GIS和高壓斷路器的在線監(jiān)測與故障診斷課件

1、 GIS和高壓斷路器的在線監(jiān)測與故障診斷第1頁，共43頁。1.GIS概述2.高壓斷路器故障的監(jiān)測3.高壓斷路器檢測和診斷技術(shù)4.GIS絕緣故障的監(jiān)測與診斷5.SF6氣體泄漏的監(jiān)測第2頁，共43頁。1.GIS概述一、GIS1.什么是GIS？以SF6作絕緣介質(zhì)的氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備簡稱為GIS。該設(shè)備將斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、互感器、避雷器、母線、連接管和過渡元件（如電纜頭、空氣套管和油套管） 全封閉在一個(gè)接地的金屬外殼內(nèi)，殼內(nèi)充以SF6氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì)。 第3頁，共43頁。2、GIS優(yōu)越性尺寸比常規(guī)電氣設(shè)備小得多可以避免水霧對設(shè)備得影響從而提高設(shè)備運(yùn)行得可靠性SF6斷路器開斷性能好

2、，檢修周期長安裝方便，可以縮短建設(shè)周期第4頁，共43頁。3、劣勢所有設(shè)備被完全封閉，難以發(fā)現(xiàn)故障的早期癥狀各設(shè)備之間距離緊湊，易于互相影響，導(dǎo)致故障擴(kuò)大故障定位較難進(jìn)行，增加處理故障的困難度及時(shí)間第5頁，共43頁。二、GIS監(jiān)測的主要內(nèi)容高壓部位斷路器的動(dòng)作特性絕緣特性接地點(diǎn)接地故障引起振動(dòng)第6頁，共43頁。2.高壓斷路器故障的監(jiān)測電力系統(tǒng)中使用的額定電壓為3kV及以上的斷路器為高壓斷路器，是電力系統(tǒng)中最重要的控制設(shè)備和保護(hù)設(shè)備。高壓斷路器在電網(wǎng)中作用有二：1、控制作用根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行需要，用高壓斷路器把一部分電力設(shè)備或線路投入或退出運(yùn)行2、保護(hù)作用可以在電力線路或設(shè)備發(fā)生故障時(shí)將故障部分從電網(wǎng)快

3、速切除，保證電網(wǎng)中的無故障部分正常運(yùn)行第7頁，共43頁。高壓斷路器的基本結(jié)構(gòu)第8頁，共43頁。操動(dòng)機(jī)構(gòu)第9頁，共43頁。高壓斷路器的電氣性能指標(biāo) 額定電壓及最高工作電壓1.絕緣性能 絕緣強(qiáng)度及額定絕緣水平 額定開斷電流2.開斷性能 瞬態(tài)恢復(fù)電壓與工頻恢復(fù)電壓 開斷時(shí)間3.關(guān)合性能 額定關(guān)合電流第10頁，共43頁。 額定電流4.通流性能 額定短時(shí)耐受電流 （熱穩(wěn)定電流） 額定峰值耐受電流（動(dòng)穩(wěn)定電流） 小電流開斷性能斷路器的開斷和關(guān)合5. 其他條件下 近區(qū)故障開斷性能的開斷性能 失步開斷性能 異相接地開斷性能 發(fā)展性故障開斷性能第11頁，共43頁。機(jī)械性故障 7080%拒分、拒合和誤動(dòng)作 46%

4、變電所中對負(fù)荷的停、送電的操作，關(guān)鍵的設(shè)備是高壓斷路器 1、高壓斷路器無法正常合閘送電，此現(xiàn)象稱為高壓斷路器開關(guān)的拒合現(xiàn)象，此現(xiàn)象在事故現(xiàn)場中經(jīng)常出現(xiàn)。2、高壓斷路器無法正常分閘停電，此現(xiàn)象稱為高壓斷路器的拒分現(xiàn)象，在現(xiàn)場事故處理中，此現(xiàn)象較普遍存在。第12頁，共43頁。1、斷路器和操動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械特性的監(jiān)測合分閘線圈電流-根據(jù)電流波形掌握機(jī)械操作系統(tǒng)情況斷路器的行程監(jiān)測-得出操作時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測-根據(jù)機(jī)械振動(dòng)波形2、合分閘線圈回路通路監(jiān)測將合分閘線圈電路用高值電阻與電源連接，根據(jù)電路中的電流判斷線圈回路是否有斷路高壓斷路器的監(jiān)測內(nèi)容第13頁，共43頁。3、操動(dòng)機(jī)構(gòu)的儲(chǔ)壓系統(tǒng)包括壓力

5、監(jiān)測和電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)間間隔及轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間監(jiān)測4、滅弧室和滅弧觸頭電磨損監(jiān)測通過分?jǐn)嚯娏骼塾?jì)值或加權(quán)分段累計(jì)間接估計(jì)電磨損程度5、絕緣監(jiān)測局部放電的監(jiān)測6、斷路器主觸頭及導(dǎo)電部分檢測包括殼體溫升的監(jiān)測和殼體振動(dòng)的監(jiān)測第14頁，共43頁。暫時(shí)性狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)即斷路器暫時(shí)退出運(yùn)行處于離線狀態(tài)，但不需將斷路器解體，運(yùn)用體外檢測技術(shù)來診斷其內(nèi)部狀態(tài)1、分合過程中殼體或外殼機(jī)械振動(dòng)的檢測2、動(dòng)態(tài)回路電阻的檢測，從而監(jiān)測觸頭磨損情況3、液壓機(jī)構(gòu)低速驅(qū)動(dòng)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力的監(jiān)測第15頁，共43頁。機(jī)械故障的檢測和診斷1.斷路器合閘、分閘線圈電流監(jiān)測分合閘線圈電流是表征斷路器操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作性能的關(guān)鍵特征，電流波形中蘊(yùn)含豐富的信息

6、 。斷路器操作的第一級(jí)控制元件為電磁鐵第16頁，共43頁。鐵心線圈銜鐵第17頁，共43頁。第18頁，共43頁?？偨Y(jié)：分析i的波形和不同時(shí)刻及對應(yīng)的電流等特征值可以計(jì)算出鐵心啟動(dòng)時(shí)間、鐵心運(yùn)動(dòng)時(shí)間、線圈通電時(shí)間等參數(shù)，得出操動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)從而預(yù)告故障的前兆I1 、I2 、I3電流值反映電源電壓、線圈電阻及電磁鐵鐵心運(yùn)動(dòng)的速度信息。電流有兩個(gè)峰值和一個(gè)谷值點(diǎn)。第19頁，共43頁。操動(dòng)機(jī)構(gòu)直線式行程傳感器安裝在操動(dòng)機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動(dòng)的連桿上旋轉(zhuǎn)式光電編碼器安裝在斷路器或操動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上通過傳感器測量分合閘操作動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)信號(hào)根據(jù)測得得行程曲線可以計(jì)算動(dòng)觸頭分（合閘）操作的運(yùn)動(dòng)時(shí)間、動(dòng)觸頭行程、動(dòng)觸頭

7、運(yùn)動(dòng)的平均速度等。2.斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)行程及速度的監(jiān)測第20頁，共43頁。第21頁，共43頁。斷路器合閘操作過程特性曲線第22頁，共43頁。斷路器分閘操作過程特性曲線第23頁，共43頁。3.斷路器振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測機(jī)械振動(dòng)信號(hào)是一個(gè)豐富的信息載體，包含有大量的設(shè)備狀態(tài)信息，它由一系列瞬態(tài)波形構(gòu)成，每個(gè)瞬態(tài)波形都是斷路器操作過程內(nèi)部“事件”的反映。斷路器機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，將導(dǎo)致振動(dòng)信號(hào)的變化。通過適當(dāng)?shù)臋z測手段和信號(hào)處理方法，可以識(shí)別振動(dòng)的激勵(lì)源，從而找出故障。第24頁，共43頁。高壓斷路器分合閘操作過程中，機(jī)構(gòu)部件的運(yùn)動(dòng)和撞擊都會(huì)引起振動(dòng)響應(yīng)，所以監(jiān)測外部振動(dòng)信號(hào)，可以進(jìn)行高壓斷路器機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測（局部放

8、電也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)）振動(dòng)幅值與沖擊作用力大小成正比，振動(dòng)頻率及衰減時(shí)間常數(shù)與高壓斷路器機(jī)械結(jié)構(gòu)有關(guān)選擇合適的測試位置和傳感器的安裝方向非常重要時(shí)域分析法和頻域分析法第25頁，共43頁。3.高壓斷路器檢測和診斷技術(shù)一 狀態(tài)檢測技術(shù)第26頁，共43頁。電流檢測技術(shù)直流式（開環(huán)式）磁平衡式（閉環(huán)式）第27頁，共43頁。主觸頭狀態(tài)檢測技術(shù)（1）合分閘狀態(tài)檢測采用計(jì)算機(jī)技術(shù)檢測合分閘狀態(tài)抗干擾措施：1 對周圍電磁場輻射，采用金屬機(jī)箱 對主機(jī)進(jìn)行屏蔽 2對母線感應(yīng)的感應(yīng)電壓，采用光耦 隔離法 （2）動(dòng)觸頭位移檢測利用位移檢測傳感器檢測動(dòng)觸頭位移第28頁，共43頁。SF6氣體微水含量檢測技術(shù)SF6氣體中的微

9、量水分對高壓斷路器的影響較大。一旦大氣中的水分浸入或與SF6氣體直接接觸的固體介質(zhì)表面受潮，則電氣強(qiáng)度會(huì)顯著下降。超高壓、特高壓斷路器有很多都安裝在室外，當(dāng)氣溫驟降時(shí)，SF6氣體中過量的水分可能會(huì)凝結(jié)在固體介質(zhì)表面而發(fā)生閃絡(luò)，嚴(yán)重時(shí)造成斷路器發(fā)生爆炸事故。當(dāng)氣體中含有水分時(shí)，由于水分的存在而使SF6分解物不能正常復(fù)合，而電弧分解物和SF6經(jīng)過水解可產(chǎn)生腐蝕性很強(qiáng)的化學(xué)物質(zhì)，危及維護(hù)人員的生命安全，對斷路器的絕緣材料或金屬材料造成腐蝕，使絕緣劣化，甚至發(fā)生設(shè)備爆炸。第29頁，共43頁。傳統(tǒng)測量方法：便攜式的微水測量儀常用離線預(yù)防式檢測方法：1、質(zhì)量法根據(jù)高酸鎂吸收一定量氣體中的水分后，由其增重來

10、計(jì)算該氣體重的含水量。此方法是絕對法，用于校驗(yàn)、校準(zhǔn)其他水分測量儀器的精確度。第30頁，共43頁。2、電解法用涂了磷酸的一對電極放置在一個(gè)電解池內(nèi)，在兩電極間施加一個(gè)恒定的直流電壓。將被試氣體導(dǎo)入電解池，氣體中的水分即被吸收并電解還原，釋放出氧氣和氫氣。根據(jù)電解水分所需電量與水分量之間的關(guān)系求出氣體中的含水量。3、露點(diǎn)法被測氣體通過一個(gè)密封池中的金屬鏡面，用人工控制或借助光電池監(jiān)控鏡面濕度，以保持穩(wěn)定的水分凝結(jié)量。當(dāng)測試儀器的溫度略低于被試品氣體中水蒸氣飽和濕度時(shí)，水蒸氣結(jié)露，通過熱電偶測得的鏡面溫度即為露點(diǎn)。由露點(diǎn)和氣體水分含量的換算公式或?qū)φ毡?，即可得到氣體中的水分含量。第31頁，共43頁

11、。采用高分子薄膜電容式濕度傳感器可以實(shí)現(xiàn)SF6氣體微水含量的在線監(jiān)測。高分子薄膜電容式的感濕元件，主要由聚酰亞胺、聚苯乙烯或醋酸纖維等高分子聚合物的感濕材料組成。將這種感濕材料用作電容介質(zhì)，能隨周圍環(huán)境的相對濕度的大小成比例地吸附和釋放水分子，水分子被吸附后，由于材料的介電常數(shù)會(huì)大大提高，所以電容量相應(yīng)變化。優(yōu)點(diǎn)：長期使用穩(wěn)定性好，靈敏度高，響應(yīng)快，具有較好的可換性。第32頁，共43頁。溫度檢測技術(shù)1.傳感器測溫（傳統(tǒng)的測溫方式）（1）接觸式：直觀、精度高；接觸不良會(huì)增加誤差。（2）非接觸式：熱慣性小，便于測量變化的溫度。2.熱敏電阻或熱電偶測溫：無法實(shí)現(xiàn)無源測量，抗干擾力弱。3.光纖測溫：會(huì)

12、影響既有設(shè)備的絕緣性能。4.紅外線成像測溫：準(zhǔn)確度較低，成本較高5.聲表面波測溫：能夠真正實(shí)現(xiàn)無線無源，且精度高、可分布式布置、成本低，有微秒級(jí)延遲而抗干擾能力強(qiáng)，因而成為新一代高壓斷路器及其他高壓電器連接處的溫度檢測的理想方法。第33頁，共43頁。局部放電檢測技術(shù)局部放電現(xiàn)象，是指高壓電力設(shè)備的絕緣在足夠強(qiáng)的電場作用下在局部范圍內(nèi)發(fā)生的放電。這種放電以僅造成到體檢的絕緣局部短路而不形成導(dǎo)電通道為限。局部放電雖然只是局部絕緣發(fā)生擊穿，但每次放電對絕緣性能都會(huì)有輕微損傷，原因有：絕緣介質(zhì)因?yàn)榫植繙囟壬仙?，氧化加速，使介質(zhì)的電氣性能和機(jī)械性能下降；帶電粒子撞擊介質(zhì)，切斷分子結(jié)構(gòu)；放電作用下產(chǎn)生的活

13、性氣體與介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使介質(zhì)性能變壞。第34頁，共43頁。局部放電檢測的一般方法1.電檢測法基于兩個(gè)原理：1 電荷移動(dòng)引起電壓變化； 2 麥克斯韋電磁理論主要有脈沖電流法、射頻檢測法、介質(zhì)損耗分析法和超高頻檢測法等。2.非電量檢測法發(fā)生局部放電時(shí)，常伴有聲、光、熱現(xiàn)象的發(fā)生。根據(jù)這一現(xiàn)象，相應(yīng)出現(xiàn)了聲測法、光測法和化學(xué)檢測法等非電量檢測方法。與電檢測法相比，非電量檢測方法具有抗電磁干擾能力強(qiáng)，與試樣電容無關(guān)等優(yōu)點(diǎn)。第35頁，共43頁。二 故障診斷技術(shù)故障診斷是對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和異常情況作出判斷，并根據(jù)診斷結(jié)果為設(shè)備狀態(tài)檢修提供依據(jù)。故障診斷的主要任務(wù)有：故障檢測、故障類型判斷、故障定位及故障

14、恢復(fù)等。故障診斷的發(fā)展過程可分為如下兩個(gè)階段：第一階段：常規(guī)診斷技術(shù)。建立在傳感技術(shù)和自動(dòng)測試技術(shù)的基礎(chǔ)上，以數(shù)據(jù)處理為核心，側(cè)重信號(hào)的檢測和分析。第二階段：智能診斷技術(shù)。以知識(shí)處理為核心，運(yùn)用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)診斷過程的自動(dòng)化和智能化。第36頁，共43頁。專家診斷系統(tǒng)專家系統(tǒng)是一個(gè)智能計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，它利用知識(shí)和推理過程來解決那些需要大量人類專家知識(shí)才能解決的復(fù)雜系統(tǒng)。第37頁，共43頁。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷技術(shù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是在神經(jīng)生理學(xué)研究的基礎(chǔ)上，模仿人腦神經(jīng)元結(jié)構(gòu)特性而建立的一種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是由大量處理單元互聯(lián)組成的非線性、自適應(yīng)信息處理系統(tǒng)。第38頁，共43頁?；谛畔⑷诤系闹悄芄收显\斷技術(shù)

15、智能故障診斷是人工智能技術(shù)在計(jì)算機(jī)故障診斷領(lǐng)域中的應(yīng)用，其本質(zhì)特點(diǎn)是模擬人腦的技能，有效地獲取、傳遞、處理和利用故障信息，并綜合利用傳統(tǒng)診斷方法和各種人工智能方法。第39頁，共43頁。4.GIS絕緣故障的監(jiān)測與診斷GIS的內(nèi)部故障以絕緣故障的比例為多，且后果嚴(yán)重。GIS絕緣故障產(chǎn)生的原因可能有以下幾種1、固體絕緣材料如環(huán)氧樹脂的澆鑄件內(nèi)部缺陷損傷造成2、由于制造工藝不良、觸頭燒損等引起的放電3、高壓導(dǎo)體表面的突出物引發(fā)的電暈放電4、觸頭接觸不良、金屬屏蔽罩固定處接觸不良造成浮電位而引發(fā)重復(fù)的火花放電第40頁，共43頁。故障診斷1.閾值診斷：將監(jiān)測到的局部放電加速度信號(hào)或電信號(hào)幅度與歷史數(shù)據(jù)或同

16、類設(shè)備比較，以判斷是否發(fā)生故障。2.時(shí)域波形診斷：根據(jù)局部放電信號(hào)出現(xiàn)時(shí)的工頻相位來診斷放電的類型。3.頻率特性診斷：將不同故障時(shí)的振動(dòng)頻譜分布與測得的加速度波的頻譜比較。4.指紋診斷：根據(jù)振動(dòng)的幅值、時(shí)間、頻率的三維譜圖進(jìn)行診斷。5.故障定位：利用傳感器輸出信號(hào)的幅度、時(shí)間進(jìn)行故障定位。第41頁，共43頁。5.SF6氣體泄漏的監(jiān)測SF6氣體特性檢測的重要內(nèi)容是氣體泄漏的檢測。SF6雖是無毒、惰性、不可燃的氣體，但其泄漏會(huì)引起環(huán)境的污染，所以一般GIS內(nèi)都裝有通風(fēng)設(shè)備。規(guī)定SF6氣體絕緣設(shè)備的氣體年泄漏量一般不得大于1。國際大電網(wǎng)會(huì)議還建議今后設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是每年小于0.1%，并對泄漏超過0.5%的設(shè)備進(jìn)行檢查。GIS室內(nèi)部SF6濃度不能太高，否則會(huì)使進(jìn)入工作人員缺氧窒息而死。例如：加拿大曾在750平方米的密閉房間中進(jìn)行了SF6氣體絕緣母線鋁外殼的電弧燒穿試驗(yàn)，燒穿后固態(tài)分解物粉塵濃度在5分鐘之后為每立方米10毫克，