化學磨損嵌入物和電氣觸頭磨損的在線監(jiān)測

1、Weidmann 9/08化學磨損嵌入物和電氣觸頭磨損的在線監(jiān)測 Nick Dominelli, Ed Hall, Ian Wyle, Dave Casson, Powertech 實驗室公司.Bruce Nichols, Nichols Applied Technology, LLCLuke van der Zel, EPRI前言經(jīng)BC Hydro和西北電力局的beta試驗表明，用鋰金屬作為嵌入材料來檢測磨損是非常可靠的。本文旨在研究采用嵌入液體化學跟蹤材料的相關內(nèi)容。 在非油環(huán)境中(如空氣，SF6或真空，包括真空泡)，鋰金屬是最可行的。因可見的電弧被油熄滅，且監(jiān)測儀的光學器必須放在接近電弧

2、觸頭的地方(如圖1和圖2 )，所以對含油環(huán)境是不可取的，但對除油以外的如下其他環(huán)境是可行的。 光纖傳感器 Fiber Optic Sensor. 圖 1圖2此外還可以考慮利用納米晶(尺寸為納米級的人造半導體晶體)來研究磨損指標。之所以提出這個評價指標是因為納米晶在水溶液中具有很強的檢測敏感性。 他們在洋流中的應用就是一個例子，這種環(huán)境中，他們能夠檢測到萬億分之一的粒子。但是，這不適用于油環(huán)境中，特別是電器設備中的惡劣條件。由于在油中受乙炔和酸的破壞，他們的可見電弧被油熄滅，他們的費用昂貴，且在被破壞后，需要新技術來監(jiān)測并去油?；谶@些發(fā)現(xiàn)后，有關納米晶的研究就沒有繼續(xù)，直到這個行業(yè)成熟到這些問

3、題都解決了或減輕了。 摘要之前，我們提出過避免LTC因觸頭過分磨損而引起故障的方法。這需要離線和在線技術來檢測或監(jiān)測觸頭磨損。有一種方法是利用嵌入液體化學跟蹤材料來檢測或監(jiān)測觸頭磨損。這也需要在觸頭銅鎢合金處挖一個凹槽，槽的深度與磨損的極限(即需要更換觸頭的極限點)相對應。觸頭磨損到凹槽的位置，包含破壞觸頭的化學材料，和排放到油中的化學物，此時采用DGA的方法來檢測。本文基于此，提出一種新的方法，并討論了一種新的檢測發(fā)熱，碳化和觸頭磨損的在線監(jiān)測儀，由EPRI 和POWERTECH 實驗室研究。 因正常運行過程中產(chǎn)生的電弧和侵蝕會使電氣零部件達到某個極限，因而產(chǎn)生設備故障。過去，這種故障模式被

4、認為是不可能的，因為維護的間隔時間要么根據(jù)操作次數(shù)，要么根據(jù)運行時間來確定。 隨著先進的診斷工具和技術應用，這種情況已經(jīng)改變很多年了。其他的考慮還有持續(xù)使用濾油裝置，設計新的轉(zhuǎn)換開關，有更大的額定電流和更高的可靠性。因此，在很多情況下，維護的間隔時間多少與操作次數(shù)和運行時間關系很小或者根本沒有關系 。某些情況下，觸頭磨損影響設備故障并沒有被認為是一個很重要的因素，因為很多LTC開關碰到的問題是在更換弧觸頭之前本身就需要很多的維護。這種情況下，有很多的機會可以查看觸頭的磨損程度，確定是否更換。但是，這種情況需要的維護頻率比較高。理想的情況是在正好需要更換弧觸頭時做維護，這就需要更改設計，提高開關

5、的運行可靠性，還要找到一種方法來檢測觸頭磨損到需要更換的程度。ABB TRES 近期宣布了一種為現(xiàn)有LTC設計的新系列轉(zhuǎn)換開關，具有更大的電流和最小的發(fā)熱和碳化。 結(jié)合持續(xù)的油過濾和較短的DGA間隔時間，這將為LTC的維護帶來很大變化。還可以在更大程度上延長維護的間隔時間, 觸頭磨損將成為計劃維護時間的一個重要考慮。這進一步強調(diào)了觸頭磨損的監(jiān)測能力的重要性。簡介近年來，LTC是大量診斷研究的對象 1, 2. 據(jù)估計約有三分之一的變壓器斷電均來自LTC的故障。 不同大小的變壓器，由于斷電會引起巨大的費用和損失。 通常LTC的故障包括以下：機械故障，觸頭電阻加大，局部熱應力，絕緣油碳化,觸頭磨損，

6、不當?shù)脑O計或高負荷。如果可以監(jiān)測到觸頭磨損的程度，則可以避免因過度的觸頭磨損而引起故障。而且用戶還可以更精確地控制維護活動或取消更換零件庫存。本研究的目的是找到更好的嵌入材料用來跟蹤，并研究離線或在線監(jiān)測的技術。 診斷方法如 DGA和粒子分析法均被證明對識別熱、碳化和異常運行情況等非常有用。不過這些方法不能判斷觸頭磨損是否達到極限點，因此磨損將會繼續(xù)。此外，典型的抽樣間隔時間(12 months) 也顯示出單單采用油分析法是不能監(jiān)測到什么時候觸頭磨損到極限。 這些方法的成功之處在于將維護的間隔時間延長到觸頭磨損已經(jīng)成為一個主要的顧慮。在線濾油技術持續(xù)提高油的質(zhì)量，在某種程度上減少識別磨損標記的

7、能力。直到現(xiàn)在，這并沒有被當做很重要的問題，因為大部分電力公司仍然使用操作時間和次數(shù)來確定維護時間。到目前位置，最好的解決方法是提供一種特定的推進/不推進系統(tǒng)來識別觸頭磨損是否達到某個特定的極限點。原理和方法 別的文獻中對原理都做了詳細的描述4,6,7. 簡而言之，就是在磨損的極限位置處嵌入一種跟蹤材料，在此處可以更換觸頭。 在觸頭正常切換中，電弧和機械運動都會帶來觸頭的磨損，并最終 破壞凹槽，凹槽中含化學物。凹槽的破壞會使低速跟蹤材料滲入到油中，由此通過DGA方法或如下提到的新在線監(jiān)測儀可以檢測到。 現(xiàn)有的方法包括使用一個帶小直徑管的外置槽(圖3)，管會碰到觸頭。這會減少觸頭銅鎢合金材料的損

8、失，并保證原先的機械和電氣性能。 圖3全氟碳化合物跟蹤技術(PET)PFT 技術是所有非輻射跟蹤技術中最靈敏的，可測量萬億分之一的濃度 。自從1980年代，PFTs 已被廣泛應用于研究空氣運動和泄露監(jiān)測。Brookhaven 國家實驗室利PFTs 來研究大氣運動和局部，區(qū)域和國家范圍內(nèi)的分散。PFC 的靈敏度是獨一無二的，并被用來測試和監(jiān)測核中的污物和危險廢物儲存設施 5; Con Edison和英國國家電網(wǎng)利用它來判斷地下線漏電的位置3. PFC 氣體是凹槽中跟蹤化學材料分解后產(chǎn)生的氣體?；瘜W物具有高蒸汽壓，因此易揮發(fā)。 它被認為是最好的跟蹤材料。因為利用DGA方法中很大一部分可監(jiān)測的氣體會

9、留在油中至少12個月，而在線監(jiān)測儀部分可監(jiān)測的其他會蒸發(fā)到LTC油室的頭部，在那里也可以檢測到。觸頭和化學槽設計 觸頭拉弧部分(銅鎢合金)的設計中很關鍵的一點是包含化學跟蹤材料的凹槽。主要是考慮要移除多少銅鎢合金材料以生成內(nèi)部凹槽的幾何形狀。需要多少量的化學跟蹤材料來確?？煽康谋O(jiān)測取決于LTC或斷路器的油量。比如，有些LTC開關有1200 加侖油，需要的凹槽大小為 1/3 cu. 因此，很明顯最好的方法就是采用外置凹槽，然后加一根小直徑的管作為導體 (如圖3).液體化學跟蹤材料放在外置的凹槽中，帶一根不銹鋼管，管延伸到觸頭，延伸的深度要達到可預見的可能磨損極限點。這種方法的好處是跟蹤材料最大程

10、度地減少觸頭的質(zhì)量。這可以保證結(jié)構(gòu)完整性和載流能力。根據(jù)每個觸頭的幾何形狀和磨損特點可以分別設計不同的凹槽。根據(jù)觸頭構(gòu)造和電弧特性可以考慮是否增加電弧遮蔽功能。圖4和 5 是兩種不同的設計，F(xiàn)PE TC525和 McGraw Edison 550B LTC開關的弧觸頭。 圖 4FPE TC525 圖 5 McGraw Edison 550BBETA試驗所有地區(qū)的樣品 beta試驗中，通過DGA和實驗室分析方法得到的結(jié)果證明當被排到油中，PFC 可以很容易被檢測到。最小的檢測量為400 ppb。實際上，化學材料(六氟苯)碰到的唯一問題是污物 ，這是因其低速導致的?；诖?，加上要在內(nèi)部設凹槽需要減

11、少質(zhì)量, 所以采用外置不銹鋼凹槽是比較合理的。 使用激光和微TIG 焊接技術來加工凹槽，在嵌入前，需要做Helium 試漏試驗。 在線監(jiān)測監(jiān)測LTC開關的運行情況需要不定期的DGA分析，熱圖像分析和溫度分析。1990年代中期開始在線監(jiān)測，當時稱為基于運行情況的維護 (CBM). LTC的DGA方法還沒有達到變壓器診斷的程度，因為LTC中的油的化學成分遠比普通診斷來得復雜。DGA 通常是分析油中的乙炔和乙烯氣體濃度。來自變壓器油中的乙炔也是LTC的一個顧慮，一定的濃度是非常正常的。乙烯通常是油過熱的一個標志，對LTC開關來說就說明觸頭碳化。 LTC開關發(fā)生故障最先的一個信號之一是乙烯濃度的增加。

12、從化學的角度上看，通常是油過熱導致的。LTC開關故障中40%的目測現(xiàn)象都是由碳化引起的。過熱通常是由于觸頭碳化，使觸頭表面間的碳化物累積到一定程度使電阻變大。在這之前，通常乙炔的濃度會下降，這可能是因為碳化過程沉積物的形成需要消耗乙炔2，雖然不是所有情況下都會觀察到乙炔濃度下降，但這個現(xiàn)象在很多LTC開關觸頭碳化后都會出現(xiàn)。圖6 就是一個例子。乙烯濃度增加的前6個月，乙炔就開始慢慢消耗。所以在乙炔消耗時，通過氣體乙烯和乙炔的濃度比例 (C2H4/ C2H2),可以很容易就檢測到。油中的濃度(ppmv)LTC運行過程中，采用乙烯和乙炔的濃度比例作為指標是很常見的。這個比例增加了，說明比正常的電弧

13、模式(這種模式下，一般產(chǎn)生電弧氣體氫和乙炔)有更多的熱或碳化. 從電弧模式到熱模式的巨大變化是非常明顯的，通常馬上會進行內(nèi)部檢測，因為油抽樣頻繁，所以通常很快就被發(fā)現(xiàn)。采用特定的在線監(jiān)測技術，可以實現(xiàn)LTC故障情況的實時監(jiān)測。在線監(jiān)測在檢測這個比例變化上很有優(yōu)勢，更重要的是，可以更早發(fā)現(xiàn)比例的變化 。時間/日期圖 6乙炔消耗 在之前的一個 EPRI 項目中6, Powertech 實驗室公司設計和建立 一種LTC故障氣體分析儀并做試驗，旨在實現(xiàn)移動式的現(xiàn)場應用和在線使用。在油的上方檢測特定氣體的濃度可以觀察到其變化。為了有效診斷，在線監(jiān)測必須能夠獨立檢測關鍵的氣體，乙烯和乙炔，不受其他氣體和成

14、分的干擾。 這里我們討論一種二代LTC在線監(jiān)測儀。LTC頭部的乙炔和乙烯的氣體濃度由比率來定。此外，還研究了用來檢測特殊化學觸頭磨損指標的方法。氣體抽樣泵通過監(jiān)測儀來循環(huán)油上方的氣體，測量乙烯和乙炔的濃度，然后確定觸頭磨損指標。 試驗性研究發(fā)現(xiàn)，監(jiān)測儀對乙炔和乙烯的響應構(gòu)成一條校正的曲線，其受其他在LTC中產(chǎn)生的氣體干擾較小。下圖7為實際乙炔濃度(氣相色譜法)和用監(jiān)測儀獲得的乙炔濃度關聯(lián)樣條線。 虛線為二者最完美的關聯(lián)。修正后的乙炔監(jiān)測儀響應(計算的PPMV)乙炔濃度(ppmv)圖 7監(jiān)測儀對乙炔的響應校正曲線以下樣條線 (圖 8)為監(jiān)測儀對乙烯的響應。Figure 8Ethylene Det

15、ector Response Correlation化學觸頭磨損指標需要在遠比乙炔和乙烯低得多的濃度下監(jiān)測，由監(jiān)測儀優(yōu)化此參數(shù)。在理想的實驗室條件下，最初實驗測量到的濃度極限接近0.5 ppmv. 接下來的工作就是降低電子噪音，尋找另一種具有較少干擾度的化學觸頭磨損指標。圖9 所示為最初實驗中監(jiān)測儀對磨損指標的響應 圖9 LTC監(jiān)測儀對觸頭磨損指標的響應總結(jié)建立了LTC樣機的故障氣體和觸頭磨損監(jiān)測系統(tǒng)，正進行進一步的實驗室試驗以模擬故障條件。監(jiān)測儀的正面如圖10所示，顯示器上有日期，時間，溫度和氣體濃度，包括乙炔(氣體1)和 乙烯(氣體2)。乙烯和乙炔的比例 C2H4/ C2H2為熱指數(shù)。觸頭

16、磨損的指標為是或否。監(jiān)測儀包括一個內(nèi)部微處理器，且裝有閃存卡以記錄數(shù)據(jù)。通訊可以定制為包括LAN連接或單元調(diào)制調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)是密封的，能屏蔽電，能作為固定的在線監(jiān)測儀或手提檢測儀。 時間：時時/分分/秒秒下一次掃描時間-時時:分分/IP觸頭磨損指數(shù)-yes 或 No抽樣溫度- 日期：年年/月月/日日氣體1 濃度-ppmv氣體2濃度- ppmv熱指數(shù)LTC開關故障氣體和觸頭磨損監(jiān)測圖 10LTC樣機在線監(jiān)測 參考文獻1. G. Spence, A.C. Hall, “用戶經(jīng)驗和展望”, IEEE 歐洲研討會，OLTC現(xiàn)有經(jīng)驗和未來發(fā)展, Regensburg,德國， 1995年

17、11月 9日。2. M. Lau, W. Horn, and B. Ward, “LTC觸頭磨損檢測”, 輸配電世界3. Brookhaven 國家實驗室. "泄露監(jiān)測: Brookhaven, Con Edison, EPRI 研究地下線漏電的新方法." 每日科學， 1999年1月 22日4. Ward, B., "變壓器的LTC管理，診斷，觸頭彈簧和在線濾油", EPRI, Palo Alto CA: 2001. 10066545. John Heiser, Terry Sullivan, “Brookhaven 國家實驗室氟碳 跟蹤技術: 一種節(jié)約有效的方法來檢測墻，底板，帽子和罩子系統(tǒng) ” 用于核廢物儲存設施，美國能源部，2002年3月11日.6. Ward, B., "LTC開關氣體在線監(jiān)測技術", EPRI, Palo Alto CA: 2004. 10088117. N. Dominelli et al, “采用化學跟蹤材料來監(jiān)測 LTC開關和斷路器觸頭的磨損程度- 最新的”, EPRI 變電站設備診斷會議 XIII, 20058. N. Dominelli, E. Hall, B. Nichols, J. Pr