GIS变电站运行及局放监测

GIS变电站序言随着国民社会经济的开展，城镇规模的扩大，用电量日益增加，从而加速了大型火电、水电、及核电的开展和建设。这些大型电站往往远离负荷中心，使得电力系统向大容量、长距离、超高压方向开展。绝缘介质超高压输电线路的开展是以高压电气设备的不断开展和更新为根底，而高压电气设备的开展那么是以新型绝缘介质和灭弧介质的发现和应用为前提。目前空气、绝缘油和SF6气体是应用最为广泛的三大电介质。绝缘介质绝缘强度优缺点空气均匀场强下大约3kV/mm以自然存在的形态提供使用，不产生任何有害健康的副产品。补充、更新费用低。但是压缩空气断路器结构复杂、价格昂贵，需要配置空压机和管路系统，维护工作量大。绝缘油在试油杯中大约30kV/mm绝缘强度高，受热后具有相对流动性。具有良好的灭弧性。绝缘油最大的弱点就是可燃性，可能引起火灾。SF6均匀场强下为空气的2.5倍。当气体压力为0.2MPa时，绝缘强度相当于绝缘油。具有良好的绝缘和灭弧性。GIS结构紧凑，220kV占地面积为常规变电站10%。安装简便。不受污染及雨、盐雾等周围环境影响。SF6气体绝缘变电站〔GIS〕一、GIS结构GIS通常为积木式结构，元件可随意组合。因此，制造厂不同，用户的需要不同，GIS总体结构也不相同。它可分为：断路器、隔离开关、接地开关、负荷开关、电压互感器、电流互感器、避雷器等。二、额定参数1、GIS。投入运行的GIS额定电压为72.5～765kV。额定电流通常为2000～4000A，最高可达8000A。2、断路器。断路器的额定开断电流为20～70kA，最常用的范围为50～63kV。断路器中气体压力一般为0.5～0.7MPa。3、作为绝缘介质的SF6气体压力通常为0.3～0.5MPa，当气体压力降为0.1MPa时，一般仍能耐受相电压。三、SF6气体质量标准SF6气体是GIS和其它气体绝缘设备的主要绝缘介质和灭弧介质。因此，气体绝缘设备的绝缘性能和灭弧性能取决于SF6的质量和密度。在SF6气体的制备和充装过程中，可能混入少量的空气、水分和矿物油等。为了保证SF6气体的纯度和质量，IEC-376和我国制定了SF6气体的质量标准GB12022-89。SF6气体质量标准杂质名称杂质含量〔质量比〕标准代号IEC-376GB12022-89空气〔氮、氧〕≤0.05%〔质量分数〕≤0.05%〔质量分数〕CF4≤0.05%〔质量分数〕≤0.05%〔质量分数〕水分≤15ug/g≤8ug/g游离酸(HF)≤0.3ug/g≤0.3ug/g可分解氟化物≤1.0ug/g≤1.0ug/g矿物油≤10ug/g≤10ug/gSF6气体纯度≥99.8%〔质量分数〕≥99.8%〔质量分数〕生物毒性试验无毒无毒运行中的SF6气体纯度不低于95%四、GIS现场试验GIS在生产、运输、组装过程中，都有可能由于技术原因和管理问题而发生问题，所以GIS在运行之前，要作严格试验。国际电工委员会〔IEC〕和我国国家标准GB7674-87，对GIS的现场试验作了明确的规定。GIS现场试验工程：主回路耐压试验〔包括局部放电测量〕辅助回路耐压主回路电阻测量密封性试验投运试验〔断路器开断空载变压器、开断空载线路、隔离开关切空载母线等〕SF6气体含水量测量等现场试验属于检查性而不是鉴定性质。在条件具备的情况下，尽可能多做一些工程试验。五、GIS中的放电及其常见形式局部放电概念在绝缘体中发生局部放电时绝缘体上施加电压的两端出现的脉动电荷称之为视在放电电荷。视在放电电荷的大小可以这样测定：将模拟实际放电的瞬变电荷注入被试品两端〔也就是施加电压的两端〕，在此两端出现的脉冲电压与局部放电时所产生的脉冲电压相同，那么注入电荷量即为视在放电电荷量。单位用pC表示。在一个被试品中可能出现大小不同的视在放电电荷，通常以稳定出现的最大的视在放电电荷量作为该试品的放电量。放电频率在测量的时间内，每秒钟出现放电次数的平均值为放电频率，单位是次/s，实际受到测试系统灵敏度和分辨率的影响，所测得的放电次数只能是视在放电电荷大于一定值时，放电间隔时间足够大的放电脉冲次数。放电形式根据放电过程中释放能量的多少可划分为三种主要的放电形式：电弧、火花放电和电晕放电。电弧放电能量公式：W=式中U〔t〕------电弧电压〔数百伏〕I〔t〕------电弧电流〔数千伏～100kA〕t-------电弧持续时间〔典型值50～150ms〕断路器开断时所产生的电弧放电，电弧释放的能量一般为～J，轴线上的温度可达20000K。相对地击穿时所产生的电弧与断路器中断电弧非常类似，只是故障电弧发生的频次少得多。火花放电火花放电是指持续时间很短〔通常为us级〕的气体间隙的容性放电。每次火花放电的能量在～J之间。火花放电通道比电弧通道窄，温度分布高度集中。电晕放电在SF6绝缘设备中，如有某些部件处于悬浮电位，那么会导致电场强度局部升高，进而产生电晕放电。电晕放电的原因很多种，大概可分为以下几类：载流导体外表缺陷。如有毛刺、尖角、设计不合理、导体外表的电场强度过高等；绝缘体与导体的交界面上存在气隙，这种气隙可能是在产品制造时残留的，也可能是在使用中热胀冷缩形成的。气隙中分配的场强高，而气隙本身的击穿场强又低，于是在气隙中首先产生放电；浇注绝缘体中的缺陷，如气泡、裂缝；在SF6中导电微粒在强电场下产生的放电；导体局部接触不良。电晕放电是以脉冲形式，每个脉冲所释放的能量在uJ～mJ范围内。它是一个持续积累的过程。综上所述，GIS中放电形式和特点可参考下表：放电形式放电特点电弧〔电流开断、闪络故障〕3～100kA，50～150ms，～J火花放电〔容性放电、试验中击穿、隔离开关开断〕短时瞬变电流，～J电晕放电〔场强过高，处于悬浮电位部件、导电杂质〕～J/脉冲SF6气体在放电中的化学变化SF6分解产物的生成机理比拟复杂。它包括两个主要过程：SF6分解产生低氟化物；低氟化物与电极材料、绝缘材料、SF6中的气体杂质反响生成SF6分解产物。促成SF6分解主要是电、热、和光的作用。在高压气体绝缘设备中，电和热的过程占主导地位。一般情况下，分解了的SF6气体很快会复合，然而由于气体中含有氧气、水分、金属蒸气等杂质，所以一些化学反响较强烈的低氟化物与这些杂质可反响成氟氧化物、氢氟酸和金属氟化物。电弧放电中SF6的化学反响如第五节所述，电弧放电能量大，温度最高能到达20000K，在此温度范围内，SF6气体几乎全是正离子和电子。当电弧冷却后，离解的气体迅速复合，大局部SF6恢复原状。局部离解气体与金属蒸气发生反响，生成少量的低氟化物和固态粉末。主要化学公式如下：SF6+Cu=SF4+CuF23SF6+W=WF6+3SF4其中，CuF2为褐色的固态粉末，WF6为气态产物。这些化合物与水共存时可产生水解，方程式如下：SF4+H2O=SOF2+2HFWF6+3H2O=WO3+6HFGIS导体和外壳可能由铝制成，发生闪络时，其方程式分别如下：AL+3F=ALF3其中ALF3为白色粉末。2、火花放电中SF6的化学反响火花放电持续时间短，能量也足以使局部加热温升。其化学生成物与电弧放电中的情况类似。方程式如下：SF6SF4+2FSF4+H2O=SOF2+2HF其余化学反响可参照电弧放电。3、电晕放电中的SF6的化学反响电晕放电中的SF6分解过程不同于以上两种，电子碰撞与捕获在过程中占主导地位。其方程式如下：e+SF6=SFx+(6-x)Fx<5e+SFx=SF(x-1)+F经过屡次分解后形成SF4、SF3的低氟化物，其方程式如下：SF5+O=SOF4+FSF4+O=SOF4SF4+H2O=SOF2+2HFSF3+O2=SO2F2+FSF2+O2=SO2F2在电晕放电中，SOF2是主要分解产物。SF6气体的主要分解产物及根本性质分解物化学式特点氟化亚硫酸SOF2无色气体，有强烈恶心臭味，剧毒气体氟化硫酰SO2F2无色无嗅气体，痉挛性化合物，会引起肺出血四氟化亚硫酰SOF4无色气体，有刺激性臭味，对肺有侵蚀作用四氟化硫SF4常温下无色气体，有刺激性臭味，对肺有侵蚀作用，影响呼吸系统二氟化硫SF2极不稳定，易发生化学反响。有毒氟化硫S2F2常温下无色气体，有剧毒十氟化二硫一氧S2F10O剧毒物质氟化氢HF无色气体或液体，有强烈的刺激性臭味。对皮肤、粘膜有强烈作用，引起肺水肿、肺炎。三氟化铝ALF3白色粉末，有强烈腐蚀性和毒性氟化铜CuF2蓝色粉末，有毒性七、GIS局部放电的检测方法局部放电的过程，除了伴随着电荷的转移和电能的损耗，同时还产生各种非电信息，包括声波、发光、发热、电磁波以及GIS内部新的化学生成物等等。通过测量这些信号的量值，可以判定局部放电。1、电测法目前电测法以脉冲电流法的运用为主。其根本原理是：产生局部放电时，被试品两端产生一个瞬时的电压变化U，经过一个耦合电容到一个检测阻抗上，回路中就会产生一个脉冲电流I，如下列图，将脉冲电流I经检测阻抗产生的脉冲电压加以采集、放大和显示等处理，就可测量局部放电的一些根本量。MM～～SIS---试验电源---被试品---耦合电容---检测阻抗M---仪器脉冲电流法主要利用局部放电频谱中的较低频段局部。一般为数kHz到数百kHz，以防止无线电干扰。一般均配有脉冲峰值表指示脉冲峰值，并有脉冲管显示脉冲大小、个数和相位。用电荷量的脉冲注入校正定量，从而可测出放电量q。以pC为单位。电测法必须与被试品回路相连接，容易受被试回路电气干扰，影响测量结果。而现场电气干扰更加复杂，所以在现场局放检测中一般不使用电测法。2、光测法局部放电的过程会放出光子而发光，各种放电发出的光波长不同，能量比拟弱小的电晕放电，发出的光波长较短，不超过400nm，大局部属于紫外范围。较强的火花放电和电弧放电，波长可超过700nm，大局部属于可见光范围。光测法主要是采用光电倍增管。光电倍增管是一个由许多倍增电极组成的一个电子管，各电极间施加一定的直流电压，阴极在光的照射下发射出电子，在各个电极的加速下，这些电子不断撞击而产生新的电子，这样到达阳极的电子，可以增加到好几个数量级，在阳极就可测出输出的电流或电压。各种光电管都有一定的光谱范围，局部放电所产生的光，多在几百nm以内，所以光电倍增管的光谱可以选择在此范围。检测放电时是利用GIS上的视窗来观察GIS内部的放电，测试局部放电时的光输出理应是所有诊断技术中最敏感的，因为一个光电倍增管可以测到甚至一个光子的发射，但由于射线会被SF6气体、绝缘子等强烈地吸收，而且会有“死角〞出现。同时由于光电倍增管过于敏感，甚至只能在黑暗的环境使用，稍微强烈的光线都有可能烧毁，所以影响了光测法的使用效果。热成像法局部放电产生的热可能会使局部区域的温度升高。红外测温装置一般由红外热成像系统、红外电视和红外测温仪组成，另外有的还配有红外扫描器、红外观察器、红外CD成像器及红外光纤监视器等。在GIS现场测试中，环境温度可能高达37℃以上，而能量较小的放电很难使局部有明显温升，并且现场环境中引起被试设备温升的原因很多，所以温升灵敏度和排除干扰的问题有待进一步解决。化学检测法GIS内部闪络会导致SF6气体分解〔可参考第六章--SF6气体在放电中的化学变化〕，因此，SF6电弧分解产物的存在是内部电弧放电的一个标志。化学测试管是现场检测SF6分解产物生成情况的常用工具。化学测试管内装有灵敏指示剂，它们与SO2和HF互相作用就会改变颜色。采用化学测试管可以检测分解产物浓度达几百～几万ppmV的电弧放电。此外，化学测试管还能鉴别出SO2和SOF2，从而可以判断GIS内部闪络故障是发生在气体间隙中还是绝缘子附近，因为在绝缘子附近发生闪络时，通常SO2的浓度要高很多。此外化学测试管还可以配合气相色谱仪使用，能够到达更理想的效果。化学检测法对于小气室中的大电流电弧放电是一项很实用的方法，但是对于大气室小能量放电那么灵敏度不够，因为小能量放电不一定能够产生足够的化学分解物。同时由于GIS内部有吸附剂和枯燥剂，也可能严重影响化学检测结果。化学检测法可以判定SF6的分解物浓度，但是无法判定是否存在绝缘缺陷，因为GIS中的断路器动作所产生的电弧同样会引起气体的化学变化。5、声测法通过测量局部放电产生的声波，来检测局部放电的大小及位置的方法，称为声测法。声波的产生声波是一种机械振动波。当局部放电发生时，在放电的区域中，分子间产生剧烈的碰撞，这种撞击在宏观上就产生了一种压力，由于放电是一连串的脉冲形成，由此产生的压力波也是脉冲形成的，它含有各种频率分量，也是频带很宽的声波。声波的频谱局部放电产生的是一个声脉冲，它的频谱分布很广，～Hz数量级范围。声波的传播GIS的局部放电通常是发生在设备的内部，而用于测量声波的接收器一般只能安放在设备的外壳上，声波要从放电源传播到测量点才能被检测到。不同类型、不同频率的声波，在不同的温度下，通过不同的媒质的速度都不相同。在20℃时纵波在几种媒质中传播的速度〔m/s〕媒质速度媒质速度媒质速度氢1280油纸1420铝6400空气330油纸板2300钢6000SF6140聚四氟乙烯1350铜4700矿物油1400聚乙烯2000铅2170水1483有机玻璃2640～2820铸铁3500～5600瓷料5600～6200聚苯乙烯2320不锈钢5660～7390天然橡胶1546环氧树脂2400～2900由上表可知，声波在SF6气体中传播速度很慢，衰减也很大，而且随着频率的增高而增大。在金属外壳中分纵波和横波两种形式。纵波速度较快，衰减也快。横波的速度较慢，约为纵波的一半，而且衰减也小。因此贴在GIS外壳的声波接收器测得的声波，往往是沿着金属材料最近的方向传到金属体后，以横波的形式传播到声波接收器。声波的检测用于局部放电测量的超声波检测系统，一般包括四个局部，传感器、电信号放大、抑制干扰、信号显示。传感器也可称为换能器，在超声波信号的接收中，是把机械能转换成电能。在局部放电测量中，一般采用压电传感器。放大器按照频率的特性划分，可分为两类，如下两图：A图B图A图为宽频放大器，频带的下限频率为几kHz，上限频率为几百kHz甚至几MHz，宽带放大器容易受外界噪音干扰，限制了它的广泛运用。B图为调谐放大器，它是选择一个中心频率，以避开干扰大的频域。故有实用价值。在GIS中，除了局部放电产生的声波以外，还存在机械振动噪声(<10kHz)，另外现场还存在强烈的电磁辐射干扰，而且局部放电本身也会辐射电磁波，传感器本身对电磁辐射没有任何响应，因而主要针对机械振动或其他噪声作带通滤波抑制干扰产生。通常可以采用高通滤波器，同时设计了低通滤波器，二者构成非对称的带通滤波器。形成通带的带通滤波器。使用高运放低噪声芯片，能够有效的放大需要的信号，过滤多余的噪声。超声波检测局部放电理论原理框图：电荷放大中间放大上下通滤波末级放大CPU电荷放大中间放大上下通滤波末级放大CPU压电传感器数字显示数字显示超声波测局放的优点：1〕可以不用与高压设备相接触。2〕可以在线监测，不用停电。3〕在平安距离的范围可以准确定位。6、超高频法〔UHF〕局部放电发生时，会产生频谱很广泛的电磁波。从工频电磁波到上GHz。在高场强的SF6中，局部放电总是在很小的范围内发生，因此具有击穿时间短的特征，这种具有快速上升时沿的局部放电脉冲包含有从直流到超过1GHz的频率成分。GIS的同轴结构是一个良好的波导，超高频(300～3O00MHz)电磁波可在内部有效地传播。因此，选择超高频段的电磁信号作为检测信号，可以避开常规电气测试方法中难以识别的电力系统中的干扰，显著提高了局部放电检测的信噪比(S／N)。国外超高频方法已用于局部放电在线检测，有内部天线法和外部天线法两种方法。1)内部天线法由于GIS接地的金属外壳的屏蔽作用限制了位于GIS外部的天线对局部放电的电磁波信号的接收，一些国家考虑把天线安装在GIS的内部。例如英国，所有新的GIS都被指定安装用于超高频监视的内部耦合器(天线)，在一些场合，已安装的变电站也在追加安装天线。内部安装天线的优点显而易见：内部电磁信号易于接收而且外部干扰几乎被完全屏蔽，灵敏度很高。但是，必须考虑GIS内部因引入天线而可能引起的击穿。因此要在天线的形状和安装位置上下功夫，可考虑天线做成盘形、装于视窗等相对弱场处。2)外部天线法外部天线法是把天线安装在GIS金属外壳的绝缘缝隙处，接收GIS内部从此处泄露出来的电磁波信号。日本采用了这样的做法，这种方法由于不影响运行中的GIS的正常工作，而且安装使用方便，很适合于GIS局部放电的在线检测，但由于天线接收的是本身就很微弱而且又绝大局部被屏蔽掉的信号，这就对天线的设计及后续处理提出了很高的要求。天线可设计为一中间开槽的双环带。超高频检测法可分为几个局部：超高频天线、传输、信号调理模块、数据采集、工控机。原理框图如下：工控机数据采集卡信号调理单元传输超高频天线放电信号工控机数据采集卡信号调理单元传输超高频天线放电信号信号调理单元主要是根据工控机的指令，调节所接收信号的中心频率和频宽，这样可以大局部抑制的现场干扰。工控机的作用主是要通过数据采集卡记录并处理数据，显示测量的结果。在现场局部放电检测中，现场环境干扰强烈，充满各种频率的电磁波，一般不允许拨打，所以如何屏蔽是很重要的问题。GIS的检修GIS的检修包括定期维修和临时检修。1、定期维修工作可2～3年一次，定期维修是GIS处于全部或局部停运状态下专门组织的维修检查。定期维修通常在不排放SF6气体、GIS不解体的情况下进行的，其主要的检查内容包括：断