gis設(shè)備內(nèi)部絕緣檢測與故障評估

gis設(shè)備內(nèi)部絕緣檢測與故障評估

0fpsd檢測sf6氣體分解產(chǎn)物的特點由于氣體泄漏壓閉設(shè)備（gis）的占領(lǐng)面積小、可靠性高，在電氣系統(tǒng)中得到了廣泛應用。由于GIS全部元件都封閉在金屬殼中,其早期故障較常規(guī)變電站更難發(fā)現(xiàn),故障造成的損失也更大,對GIS設(shè)備內(nèi)部狀態(tài)進行監(jiān)測,避免事故的發(fā)生一直是國內(nèi)外科研機構(gòu)研究的熱點。相關(guān)試驗和運行經(jīng)驗表明,通過檢測GIS設(shè)備中SF6氣體分解產(chǎn)物對設(shè)備內(nèi)部絕緣進行故障診斷和狀態(tài)評估,具有抗干擾能力強、靈敏度高等特點,被廣泛用于設(shè)備現(xiàn)場檢測分析。SF6氣體化學性質(zhì)極其穩(wěn)定,是一種不燃、無臭、無毒的惰性氣體,密度約為空氣的5倍,其分解溫度約為500℃以上,水分存在時,能加速其分解。在放電作用下,SF6分解形成低氟化物和游離氟,若是純凈的SF6氣體,上述分解產(chǎn)物將隨著溫度降低而快速復合,還原為SF6氣體。在實際的GIS設(shè)備中,SF6氣體含有微量的空氣、水分和礦物油等雜質(zhì),這些雜質(zhì)參與反應生成穩(wěn)定的分解物,如SO2、SOF2、H2S、HF等。因此,通過檢測SF6氣體分解產(chǎn)物體積分數(shù)對于發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛伏性故障和故障定位有很大幫助。通過大量模擬設(shè)備故障的試驗和對運行設(shè)備氣體成分的檢測分析,得到如下結(jié)論:(1)對發(fā)生故障或存在缺陷的GIS設(shè)備,SO2和SOF2是其主要特征組分,SOF2易水解生成SO2;(2)設(shè)備故障或缺陷涉及固體絕緣時,CF4會明顯增加且常伴有H2S產(chǎn)生。1氣體sp6分解產(chǎn)物的檢測和應用1.1檢測方法分類目前,GIS設(shè)備中SF6氣體分解產(chǎn)物檢測方法主要有氣相色譜法、色譜—質(zhì)譜聯(lián)用法、紅外吸收光譜法、檢測管法、電化學傳感器法等。這些方法的測量原理各異,適用于不同場合、檢測分解產(chǎn)物的不同組分。筆者對幾種檢測方法的原理、技術(shù)特點及適用條件進行介紹。1.1.1氣體雜質(zhì)檢測氣相色譜是以惰性氣體(載氣)為流動相,以固體吸附劑或涂漬有固定液的固體載體為固定相的柱色譜分離技術(shù),配合熱導檢測器(TCD)、火焰光度檢測器(FPD)、電子捕獲檢測器(ECD)和氫火焰離子化檢測器(FID)等,可對氣體樣品中的硫化物、含鹵素化合物和電負性化合物等物質(zhì)靈敏響應,其檢測精度較高,主要用于實驗室測試分析。氣相色譜儀在實驗室分析SF6氣體雜質(zhì)得到的典型色譜圖見圖1。色譜—質(zhì)譜聯(lián)用和色譜—紅外聯(lián)用可實現(xiàn)對未知物質(zhì)的定性。根據(jù)IEC60480—2004中對SF6氣體現(xiàn)場分析方法的規(guī)定,可采用配有熱導檢測器(TCD)的氣相色譜儀檢測SF6氣體中的SO2、SOF2、空氣和CF4等雜質(zhì)成分。目前,便攜式氣相色譜儀可實現(xiàn)SF6電氣設(shè)備內(nèi)空氣、CF4、CO2等組分的現(xiàn)場測量,但因色譜進樣的檢測時間過長、色譜柱分離效果受環(huán)境條件等因素影響較大,使得檢測結(jié)果難以滿足要求,可見氣相色譜法不適合用于開關(guān)設(shè)備內(nèi)SF6氣體分解產(chǎn)物的現(xiàn)場檢測或在線監(jiān)測。1.1.2紅外光譜分析技術(shù)紅外吸收光譜法是利用一束紅外光穿過樣品氣體時,由于樣品氣體對紅外光的吸收,紅外光的吸收量與該氣體體積分數(shù)之間呈線性關(guān)系。透過的光與發(fā)射的光的比值對波長的函數(shù)就構(gòu)成了樣品物質(zhì)的紅外吸收光譜。特定氣體的紅外吸收光譜將在該氣體的吸收波長處表現(xiàn)出尖峰。紅外光譜的特征性和化學鍵的振動是密切相關(guān)的。凡是能用于鑒定原子基團存在并有較高強度的吸收峰,稱之為特征峰,對應的頻率稱之為特征頻率,該基團其他的振動形式的吸收峰,習慣上把這些相互依存而又相互可以佐證的吸收峰稱之為相關(guān)峰。由于在中紅外光譜范圍內(nèi),幾乎自然界的所有氣體都有吸收效應(包括SF6及其分解產(chǎn)物),故采用紅外寬譜光源的吸收光譜技術(shù)可有效的測量SF6組分混和氣體的體積分數(shù)。紅外吸收光譜法存在的問題是:SF6及其部分分解氣體的吸收峰十分接近,有交叉干擾現(xiàn)象,必須使用標準氣體得到參考圖譜對分析結(jié)果進行校正,而有些標氣如SOF4非常不穩(wěn)定;紅外光源強度低,檢測器靈敏度低,造成其定量精度不如紫外—可見光譜等方法。其主要優(yōu)點是無需氣體分離、需要樣氣少、可在分解氣體組分定性的同時完成定量、檢測時間短,可形成在線監(jiān)測系統(tǒng)。1.1.3氣體檢測管的基本原理檢測管是以化學顯色反應(如酸堿反應、氧化還原反應、絡(luò)合反應等)為基礎(chǔ)的化學方法,用于檢測SF6氣體分解產(chǎn)物中SO2、HF、H2S、CO2和礦物油等雜質(zhì)的體積分數(shù)。氣體檢測管的測量原理是應用化學反應與物理吸附效應的干式微量氣體分析法,即“化學氣體色層分離(析)法”。氣體檢測管是裝有檢測劑的帶刻度玻璃管,檢測劑是將某些能與待測物質(zhì)發(fā)生化學反應并可改變顏色的化學試劑吸附在固體載體顆粒表面上加工而得,如H2S氣體檢測管的反應原理為式(1)中:Pb(AC)2為白色試劑;PbS為棕褐色沉淀。H2S氣體檢測管(量程為10μL/L)的示意圖見圖2,當含有H2S的被測氣體通過檢測管時,與吸附在載體上的Pb(AC)2反應產(chǎn)生棕褐色染色段,染色段長度與H2S氣體體積分數(shù)成正比,從而確定被測氣體中的H2S體積分數(shù)。不同氣體檢測管的檢測劑成分不同,但化學分析原理基本相同。現(xiàn)場檢測時,氣體檢測管可直接利用設(shè)備的壓力進樣,其與設(shè)備直接相連,在預先設(shè)定的時間內(nèi)以標定的流速流過檢測管,根據(jù)管內(nèi)顏色變化的長度對應的校準刻度,可得到所測氣體的濃度。由于檢測管的量程范圍大,操作簡便、分析快速,適應性較好,又具有攜帶方便、不需維護等特點,在電氣設(shè)備SF6氣體分解產(chǎn)物的現(xiàn)場檢測中應用較廣,但氣體檢測管的檢測精度較低,且不同氣體之間的化學反應易發(fā)生干擾現(xiàn)象。1.1.4傳感電極氧化電化學傳感器技術(shù)是利用被測氣體在高溫催化劑作用下發(fā)生化學反應,從而改變傳感器輸出電信號的原理,確定被測氣體成分及其體積分數(shù)。典型的電化學傳感器由傳感電極(工作電極)和反電極組成,并由一個薄電解層隔開。氣體先通過微小的毛管型開孔與傳感器發(fā)生反應,經(jīng)過憎水屏障,到達傳感電極表面。此方法允許適量氣體與傳感電極發(fā)生反應,以產(chǎn)生足夠的電信號輸出,同時防止電解質(zhì)漏出傳感器。傳感電極采用氧化或還原機理,針對被測氣體而設(shè)計的電極材料可催化氣體與電極反應。在連接兩電極間的電阻上流過與被測氣體體積分數(shù)成正比的電流,測量該電流或相應的電壓信號即可確定氣體體積分數(shù)。采用電化學傳感器法的檢測儀器具有檢測速度快、效率高、數(shù)據(jù)處理簡單、易實現(xiàn)現(xiàn)場帶電檢測等優(yōu)勢,但也存在組分間的交叉干擾問題、儀器的零漂及溫漂問題、傳感器壽命短等問題。實際應用中應定期對檢測儀器進行校準。1.2設(shè)備內(nèi)分解產(chǎn)物的檢測1)運行設(shè)備的檢測。正常運行的SF6氣體絕緣電氣設(shè)備非開斷氣室一般沒有分解產(chǎn)物,即使在有電弧的斷路器室,也因其分合速度快、良好的滅弧功能、SF6氣體的高復合性(復合率達99.8%以上)以及內(nèi)部裝有吸附劑,不會有明顯的分解產(chǎn)物。而存在缺陷的SF6電氣設(shè)備,則會因較強的局部放電及設(shè)備異常發(fā)熱產(chǎn)生大量分解物,分解物的產(chǎn)生速率和吸附劑的吸附速率達到一定程度的平衡,從而設(shè)備內(nèi)部的SF6分解產(chǎn)物濃度相對穩(wěn)定或隨著設(shè)備缺陷的惡化而增加。因此,通過檢測運行SF6氣體絕緣電氣設(shè)備內(nèi)分解產(chǎn)物可有效發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的缺陷。2)故障設(shè)備檢測。對于突發(fā)性設(shè)備故障,其放電能量較大,故障氣室的SF6氣體分解產(chǎn)物濃度達到幾百甚至幾千μL/L,可利用檢測管在現(xiàn)場對故障氣室進行定位。對故障氣室的氣體取樣,進行實驗室進一步分析,對GIS設(shè)備故障產(chǎn)生的分解產(chǎn)物進行準確定性和定量分析可以為判斷故障類型提供參考,同時為深入研究GIS設(shè)備故障類型與特征組分之間的對應關(guān)系提供分析數(shù)據(jù)。3)耐壓試驗后設(shè)備檢測。在GIS設(shè)備耐壓試驗過程中,可采用SF6氣體分解產(chǎn)物檢測作為擊穿放電定位技術(shù),該方法還可用于檢測GIS設(shè)備耐壓試驗過程中的局放。GIS設(shè)備耐壓試驗的交流電壓源多采用串聯(lián)諧振裝置,設(shè)備擊穿時,由于電路失去諧振條件,電源輸出電流自動減小,試品兩端的電壓驟然下降,擊穿放電能量較小,放電產(chǎn)生的SF6氣體分解產(chǎn)物量級不大,同時,由于部分GIS設(shè)備氣室容積較大且裝有吸附劑對SF6分解產(chǎn)物有很強的吸附作用,因此SF6分解產(chǎn)物濃度很小,對檢測儀器的檢測靈敏度要求較高。2接地開關(guān)氣室繼承1)故障設(shè)備檢測。某換流站500kVGIS5211斷路器C相跳閘,為確定故障情況,對相關(guān)氣室的SF6氣體放電分解產(chǎn)物進行了檢查,發(fā)現(xiàn)521167接地開關(guān)C相氣室內(nèi)部SF6氣體分解物體積分數(shù)很高(SO2體積分數(shù)大于300μL/L),其余氣室未見異常。結(jié)合故障錄波情況,初步認定521167C相接地開關(guān)氣室發(fā)生了嚴重的電弧放電故障。對該氣室的解體照片見圖3。接地開關(guān)動觸頭燒蝕嚴重,并有大量固體粉末產(chǎn)生。2)耐壓試驗后設(shè)備檢測。為了判斷GIS設(shè)備耐壓試驗時的狀況,某變電站對500kVGIS設(shè)備工頻耐壓試驗后進行了SF6氣體分解物檢測。檢測過程中發(fā)現(xiàn),51431A相隔離刀閘氣室和51132A相CT氣室存在SF6分解產(chǎn)物,具體檢測結(jié)果見表1、2,同期檢測的其他氣室均未檢出SF6分解產(chǎn)物。通過對上述2個氣室的解體,發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部有明顯的沿面放電痕跡,驗證了對放電定位的準確性,解體的故障氣室見圖4、5。對于SF6氣體分解物特征組分及體積分數(shù)與GIS設(shè)備內(nèi)部不同類型故障之間的對應關(guān)系還需要大量的模擬試驗和運行設(shè)備檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析進一步確定。3異常放電的定位應用SF6氣體分解物檢測技術(shù)對某換流站故障后的GIS設(shè)備進行了準確的故障定位,對某變電站500kVGIS設(shè)備工頻耐壓試驗后的狀態(tà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