了解可行而又有效检测手段及方法，可以联系相关单位外出进行考察学习，或者联系仪器厂家现场进行检测演示，以观其效。8 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