1、西安交通大學(xué),高電壓技術(shù)教研室 丁衛(wèi)東,GIS裝置及其絕緣技術(shù),GIS裝置及其絕緣技術(shù) 2007年10月1日,第八章 GIS設(shè)備的故障診斷,內(nèi)容,GIS設(shè)備的可靠性 GIS設(shè)備的故障 GIS設(shè)備故障診斷 巡檢 直流電阻測(cè)量 SF6氣體檢測(cè) 機(jī)械性能檢測(cè) 溫度檢測(cè) 局部放電檢測(cè),GIS設(shè)備的可靠性,GIS的可靠性相當(dāng)高，一般被稱為免維護(hù)設(shè)備，隨著技術(shù)的發(fā)展，其平均無故障時(shí)間提高到400-1000年/間隔。 采用耐電強(qiáng)度非常高的SF6作為絕緣和滅弧介質(zhì) 高壓導(dǎo)體全部在金屬封閉外殼之內(nèi)，不受外界氣候和污染的影響 SF6基本不發(fā)生老化,現(xiàn)代電力系統(tǒng)對(duì)GIS可靠性的要求： 在電氣時(shí)代和信息時(shí)代，供電可靠

2、性要求越來越高 GIS在電力系統(tǒng)中占有一個(gè)很重要的位置 投資削減造成的延長(zhǎng)GIS壽命的要求,GIS系統(tǒng)真的不需要維護(hù)嗎？ 不！,合適的GIS故障監(jiān)測(cè)技術(shù),GIS設(shè)備的可靠性,持續(xù)的監(jiān)督可以提高設(shè)備的可靠性，延長(zhǎng)設(shè)備壽命,TBM及CBM的概念,GIS設(shè)備的故障,根據(jù)CIGRE的第二次GIS調(diào)查結(jié)果 被調(diào)查GIS的平均投運(yùn)時(shí)間為9年，只有8.4%的GIS運(yùn)行超過20年 全球平均GIS故障率為 0.75次/100間隔年 大約87%的GIS從未發(fā)生故障，約7%發(fā)生過1次故障 大約20%的故障發(fā)生在投運(yùn)后1年之內(nèi) 斷路器、母線和隔離開關(guān)是最容易出問題的部分 現(xiàn)存GIS的預(yù)期壽命大約為30-40年，新安裝

3、的GIS的壽命預(yù)期為30-50年 GIS的年漏氣率一般小于0.5%,GIS設(shè)備的故障,GIS絕緣事故的數(shù)量及絕緣事故的比例,全球平均GIS故障率為 0.75次/100間隔年 電壓等級(jí)越高，問題越嚴(yán)重,GIS設(shè)備的故障,GIS事故原因統(tǒng)計(jì),絕緣故障、機(jī)械故障等，其中絕緣故障超過50%,GIS設(shè)備的故障, GIS事故的具體原因,GIS設(shè)備故障診斷,主要的故障檢測(cè)方法 巡檢 直流電阻測(cè)量 SF6氣體檢測(cè) 機(jī)械性能檢測(cè) 溫度檢測(cè) 局部放電檢測(cè),GIS設(shè)備故障診斷,巡檢,斷路器、隔離開關(guān)、接地隔離開關(guān)以及快速接地隔離開關(guān)的位置指示器、閉鎖位置是否正常 隔離開關(guān)、接地隔離開關(guān)從窺視孔中檢查其觸頭接觸是否正

4、常 斷路器、避雷器的指示動(dòng)作次數(shù)是否正常 密度計(jì)、壓力表的指示值是否正常 在GIS設(shè)備附近有無異味、異聲 設(shè)備有沒有漏氣、漏油的現(xiàn)象 所有閥門的開、閉位置是否正常 各種指示燈、信號(hào)燈的指示是否正常、加熱器是否按規(guī)定投入或切除 保險(xiǎn)絲、熔斷器的指示是否正常 有無發(fā)熱現(xiàn)象，金屬外殼的溫度是否超過規(guī)定 可見的絕緣件，有沒有老化，剝落，有裂紋的現(xiàn)象 所有照明、通風(fēng)設(shè)備、防火器具是否完好 所有設(shè)備是否清潔，齊整，標(biāo)志完善,GIS設(shè)備故障診斷,直流電阻測(cè)量 安裝完成之后要測(cè)量直流電阻，測(cè)量值與制造廠商提供的值進(jìn)行比較 作為故障診斷的手段之一，也可以測(cè)量直流電阻，測(cè)量直流電阻可以檢測(cè)到導(dǎo)體接觸不良,GIS設(shè)

5、備故障診斷,SF6氣體檢測(cè) 密度/壓力檢測(cè) 泄漏檢查 水分含量檢測(cè) 分解物濃度檢測(cè),GIS設(shè)備故障診斷,密度/壓力檢測(cè),氣體的密度、氣體的壓力p、溫度T三者滿足如下的方程：,實(shí)質(zhì)上是一個(gè)帶溫度補(bǔ)償?shù)膲毫Ρ?GIS設(shè)備故障診斷,泄漏檢查：密封圈的老化是GIS壽命的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié),泄漏率測(cè)算：扣罩法吊瓶法局部包扎法壓力降法,GIS設(shè)備故障診斷,SF6氣體泄漏檢測(cè)儀： SF6的高耐電強(qiáng)度 SF6的高紅外吸收能力,電離腔里的氣體很稀薄很容易發(fā)生電離。當(dāng)電離腔內(nèi)不含SF6時(shí)，由于氣體電離，振蕩回路的Q值下降，振蕩幅值降低；而當(dāng)電離腔內(nèi)的含有SF6時(shí)，大量的電子被SF6氣體分子所俘獲，降低了電離程度，振蕩器

6、的振幅亦將回升。測(cè)量振蕩器的振幅，即可知道被試氣體中SF6的濃度。,GIS設(shè)備故障診斷,隨著SF6氣體的泄漏，電極的擊穿電壓極大提高，通過檢測(cè)擊穿電壓的變化監(jiān)測(cè)SF6氣體的泄漏。 氣壓的變化 大氣濕度的變化 灰塵,GIS設(shè)備故障診斷,參考資料來自NIST的數(shù)據(jù)庫，其中SF6的濃度未知,SF6的吸光度,不透明領(lǐng)域,SF6氣體泄漏激光成像系統(tǒng),GIS設(shè)備故障診斷,GIS設(shè)備故障診斷,GIS設(shè)備故障診斷,GIS設(shè)備故障診斷,GIS設(shè)備故障診斷,水分含量檢測(cè)： 重量法 電解法 阻容法露點(diǎn)法 GB8905-88；SD305-89；SD306-89；DL506-92；,重量法原理： 用恒重的無水高氯酸鎂吸

7、收一定體積六氟化硫氣體中的水分，并測(cè)定其增加的 重量。由此計(jì)算六氟化硫氣體的含水量。 操作起來比較復(fù)雜，但是最可靠的方法,GIS設(shè)備故障診斷,電解法： 讓含水氣體通過一個(gè)電解池，電解池內(nèi)裝有兩個(gè)銠電極，極間有一層P2O5薄膜。當(dāng)P2O5完全干燥時(shí)，極間加直流電壓不會(huì)有電流通過。而P2O5吸收氣中水分后使薄膜導(dǎo)電，將所吸收的水電解而產(chǎn)生H2和O2。 由法拉第定律可知，電解所需要的電量就是水分量的度量。,阻容法： 通過電化學(xué)方法在鋁電極表面形成一層氧化鋁薄膜，然后再膜上形成一層金屬膜，這樣兩層金屬膜之間形成了一個(gè)電容器，當(dāng)氧化鋁膜吸收水分之后阻抗發(fā)生變化，通過檢測(cè)阻抗的變化即可確定水分的多少。,G

8、IS設(shè)備故障診斷,露點(diǎn)法： 露點(diǎn)法的測(cè)量系統(tǒng)是一個(gè)溫度可調(diào)的金屬鏡面，當(dāng)金屬鏡面的溫度持續(xù)降低時(shí)，在一定的溫度下，水蒸汽開始在鏡面上凝結(jié)，該溫度稱為露點(diǎn)。在只有水蒸氣一種可冷凝的物質(zhì)的條件下，露點(diǎn)溫度的高低與水蒸汽的分壓力直接相關(guān)，也就是說，與水蒸氣的含量相關(guān)。通過測(cè)量氣體的露點(diǎn)溫度可以測(cè)定氣體的水分含量。,例：,20100 Pa,如果充氣壓力為0.4 MPa, 則體積濃度為：,GIS設(shè)備故障診斷,DP-99露點(diǎn)儀,GIS設(shè)備故障診斷,分解物濃度檢測(cè)： 氣體檢測(cè)管、氣相色譜儀、移動(dòng)度計(jì)、質(zhì)譜儀、紅外分光光度計(jì)、變色膜(dye film) 、固體電解質(zhì)傳感器、碳納米管氣體傳感器,GIS設(shè)備故障診

9、斷,機(jī)械性能檢測(cè), 機(jī)械性能的衰退對(duì)設(shè)備壽命的影響很大,測(cè)試斷路器分、合閘動(dòng)作時(shí)間 斷路器的分合閘動(dòng)態(tài)曲線 斷路器的備用行程 斷路器的分合閘力過程曲線 三相斷路器的同步性 從零壓力開始到儲(chǔ)滿能馬達(dá)運(yùn)行時(shí)間 隔離開關(guān)、快速接地開關(guān)分合閘操作馬達(dá)持續(xù)電流,GIS設(shè)備故障診斷,溫度檢測(cè),世界最長(zhǎng)GIL-Shinmeika-Tokai線的基本情況,GIS設(shè)備故障診斷,GIL監(jiān)測(cè)系統(tǒng) GIL本體檢測(cè)：外殼溫度、氣體密度、故障定位 隧道環(huán)境監(jiān)測(cè)：門禁、隧道位移、照明、水位、風(fēng)扇、天然氣管道,GIS設(shè)備故障診斷,光纖溫度傳感器,故障判斷準(zhǔn)則,傳感器的安裝方法,GIS設(shè)備故障診斷,局部放電(PD)檢測(cè) 電氣

10、UHF、IEC60270、箔電極 振動(dòng) 加速度計(jì)、超聲波傳感器(AE) 光 光電倍增管、光電二極管 分解氣體 氣體檢測(cè)管、色譜儀、CNT氣體傳感器,UHF和AE傳感器在國(guó)內(nèi)研究比較多，UHF法的靈敏度比較高，AE傳感器使用比較方便，但兩種方法有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，那就是抗干擾性有待提高。傳統(tǒng)上，分解氣體檢測(cè)法不能用于檢測(cè)微弱的局部放電，但隨著技術(shù)的發(fā)展，情況已經(jīng)有所改變。,GIS設(shè)備故障診斷,作為標(biāo)準(zhǔn)局部放電檢測(cè)法的IEC60270,局部放電測(cè)量的基本回路 (a)測(cè)量阻抗與耦合電容器串聯(lián)回路；(b)測(cè)量阻抗與試品串聯(lián)回路；(c)平衡回路 Zf高壓濾波器；Cx試品等效電容；Ck耦合電容；Zm測(cè)量阻抗

11、；Z調(diào)平衡元件；M測(cè)量?jī)x器,GIS設(shè)備故障診斷,校準(zhǔn)回路,可以直接得到放電量的大小、使用放電的相位圖(PRPD)可直觀診斷放電類型 測(cè)量需要高壓電容器，因此不方便在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施 當(dāng)試品電容量較大時(shí)，檢測(cè)變得困難，故不太適合于GIS現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn) 不能被用于局放定位,GIS設(shè)備故障診斷,超高頻(UHF)法 300 MHz - 3 GHz,GIS設(shè)備故障診斷,制造廠家： 使用內(nèi)屏蔽電極作為UHF傳感器 設(shè)置專用的UHF傳感器 接地開關(guān)作為UHF傳感器 運(yùn)行單位： 外被電極法 外部天線,GIS設(shè)備故障診斷,GIS設(shè)備故障診斷,UHF內(nèi)部傳感器,GIS設(shè)備故障診斷,GIS設(shè)備故障診斷,故障定位,GIS設(shè)備故障診

12、斷,外被電極法和外部天線,由于波阻抗不連續(xù)，電磁波在絕緣子處發(fā)生折反射，故在絕緣子兩側(cè)設(shè)置薄膜電極可檢測(cè)出局部放電信號(hào) 電磁波可從絕緣子的法蘭處泄漏出來，故可用線圈在絕緣子的法蘭處檢測(cè),GIS設(shè)備故障診斷,Shinmeika-Tokai線局部放電檢測(cè),GIS設(shè)備故障診斷,超聲波傳感器,PD信號(hào) AE信號(hào)AE傳感器AE信號(hào)檢測(cè)、處理及分析系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn)： 實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè) 易進(jìn)行PD定位 高靈敏度-100pC 高效、低耗,GIS設(shè)備故障診斷,便攜式聲電檢測(cè),GIS設(shè)備故障診斷,分解氣體檢測(cè)： 氣體檢測(cè)管、氣相色譜儀、質(zhì)譜儀、移動(dòng)度計(jì)、紅外分光光度計(jì)、變色膜(dye film) 、固體電解質(zhì)傳感器、碳納米

13、管氣體傳感器,擴(kuò)散型SO2、HF氣體檢測(cè)管,福建電力試驗(yàn)研究院的SO2檢測(cè)結(jié)果,GIS設(shè)備故障診斷,紅外分光光度計(jì),FTIR的概略和原理,GIS設(shè)備故障診斷,部分分解氣體的吸光度 (光路長(zhǎng)度為10 cm),定量分析時(shí)使用的SF6分解氣體的吸收帶,GIS設(shè)備故障診斷,隨著局部放電的進(jìn)行，部分分解氣體的濃度變化,GIS設(shè)備故障診斷,移動(dòng)度計(jì),移動(dòng)度計(jì)的原理,GIS設(shè)備故障診斷,分解物濃度檢測(cè)：,純SF6,含有1000ppm的SF6分解氣體時(shí),峰值時(shí)間 峰值大小,GIS設(shè)備故障診斷,純SF6,斷路器開斷一次，峰值大概移動(dòng)0.4 ms,斷路器動(dòng)作前,斷路器動(dòng)作后,GIS設(shè)備故障診斷,固體電解質(zhì)傳感器,

14、固體電解質(zhì)傳感器的原理,GIS設(shè)備故障診斷,碳納米管(CNT)氣體傳感傳感器,原理: SF6分解氣體分子吸附在CNT表面，引起CNT的導(dǎo)納發(fā)生變化,GIS設(shè)備故障診斷,與暴露于PD時(shí)類似，SF4、HF也能使傳感器的導(dǎo)納值增加，而且 SF4 HF,GIS設(shè)備故障診斷,GIS設(shè)備故障診斷,CNT氣體傳感器對(duì)GIS中PD的基本響應(yīng)特性,0.1 MPa SF6 尖-板電極 施加電壓: 10 kV-30 kV,使用CNT氣體傳感器能夠檢測(cè)出SF6中發(fā)生的局部放電,PD發(fā)生 傳感器導(dǎo)納增加,GIS設(shè)備故障診斷,主要研究結(jié)果 1. 敏感成分 引起CNT氣體傳感器響應(yīng)的主要SF6分解氣體成分是SF4和SOF2，同時(shí)HF也能引起CNT氣體傳感器的響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明：CNT氣體傳感器可以檢測(cè)出1 ppm左右的SF4或HF氣體。 2. 靈敏度 CNT氣體傳感器能很好地檢測(cè)出發(fā)生在SF6氣體中放電量大小在1