GIS和高压断路器的在线监测与故障诊断.ppt

GIS和高压断路器的在线监测与故障诊断n1.GIS概述n2.高压断路器故障的监测n3.高压断路器检测和诊断技术n4.GIS绝缘故障的监测与诊断n5.SF6气体泄漏的监测1.GIS概述一、一、GIS1.什么是什么是GIS？以以SF6作绝缘介质的气体绝缘金属封闭开关设备简称为作绝缘介质的气体绝缘金属封闭开关设备简称为GIS。该设备将断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母该设备将断路器、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）线、连接管和过渡元件（如电缆头、空气套管和油套管）全封全封闭在一个接地的金属外壳内，壳内充以闭在一个接地的金属外壳内，壳内充以SF6气体作为绝缘和灭气体作为绝缘和灭弧介质。弧介质。2、GIS优越性优越性尺寸比常规电气设备小得多尺寸比常规电气设备小得多可以避免水雾对设备得影响从而提高设备运行可以避免水雾对设备得影响从而提高设备运行得可靠性得可靠性SF6断路器开断性能好，检修周期长断路器开断性能好，检修周期长安装方便，可以缩短建设周期安装方便，可以缩短建设周期3、劣势、劣势所有设备被完全封闭，难以发现故障的早期症状所有设备被完全封闭，难以发现故障的早期症状各设备之间距离紧凑，易于互相影响，导致故障扩大各设备之间距离紧凑，易于互相影响，导致故障扩大故障定位较难进行，增加处理故障的困难度及时间故障定位较难进行，增加处理故障的困难度及时间二、二、GIS监测的主要内容监测的主要内容高压部位高压部位断路器的动作特性断路器的动作特性绝缘特性绝缘特性接地点接地点接地故障引起振动接地故障引起振动2.高压断路器故障的监测电力系统中使用的额定电压为电力系统中使用的额定电压为3kV及以上的断路器为高压断路及以上的断路器为高压断路器，是电力系统中最重要的控制设备和保护设备。器，是电力系统中最重要的控制设备和保护设备。高压断路器在电网中作用有二：高压断路器在电网中作用有二：1、控制作用、控制作用根据电网运行需要，用高压断路器把一部分电力设备或线路投根据电网运行需要，用高压断路器把一部分电力设备或线路投入或退出运行入或退出运行2、保护作用、保护作用可以在电力线路或设备发生故障时将故障部分从电网快速切除，可以在电力线路或设备发生故障时将故障部分从电网快速切除，保证电网中的无故障部分正常运行保证电网中的无故障部分正常运行高压断路器的基本结构操动机构高压断路器的电气性能指标 额定电压及最高工作电压额定电压及最高工作电压1.绝缘性能绝缘性能 绝缘强度及额定绝缘水平绝缘强度及额定绝缘水平 额定开断电流额定开断电流2.开断性能开断性能 瞬态恢复电压与工频恢复电压瞬态恢复电压与工频恢复电压 开断时间开断时间3.关合性能关合性能 额定关合电流额定关合电流 额定电流额定电流4.通流性能通流性能 额定短时耐受电流额定短时耐受电流（热稳定电流）（热稳定电流）额定峰值耐受电流（动稳定电流）额定峰值耐受电流（动稳定电流）小电流开断性能断路器的开断和关合小电流开断性能断路器的开断和关合5.其他条件下其他条件下 近区故障开断性能近区故障开断性能的开断性能的开断性能 失步开断性能失步开断性能 异相接地开断性能异相接地开断性能 发展性故障开断性能发展性故障开断性能机械性故障机械性故障 7080%拒分、拒合和误动作拒分、拒合和误动作 46%变电所中对负荷的停、送电的操作，关键的设备是高压断路变电所中对负荷的停、送电的操作，关键的设备是高压断路器器 1、高压断路器无法正常合闸送电，此现象称为高压断路器开、高压断路器无法正常合闸送电，此现象称为高压断路器开关的拒合现象，此现象在事故现场中经常出现。关的拒合现象，此现象在事故现场中经常出现。2、高压断路器无法正常分闸停电，此现象称为高压断路器的、高压断路器无法正常分闸停电，此现象称为高压断路器的拒分现象，在现场事故处理中，此现象较普遍存在。拒分现象，在现场事故处理中，此现象较普遍存在。1、断路器和操动机构机械特性的监测、断路器和操动机构机械特性的监测合分闸线圈电流合分闸线圈电流-根据电流波形掌握机械操作系统情根据电流波形掌握机械操作系统情况况断路器的行程监测断路器的行程监测-得出操作时的运动速度和时间得出操作时的运动速度和时间振动信号监测振动信号监测-根据机械振动波形根据机械振动波形2、合分闸线圈回路通路监测、合分闸线圈回路通路监测将合分闸线圈电路用高值电阻与电源连接，根据电路中将合分闸线圈电路用高值电阻与电源连接，根据电路中的电流判断线圈回路是否有断路的电流判断线圈回路是否有断路高压断路器的监测内容3、操动机构的储压系统、操动机构的储压系统包括压力监测和电动机启动时间间隔及转动时间监测包括压力监测和电动机启动时间间隔及转动时间监测4、灭弧室和灭弧触头电磨损监测、灭弧室和灭弧触头电磨损监测通过分断电流累计值或加权分段累计间接估计电磨损程度通过分断电流累计值或加权分段累计间接估计电磨损程度5、绝缘监测、绝缘监测局部放电的监测局部放电的监测6、断路器主触头及导电部分检测、断路器主触头及导电部分检测包括包括壳体温升的监测和壳体振动的监测壳体温升的监测和壳体振动的监测暂时性状态监测技术暂时性状态监测技术即断路器暂时退出运行处于离线状态，但不需将断路器解体，即断路器暂时退出运行处于离线状态，但不需将断路器解体，运用体外检测技术来诊断其内部状态运用体外检测技术来诊断其内部状态1、分合过程中壳体或外壳机械振动的检测、分合过程中壳体或外壳机械振动的检测2、动态回路电阻的检测，从而监测触头磨损情况、动态回路电阻的检测，从而监测触头磨损情况3、液压机构低速驱动时的驱动力的监测、液压机构低速驱动时的驱动力的监测机械故障的检测和诊断1.断路器合闸、分闸线圈电流监测断路器合闸、分闸线圈电流监测分合闸线圈电流是表征断路器操作机构动作性能的关键特征，分合闸线圈电流是表征断路器操作机构动作性能的关键特征，电流波形中蕴含丰富的信息电流波形中蕴含丰富的信息。断路器操作的第一级控制元件为电磁铁断路器操作的第一级控制元件为电磁铁铁心铁心线圈线圈衔铁衔铁总结：总结：分析分析i的波形和不同时刻及对应的电流等特征值可以计算出铁的波形和不同时刻及对应的电流等特征值可以计算出铁心启动时间、铁心运动时间、线圈通电时间等参数，得出操心启动时间、铁心运动时间、线圈通电时间等参数，得出操动机构的工作状态从而预告故障的前兆动机构的工作状态从而预告故障的前兆I1、I2 、I3电流值反映电源电压、线圈电阻及电磁铁铁心运电流值反映电源电压、线圈电阻及电磁铁铁心运动的速度信息。动的速度信息。电流有两个峰值和一个谷值点。电流有两个峰值和一个谷值点。操动机构操动机构直线式行程传感器安装在操动机构的直线运动的连杆上直线式行程传感器安装在操动机构的直线运动的连杆上旋转式光电编码器安装在断路器或操动机构的转动轴上旋转式光电编码器安装在断路器或操动机构的转动轴上通过传感器测量分合闸操作动触头的运动信号通过传感器测量分合闸操作动触头的运动信号根据测得得行程曲线可以计算动触头分（合闸）操作的运动时根据测得得行程曲线可以计算动触头分（合闸）操作的运动时间、动触头行程、动触头运动的平均速度等。间、动触头行程、动触头运动的平均速度等。2.断路器操动机构行程及速度的监测断路器操动机构行程及速度的监测断断路路器器合合闸闸操操作作过过程程特特性性曲曲线线断断路路器器分分闸闸操操作作过过程程特特性性曲曲线线3.断路器振动信号监测断路器振动信号监测机械振动信号是一个丰富的信息载体，包含机械振动信号是一个丰富的信息载体，包含有大量的设备状态信息，它由一系列瞬态波有大量的设备状态信息，它由一系列瞬态波形构成，每个瞬态波形都是断路器操作过程形构成，每个瞬态波形都是断路器操作过程内部内部“事件事件”的反映。的反映。断路器机械系统的运动，将导致振动信号的断路器机械系统的运动，将导致振动信号的变化。通过适当的检测手段和信号处理方法，变化。通过适当的检测手段和信号处理方法，可以识别振动的激励源，从而找出故障。可以识别振动的激励源，从而找出故障。高压断路器分合闸操作过程中，机构部件的运动和撞击都会引高压断路器分合闸操作过程中，机构部件的运动和撞击都会引起振动响应，所以监测外部振动信号，可以进行高压断路器机起振动响应，所以监测外部振动信号，可以进行高压断路器机械状态监测（局部放电也会产生振动信号）械状态监测（局部放电也会产生振动信号）振动幅值与冲击作用力大小成正比，振动频率及衰减时间常数振动幅值与冲击作用力大小成正比，振动频率及衰减时间常数与高压断路器机械结构有关与高压断路器机械结构有关选择合适的测试位置和传感器的安装方向非常重要选择合适的测试位置和传感器的安装方向非常重要时域分析法和频域分析法时域分析法和频域分析法3.高压断路器检测和诊断技术一一 状态检测技术状态检测技术电流检测技术电流检测技术直流式（开环式）直流式（开环式）磁平衡式（闭环式）磁平衡式（闭环式）主触头状态检测技术主触头状态检测技术（1）合分闸状态检测）合分闸状态检测采用计算机技术检测合分闸状态采用计算机技术检测合分闸状态抗干扰措施：抗干扰措施：1 对周围电磁场辐射，采用金属机箱对周围电磁场辐射，采用金属机箱 对主机进行屏蔽对主机进行屏蔽 2对母线感应的感应电压，采用光耦对母线感应的感应电压，采用光耦 隔离法隔离法 （2）动触头位移检测）动触头位移检测利用位移检测传感器检测动触头位移利用位移检测传感器检测动触头位移SF6气体微水含量检测技术气体微水含量检测技术SF6气体中的微量水分对高压断路器的影响较大。气体中的微量水分对高压断路器的影响较大。一旦大气中的水分浸入或与一旦大气中的水分浸入或与SF6气体直接接触的气体直接接触的固体介质表面受潮，则电气强度会显著下降。超固体介质表面受潮，则电气强度会显著下降。超高压、特高压断路器有很多都安装在室外，当气高压、特高压断路器有很多都安装在室外，当气温骤降时，温骤降时，SF6气体中过量的水分可能会凝结在气体中过量的水分可能会凝结在固体介质表面而发生闪络，严重时造成断路器发固体介质表面而发生闪络，严重时造成断路器发生爆炸事故。生爆炸事故。当气体中含有水分时，由于水分的存在而使当气体中含有水分时，由于水分的存在而使SF6分解物不能正常复合，而电弧分解物和分解物不能正常复合，而电弧分解物和SF6经过经过水解可产生腐蚀性很强的化学物质，危及维护人水解可产生腐蚀性很强的化学物质，危及维护人员的生命安全，对断路器的绝缘材料或金属材料员的生命安全，对断路器的绝缘材料或金属材料造成腐蚀，使绝缘劣化，甚至发生设备爆炸。造成腐蚀，使绝缘劣化，甚至发生设备爆炸。传统测量方法：便携式的微水测量仪传统测量方法：便携式的微水测量仪常用离线预防式检测方法：常用离线预防式检测方法：1、质量法质量法根据高酸镁吸收一定量气体中的水分后，由其增重来计算该根据高酸镁吸收一定量气体中的水分后，由其增重来计算该气体重的含水量。此方法是绝对法，用于校验、校准其他水气体重的含水量。此方法是绝对法，用于校验、校准其他水分测量仪器的精确度。分测量仪器的精确度。2、电解法电解法用涂了磷酸的一对电极放置在一个电解池内，在两电极间施加一用涂了磷酸的一对电极放置在一个电解池内，在两电极间施加一个恒定的直流电压。将被试气体导入电解池，气体中的水分即被个恒定的直流电压。将被试气体导入电解池，气体中的水分即被吸收并电解还原，释放出氧气和氢气。根据电解水分所需电量与吸收并电解还原，释放出氧气和氢气。根据电解水分所需电量与水分量之间的关系求出气体中的含水量。水分量之间的关系求出气体中的含水量。3、露点法、露点法被测气体通过一个密封池中的金属镜面，用人工控制或借助光电被测气体通过一个密封池中的金属镜面，用人工控制或借助光电池监控镜面湿度，以保持稳定的水分凝结量。当测试仪器的温度池监控镜面湿度，以保持稳定的水分凝结量。当测试仪器的温度略低于被试品气体中水蒸气饱和湿度时，水蒸气结露，通过热电略低于被试品气体中水蒸气饱和湿度时，水蒸气结露，通过热电偶测得的镜面温度即为露点。由露点和气体水分含量的换算公式偶测得的镜面温度即为露点。由露点和气体水分含量的换算公式或对照表，即可得到气体中的水分含量。或对照表，即可得到气体中的水分含量。采用高分子薄膜电容式湿度传感器可以实现采用高分子薄膜电容式湿度传感器可以实现SF6气体微气体微水含量的在线监测。水含量的在线监测。高分子薄膜电容式的感湿元件，主要由聚酰亚胺、聚高分子薄膜电容式的感湿元件，主要由聚酰亚胺、聚苯乙烯或醋酸纤维等高分子聚合物的感湿材料组成。苯乙烯或醋酸纤维等高分子聚合物的感湿材料组成。将这种感湿材料用作电容介质，能随周围环境的相对将这种感湿材料用作电容介质，能随周围环境的相对湿度的大小成比例地吸附和释放水分子，水分子被吸湿度的大小成比例地吸附和释放水分子，水分子被吸附后，由于材料的介电常数会大大提高，所以电容量附后，由于材料的介电常数会大大提高，所以电容量相应变化。相应变化。优点：长期使用稳定性好，灵敏度高，响应快，具有优点：长期使用稳定性好，灵敏度高，响应快，具有较好的可换性。较好的可换性。温度检测技术温度检测技术1.传感器测温（传统的测温方式）传感器测温（传统的测温方式）（1）接触式：直观、精度高；接触不良会增加误差。）接触式：直观、精度高；接触不良会增加误差。（2）非接触式：热惯性小，便于测量变化的温度。）非接触式：热惯性小，便于测量变化的温度。2.热敏电阻或热电偶测温：无法实现无源测量，抗干扰力弱。热敏电阻或热电偶测温：无法实现无源测量，抗干扰力弱。3.光纤测温：会影响既有设备的绝缘性能。光纤测温：会影响既有设备的绝缘性能。4.红外线成像测温：准确度较低，成本较高红外线成像测温：准确度较低，成本较高5.声表面波测温：能够真正实现无线无源，且精度高、可分声表面波测温：能够真正实现无线无源，且精度高、可分布式布置、成本低，有微秒级延迟而抗干扰能力强，因而成布式布置、成本低，有微秒级延迟而抗干扰能力强，因而成为新一代高压断路器及其他高压电器连接处的温度检测的理为新一代高压断路器及其他高压电器连接处的温度检测的理想方法。想方法。局部放电检测技术局部放电检测技术局部放电现象，是指高压电力设备的绝缘在足够强的电场局部放电现象，是指高压电力设备的绝缘在足够强的电场作用下在局部范围内发生的放电。这种放电以仅造成到体作用下在局部范围内发生的放电。这种放电以仅造成到体检的绝缘局部短路而不形成导电通道为限。检的绝缘局部短路而不形成导电通道为限。局部放电虽然只是局部绝缘发生击穿，但每次放电对绝缘局部放电虽然只是局部绝缘发生击穿，但每次放电对绝缘性能都会有轻微损伤，原因有：性能都会有轻微损伤，原因有：绝缘介质因为局部温度绝缘介质因为局部温度上升，氧化加速，使介质的电气性能和机械性能下降；上升，氧化加速，使介质的电气性能和机械性能下降；带电粒子撞击介质，切断分子结构；带电粒子撞击介质，切断分子结构；放电作用下产生的放电作用下产生的活性气体与介质发生化学反应，使介质性能变坏。活性气体与介质发生化学反应，使介质性能变坏。局部放电检测的一般方法局部放电检测的一般方法1.电检测法电检测法基于两个原理：基于两个原理：1 电荷移动引起电压变化；电荷移动引起电压变化；2 麦克斯韦电磁理论麦克斯韦电磁理论主要有脉冲电流法、射频检测法、介质损耗分析法和主要有脉冲电流法、射频检测法、介质损耗分析法和超高频检测法等。超高频检测法等。2.非电量检测法非电量检测法发生局部放电时，常伴有声、光、热现象的发生。根发生局部放电时，常伴有声、光、热现象的发生。根据这一现象，相应出现了声测法、光测法和化学检测据这一现象，相应出现了声测法、光测法和化学检测法等非电量检测方法。法等非电量检测方法。与电检测法相比，非电量检测方法具有抗电磁干扰能与电检测法相比，非电量检测方法具有抗电磁干扰能力强，与试样电容无关等优点。力强，与试样电容无关等优点。二二 故障诊断技术故障诊断技术故障诊断是对设备运行状态和异常情况作出判断，并根据诊故障诊断是对设备运行状态和异常情况作出判断，并根据诊断结果为设备状态检修提供依据。断结果为设备状态检修提供依据。故障诊断的主要任务有：故障检测、故障类型判断、故障定故障诊断的主要任务有：故障检测、故障类型判断、故障定位及故障恢复等。位及故障恢复等。故障诊断的发展过程可分为如下两个阶段：故障诊断的发展过程可分为如下两个阶段：第一阶段：常规诊断技术。建立在传感技术和自动测试技术第一阶段：常规诊断技术。建立在传感技术和自动测试技术的基础上，以数据处理为核心，侧重信号的检测和分析。的基础上，以数据处理为核心，侧重信号的检测和分析。第二阶段：智能诊断技术。以知识处理为核心，运用人工智第二阶段：智能诊断技术。以知识处理为核心，运用人工智能技术实现诊断过程的自动化和智能化。能技术实现诊断过程的自动化和智能化。专家诊断系统专家诊断系统专家系统是一个智能计算机程序系统，它利用知识和推理过专家系统是一个智能计算机程序系统，它利用知识和推理过程来解决那些需要大量人类专家知识才能解决的复杂系统。程来解决那些需要大量人类专家知识才能解决的复杂系统。人工神经网络诊断技术人工神经网络诊断技术人工神经网络是在神经生理学研究的基础上，模仿人脑神人工神经网络是在神经生理学研究的基础上，模仿人脑神经元结构特性而建立的一种网络系统，是由大量处理单元经元结构特性而建立的一种网络系统，是由大量处理单元互联组成的非线性、自适应信息处理系统。互联组成的非线性、自适应信息处理系统。基于信息融合的智能故障诊断技术基于信息融合的智能故障诊断技术智能故障诊断是人工智能技术在计算机故障诊断领域中的应用，智能故障诊断是人工智能技术在计算机故障诊断领域中的应用，其本质特点是模拟人脑的技能，有效地获取、传递、处理和利其本质特点是模拟人脑的技能，有效地获取、传递、处理和利用故障信息，并综合利用传统诊断方法和各种人工智能方法。用故障信息，并综合利用传统诊断方法和各种人工智能方法。4.GIS绝缘故障的监测与诊断GIS的内部故障以绝缘故障的比例为多，且后果严重。的内部故障以绝缘故障的比例为多，且后果严重。GIS绝缘故障产生的原因可能有以下几种绝缘故障产生的原因可能有以下几种1、固体绝缘材料如环氧树脂的浇铸件内部缺陷损伤造成、固体绝缘材料如环氧树脂的浇铸件内部缺陷损伤造成2、由于制造工艺不良、触头烧损等引起的放电、由于制造工艺不良、触头烧损等引起的放电3、高压导体表面的突出物引发的电晕放电、高压导体表面的突出物引发的电晕放电4、触头接触不良、金属屏蔽罩固定处接触不良造成浮电位而、触头接触不良、金属屏蔽罩固定处接触不良造成浮电位而引发重复的火花放电引发重复的火花放电故障诊断故障诊断1.阈值诊断：将监测到的局部放电加速度信号或电信号幅度与历阈值诊断：将监测到的局部放电加速度信号或电信号幅度与历史数据或同类设备比较，以判断是否发生故障。史数据或同类设备比较，以判断是否发生故障。2.时域波形诊断：根据局部放电信号出现时的工频相位来诊断放时域波形诊断：根据局部放电信号出现时的工频相位来诊断放电的类型。电的类型。3.频率特性诊断：将不同故障时的振动频谱分布与测得的加速度频率特性诊断：将不同故障时的振动频谱分布与测得的加速度波的频谱比较。波的频谱比较。4.指纹诊断：根据振动的幅值、时间、频率的三维谱图进行诊断。指纹诊断：根据振动的幅值、时间、频率的三维谱图进行诊断。5.故障定位：利用传感器输出信号的幅度、时间进行故障定位。故障定位：利用传感器输出信号的幅度、时间进行故障定位。5.SF6气体泄漏的监测SF6气体特性检测的重要内容是气体泄漏的检测。气体特性检测的重要内容是气体泄漏的检测。SF6虽是无毒、惰性、虽是无毒、惰性、不可燃的气体，但其泄漏会引起环境的污染，所以一般不可燃的气体，但其泄漏会引起环境的污染，所以一般GIS内都装有内都装有通风设备。通风设备。规定规定SF6气体绝缘设备的气体年泄漏量一般不得大于气体绝缘设备的气体年泄漏量一般不得大于1。国际大电网。国际大电网会议还建议今后设计标准是每年小于会议还建议今后设计标准是每年小于0.1%，并对泄漏超过，并对泄漏超过0.5%的的设备进行检查。设备进行检查。GIS室内部室内部SF6浓度不能太高，否则会使进入工作人员缺氧窒息而死。浓度不能太高，否则会使进入工作人员缺氧窒息而死。例如：加拿大曾在例如：加拿大曾在750平方米的密闭房间中进行了平方米的密闭房间中进行了SF6气体绝缘母线气体绝缘母线铝外壳的电弧烧穿试验，烧穿后固态分解物粉尘浓度在铝外壳的电弧烧穿试验，烧穿后固态分解物粉尘浓度在5分钟之后为分钟之后为每立方米每立方米10毫克，这时空气中含氧量不能满足安全要求。毫克，这时空气中含氧量不能满足安全要求。气体泄漏的监测气体泄漏的监测1.根据压力减小来监测：用精密压力表测量气体压力，隔数天根据压力减小来监测：用精密压力表测量气体压力，隔数天或者数十天进行复测，灵敏度较低。或者数十天进行复测，灵敏度较低。2.肥皂水检漏：将发泡液涂在被检测部位，如果起泡即表明该肥皂水检漏：将发泡液涂在被检测部位，如果起泡即表明该处漏气，起泡越多，漏气严重。能发现漏气率为处漏气，起泡越多，漏气严重。能发现漏气率为0.1ml/min的漏气部位。的漏气部位。能较准确的发现泄漏点，成本低；但速度慢，不能较准确的发现泄漏点，成本低；但速度慢，不宜带电检测，且灵敏度不够高。宜带电检测，且灵敏度不够高。3.体外和非接触检测：可采用红外线照射待测目标。气体若泄体外和非接触检测：可采用红外线照射待测目标。气体若泄漏会在目标附近形成气体云，会吸收红外线从而在图像上形成漏会在目标附近形成气体云，会吸收红外线从而在图像上形成暗区。检测较精确，灵敏度较好。暗区。检测较精确，灵敏度较好。