论文部分内容阅读
【摘 要】本文主要针对组合电器状态检测新技术以及110kV组合电器带电检测数据异常预防性措施进行简要分析，仅供参考。
【关键词】封闭式组合电器；带电检测；击穿；故障
一、组合电器状态检测新技术
1、SF6气体泄漏检测技术
SF6气体以其优异的绝缘性能和灭弧性能被广泛用于电气设备中，SF6电气设备密封性能是检验其可靠性的重要指标，是实现其安全稳定运行的前提条件。目前，针对SF6电气设备应用较多的检漏技术主要有肥皂气泡法、包扎法、“卤素效应”检漏法、激光成像检漏技术。肥皂气泡法是在可能的泄漏点处涂抹肥皂水，观察是否有气泡产生。其优点是操作比较简单，局限性是精度低，难以实现全面检测，某些部位无法带电检测。包扎法是在可能的泄漏点处使用塑料薄膜包扎，再使用SF6定量检测仪检测包扎部位的气体含量。其优点是适用于定量检测，局限性是工作量大，受包扎是否严密的影响，精度较低，某些部位无法带电检测。“卤素效应”检漏法是利用金属铂在一定温度下会发生正离子发射，当其遇到卤素气体时，正离子发射会急剧增加的特性进行SF6检漏。其优点是使用简单方便，局限性是受外部环境影响较大，只能检测到泄漏区域，难以精确定位，某些部位无法带电检测。激光成像检漏技术是利用SF6分子对红外光谱有较强的吸收特性，通过发出红外激光对设备进行扫描，检测反射回来的红外光能强弱来判定是否存在泄漏及其严重程度。其优点是实现了可视化带电检测，缩短了检测所需时间，其局限性是受传感器灵敏度限制，无法检测微量泄漏及没有反射背景的设备，仪器体积庞大，使用不方便。最新的SF6检漏技术———SF6红外成像检测技术由于SF6气体对红外线吸收极强，而空气的吸收比较弱，表现为泄漏点处SF6气体与周围环境温度有微小差别，浓度越高这种温度差异越大，造成二者的红外影像具有不同特性，使通常可见光无法观察的SF6气体泄漏，在先进红外探测器的帮助下变得可见。与以往的检漏技术比较，红外成像检漏技术具有如下不可比拟的优势：可进行带电检测；非接触、远距离检测，更安全；实时捕捉微量SF6气体泄漏，准确定位故障点；采用纯红外成像，不需要发射激光补助能量；适合各种环境、天气和背景的检测；仪器轻便，测试省时、省力。SF6红外成像检测仪如图1所示。
图1SF6红外成像检测仪
2、SF6分解产物检测技术
正常运行的组合电器设备，其断路器、隔离开关在操作过程中所产生的少量SF6分解产物会迅速复合或被吸附剂吸附，难以检测到明显的SF6分解产物。通过对某型号110kV断路器开断电弧试验研究，在开断6.3kA电流、燃弧时间17ms、有吸附剂的状态下，灭弧室检测到的分解产物随时间变化情况如图2所示。
图2分解产物随时间变化图
如果设备内部出现故障或缺陷时，故障区域的SF6气体、绝缘材料、金属等可能会发生分解，设备和材料中的微量水分也参与作用，生成相应的气体和固体产物，其中气体分解产物主要有SOF2、SO2、HF和SO2F2，当故障涉及固体绝缘材料时，还会产生CF4、H2S、CO和CO2等，在故障或缺陷未消除前，该过程可能会长期存在，即使有吸附剂的吸附作用，仍可以检测到SF6分解产物的存在。基于上述机理，近年来通过对运行中的设备进行SF6气体分解产物检测来判断设备内部是否存在潜伏性缺陷。目前现场应用最普遍的SF6分解产物检测技术是电化学传感器法，其原理是通过电化学传感器与被测气体发生反应后，产生与气体浓度成正比的电信号进行气体成分分析，目前已成功实现SF6设备中SO2、H2S、CO和HF等稳态分解产物含量的现场检测，检测精度最小可达0.1μL/L，基本可以满足事前诊断的需求。但与成熟的充油设备色谱分析技术相比，SF6气体分解产物的种类和含量受缺陷类型、缺陷程度、设备结构、杂质情况、吸附剂等多种因素的影响，发展趋势非常复杂，目前国际上对其与设备内部缺陷类型对应关系的研究尚未取得大的突破。
因此，虽然目前SF6分解产物检测技术还仅能提供一个定性的结论，但其在有效发现设备潜伏性缺陷及设备事故后的故障定位等方面，特别是可以实现带电状态下的设备状态诊断方面，仍具有重大的现实意义。
3、局部放电检测技术
局部放电是指在一定外施电压作用下，电气设备绝缘内部缺陷所发生的局部重复击穿和熄灭的现象。局部放电将使绝缘强度不断下降，这是导致电气设备绝缘老化乃至损坏的一个重要原因。因此，对运行中的设备要加强局部放电监测，当局部放电超过一定程度时，应将设备退运处理。目前，对上述局部放电类型主要检测方法有脉冲电流法、超高频局放检测技术和超声波局放检测技术。
3.1脉冲电流法
传统的局部放电检测技术———脉冲电流法最大的优势是可以进行局部放电量的标定，但其检测信号的频率范围一般小于1MHz，抗现场干扰能力比较差。组合电器设备结构紧凑、绝缘裕度小，对局部放电限值要求比较高（5pc），因此，对组合电器来说，脉冲电流法仅适用于具有良好屏蔽措施的实验室，不适用于变电站现场。另外，脉冲电流法不能进行带电检测，无法进行放电源的定位，也是其较大的不足。
3.2超高频局放检测技术
组合电器内部局放会产生各种类型的电磁波，电磁波沿金属筒壁传播，当遇到合成材料的绝缘盆子时，就从盆子处辐射到外部空间。超高频局放检测技术就是通过检测组合电器内部辐射出的高频电磁波来进行局部放电分析和定位的，其原理如图3所示。
组合电器的同轴结构相当于一个良好的波导，电磁波在其内部传播时衰减很小，且在经过多次谐振后，电磁波的频率可达上GHz。超高频局放传感器通常选择在300MHz～3GHz进行传感，图4为空气中常见干扰信号与GIS内部局放信号的对比，从图中可以得出在此频带可以显著提高抗干扰性能。
当传感频率的选择大于1GHz时，该方法还可通过测量不同传感器接收到的信号时间差进行放电源定位。其优点是可以实现带电检测，对各种缺陷类型均适用，抗干扰能力强，测试灵敏度高，信号衰减慢、检测半径大，可实现放电源定位等。不足是外置式传感器对采用金属环绝缘盆子结构的组合电器难以进行检测。 3.3超声波局放检测技术
组合电器内部放电点会释放出声波信号，当其以压力波的形态传播到金属外壳时将引起外壳机械振动。声学局放检测技术原理就是利用紧贴在组合电器外壳上的压电传感器接收此信号，实现对内部放电分析和定位，其原理如图5所示。
传感器检测频率选择在20～100kHz的超声波段，在此波段可很好地滤除现场干扰。其优点是可以实现带电检测，对金属尖端、自由颗粒、悬浮电位产生的局放信号高度灵敏，不受电磁信号干扰，测试灵敏度高，可实现放电源精确定位。不足是超声信号衰减较快，导致其检测半径小，现场检测工作量较大，对绝缘子表面粒子放电不敏感，对绝缘子内部放电基本无效。
5.4X射线成像检测技术
X射线成像检测技术是利用X射线机发射X射线穿透试件，射线强度因试件内部物质的吸收和散射而减弱，其衰减程度取决于内部物质的衰减系数和射线在物质中穿越的厚度。因此，试件内部物质结构不同将导致透过试件的X射线强度存在差异，通过安装在试件另一侧的射线场强探测器接收透过试件的X射线，再将其转换为电信号，输入计算机以图像形式展现，实现不同方位下试件内部结构形态的快速透视成像，为设备状态诊断提供直观的可视化信息。
5.5震荡波雷电冲击试验技术
对于组合电器的现场绝缘试验，国家标准规定对245kV及以上GIS设备，需要进行1min规定试验电压值的交流耐压试验；还需要进行规定电压值的雷电冲击电压试验，正负极性各3次。国家电网公司也要求交接试验中，有条件时应进行冲击耐压试验。
组合电器在运输和安装过程中可能出现的绝缘缺陷主要有两种：一种是自由导电微粒和灰尘侵入设备内部并在电场作用下移动，称为活动绝缘缺陷；一种是绝缘件或导体存在制造缺陷或在运输安装中造成损伤等，称为固定绝缘缺陷。
二、110kV组合电器带电检测数据异常预防性措施
某220kV变电站110kVGIS内部缺陷的及时发现，得力于超声局放、超高频局放、特高频局放等带电检测手段，防止了一起可能发生的GIS绝缘击穿而引起的故障跳闸事故。为防止此类故障导致事故的发生，今后应采取以下防范措施：
随着状态检修工作的深入开展，电网设备停电试验周期越来越长，最长停电试验周期可达六年。为及时掌握电网设备设备状态，应定期开展电网设备带电检测工作。
126kV及以上GIS用盆式绝缘子、支柱绝缘子生产厂家应逐只进行交流耐压和电气局放试验。考虑到GIS内部电场结构为稍不均匀电场，设计场强远高于其它常规设备，盆式绝缘子、支柱绝缘子的局部缺陷对GIS内部绝缘影响较大，故GIS生产厂家应逐只进行X光探伤检测。
为便于开展GIS带电检测和在线监测，GIS出厂前，生产厂家应在GIS罐体内预设电极。
为准确判断GIS内部缺陷的性质、严重程度和具体部位，应综合利用超声局放、超高频局放、特高频局放等带电检测手段。
结束语
为防止GIS内部故障而导致设备损坏事故，应在产品制造和运行管理两方面采取综合措施。在GIS制造过程中，生产厂家应应加强质量管理，细化工艺控制卡，做到每个生产细节都得到严格把关，确保质量管理体系有效运转。在运行管理方面，应定期开展电网设备带电检测工作，综合利用超声局放、超高频局放、特高频局放等带电检测手段。
参考文献：
[1]刘胜军，田江波，甄旭峰，王立兵.110kV组合电器带电检测数据异常分析及处理[J].电子世界，2014，07：58-59.
[2]叶玉龙.110kV变电站一次系统设计[J].机电信息，2014，18：120-121.
[3]洪鹤，李斌，鲁旭臣.组合电器状态检测新技术在辽宁电网的应用[J].东北电力技术，2014，08：49-55.
[4]韩轶，关振.组合电器回路电阻的异常分析[J].科学中国人，2014，08：6.
【关键词】封闭式组合电器；带电检测；击穿；故障
一、组合电器状态检测新技术
1、SF6气体泄漏检测技术
SF6气体以其优异的绝缘性能和灭弧性能被广泛用于电气设备中，SF6电气设备密封性能是检验其可靠性的重要指标，是实现其安全稳定运行的前提条件。目前，针对SF6电气设备应用较多的检漏技术主要有肥皂气泡法、包扎法、“卤素效应”检漏法、激光成像检漏技术。肥皂气泡法是在可能的泄漏点处涂抹肥皂水，观察是否有气泡产生。其优点是操作比较简单，局限性是精度低，难以实现全面检测，某些部位无法带电检测。包扎法是在可能的泄漏点处使用塑料薄膜包扎，再使用SF6定量检测仪检测包扎部位的气体含量。其优点是适用于定量检测，局限性是工作量大，受包扎是否严密的影响，精度较低，某些部位无法带电检测。“卤素效应”检漏法是利用金属铂在一定温度下会发生正离子发射，当其遇到卤素气体时，正离子发射会急剧增加的特性进行SF6检漏。其优点是使用简单方便，局限性是受外部环境影响较大，只能检测到泄漏区域，难以精确定位，某些部位无法带电检测。激光成像检漏技术是利用SF6分子对红外光谱有较强的吸收特性，通过发出红外激光对设备进行扫描，检测反射回来的红外光能强弱来判定是否存在泄漏及其严重程度。其优点是实现了可视化带电检测，缩短了检测所需时间，其局限性是受传感器灵敏度限制，无法检测微量泄漏及没有反射背景的设备，仪器体积庞大，使用不方便。最新的SF6检漏技术———SF6红外成像检测技术由于SF6气体对红外线吸收极强，而空气的吸收比较弱，表现为泄漏点处SF6气体与周围环境温度有微小差别，浓度越高这种温度差异越大，造成二者的红外影像具有不同特性，使通常可见光无法观察的SF6气体泄漏，在先进红外探测器的帮助下变得可见。与以往的检漏技术比较，红外成像检漏技术具有如下不可比拟的优势：可进行带电检测；非接触、远距离检测，更安全；实时捕捉微量SF6气体泄漏，准确定位故障点；采用纯红外成像，不需要发射激光补助能量；适合各种环境、天气和背景的检测；仪器轻便，测试省时、省力。SF6红外成像检测仪如图1所示。
图1SF6红外成像检测仪
2、SF6分解产物检测技术
正常运行的组合电器设备，其断路器、隔离开关在操作过程中所产生的少量SF6分解产物会迅速复合或被吸附剂吸附，难以检测到明显的SF6分解产物。通过对某型号110kV断路器开断电弧试验研究，在开断6.3kA电流、燃弧时间17ms、有吸附剂的状态下，灭弧室检测到的分解产物随时间变化情况如图2所示。
图2分解产物随时间变化图
如果设备内部出现故障或缺陷时，故障区域的SF6气体、绝缘材料、金属等可能会发生分解，设备和材料中的微量水分也参与作用，生成相应的气体和固体产物，其中气体分解产物主要有SOF2、SO2、HF和SO2F2，当故障涉及固体绝缘材料时，还会产生CF4、H2S、CO和CO2等，在故障或缺陷未消除前，该过程可能会长期存在，即使有吸附剂的吸附作用，仍可以检测到SF6分解产物的存在。基于上述机理，近年来通过对运行中的设备进行SF6气体分解产物检测来判断设备内部是否存在潜伏性缺陷。目前现场应用最普遍的SF6分解产物检测技术是电化学传感器法，其原理是通过电化学传感器与被测气体发生反应后，产生与气体浓度成正比的电信号进行气体成分分析，目前已成功实现SF6设备中SO2、H2S、CO和HF等稳态分解产物含量的现场检测，检测精度最小可达0.1μL/L，基本可以满足事前诊断的需求。但与成熟的充油设备色谱分析技术相比，SF6气体分解产物的种类和含量受缺陷类型、缺陷程度、设备结构、杂质情况、吸附剂等多种因素的影响，发展趋势非常复杂，目前国际上对其与设备内部缺陷类型对应关系的研究尚未取得大的突破。
因此，虽然目前SF6分解产物检测技术还仅能提供一个定性的结论，但其在有效发现设备潜伏性缺陷及设备事故后的故障定位等方面，特别是可以实现带电状态下的设备状态诊断方面，仍具有重大的现实意义。
3、局部放电检测技术
局部放电是指在一定外施电压作用下，电气设备绝缘内部缺陷所发生的局部重复击穿和熄灭的现象。局部放电将使绝缘强度不断下降，这是导致电气设备绝缘老化乃至损坏的一个重要原因。因此，对运行中的设备要加强局部放电监测，当局部放电超过一定程度时，应将设备退运处理。目前，对上述局部放电类型主要检测方法有脉冲电流法、超高频局放检测技术和超声波局放检测技术。
3.1脉冲电流法
传统的局部放电检测技术———脉冲电流法最大的优势是可以进行局部放电量的标定，但其检测信号的频率范围一般小于1MHz，抗现场干扰能力比较差。组合电器设备结构紧凑、绝缘裕度小，对局部放电限值要求比较高（5pc），因此，对组合电器来说，脉冲电流法仅适用于具有良好屏蔽措施的实验室，不适用于变电站现场。另外，脉冲电流法不能进行带电检测，无法进行放电源的定位，也是其较大的不足。
3.2超高频局放检测技术
组合电器内部局放会产生各种类型的电磁波，电磁波沿金属筒壁传播，当遇到合成材料的绝缘盆子时，就从盆子处辐射到外部空间。超高频局放检测技术就是通过检测组合电器内部辐射出的高频电磁波来进行局部放电分析和定位的，其原理如图3所示。
组合电器的同轴结构相当于一个良好的波导，电磁波在其内部传播时衰减很小，且在经过多次谐振后，电磁波的频率可达上GHz。超高频局放传感器通常选择在300MHz～3GHz进行传感，图4为空气中常见干扰信号与GIS内部局放信号的对比，从图中可以得出在此频带可以显著提高抗干扰性能。
当传感频率的选择大于1GHz时，该方法还可通过测量不同传感器接收到的信号时间差进行放电源定位。其优点是可以实现带电检测，对各种缺陷类型均适用，抗干扰能力强，测试灵敏度高，信号衰减慢、检测半径大，可实现放电源定位等。不足是外置式传感器对采用金属环绝缘盆子结构的组合电器难以进行检测。 3.3超声波局放检测技术
组合电器内部放电点会释放出声波信号，当其以压力波的形态传播到金属外壳时将引起外壳机械振动。声学局放检测技术原理就是利用紧贴在组合电器外壳上的压电传感器接收此信号，实现对内部放电分析和定位，其原理如图5所示。
传感器检测频率选择在20～100kHz的超声波段，在此波段可很好地滤除现场干扰。其优点是可以实现带电检测，对金属尖端、自由颗粒、悬浮电位产生的局放信号高度灵敏，不受电磁信号干扰，测试灵敏度高，可实现放电源精确定位。不足是超声信号衰减较快，导致其检测半径小，现场检测工作量较大，对绝缘子表面粒子放电不敏感，对绝缘子内部放电基本无效。
5.4X射线成像检测技术
X射线成像检测技术是利用X射线机发射X射线穿透试件，射线强度因试件内部物质的吸收和散射而减弱，其衰减程度取决于内部物质的衰减系数和射线在物质中穿越的厚度。因此，试件内部物质结构不同将导致透过试件的X射线强度存在差异，通过安装在试件另一侧的射线场强探测器接收透过试件的X射线，再将其转换为电信号，输入计算机以图像形式展现，实现不同方位下试件内部结构形态的快速透视成像，为设备状态诊断提供直观的可视化信息。
5.5震荡波雷电冲击试验技术
对于组合电器的现场绝缘试验，国家标准规定对245kV及以上GIS设备，需要进行1min规定试验电压值的交流耐压试验；还需要进行规定电压值的雷电冲击电压试验，正负极性各3次。国家电网公司也要求交接试验中，有条件时应进行冲击耐压试验。
组合电器在运输和安装过程中可能出现的绝缘缺陷主要有两种：一种是自由导电微粒和灰尘侵入设备内部并在电场作用下移动，称为活动绝缘缺陷；一种是绝缘件或导体存在制造缺陷或在运输安装中造成损伤等，称为固定绝缘缺陷。
二、110kV组合电器带电检测数据异常预防性措施
某220kV变电站110kVGIS内部缺陷的及时发现，得力于超声局放、超高频局放、特高频局放等带电检测手段，防止了一起可能发生的GIS绝缘击穿而引起的故障跳闸事故。为防止此类故障导致事故的发生，今后应采取以下防范措施：
随着状态检修工作的深入开展，电网设备停电试验周期越来越长，最长停电试验周期可达六年。为及时掌握电网设备设备状态，应定期开展电网设备带电检测工作。
126kV及以上GIS用盆式绝缘子、支柱绝缘子生产厂家应逐只进行交流耐压和电气局放试验。考虑到GIS内部电场结构为稍不均匀电场，设计场强远高于其它常规设备，盆式绝缘子、支柱绝缘子的局部缺陷对GIS内部绝缘影响较大，故GIS生产厂家应逐只进行X光探伤检测。
为便于开展GIS带电检测和在线监测，GIS出厂前，生产厂家应在GIS罐体内预设电极。
为准确判断GIS内部缺陷的性质、严重程度和具体部位，应综合利用超声局放、超高频局放、特高频局放等带电检测手段。
结束语
为防止GIS内部故障而导致设备损坏事故，应在产品制造和运行管理两方面采取综合措施。在GIS制造过程中，生产厂家应应加强质量管理，细化工艺控制卡，做到每个生产细节都得到严格把关，确保质量管理体系有效运转。在运行管理方面，应定期开展电网设备带电检测工作，综合利用超声局放、超高频局放、特高频局放等带电检测手段。
参考文献：
[1]刘胜军，田江波，甄旭峰，王立兵.110kV组合电器带电检测数据异常分析及处理[J].电子世界，2014，07：58-59.
[2]叶玉龙.110kV变电站一次系统设计[J].机电信息，2014，18：120-121.
[3]洪鹤，李斌，鲁旭臣.组合电器状态检测新技术在辽宁电网的应用[J].东北电力技术，2014，08：49-55.
[4]韩轶，关振.组合电器回路电阻的异常分析[J].科学中国人，2014，08：6.