電氣工程及其自動化畢業(yè)設(shè)計-gis絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究(含外文翻譯)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　GIS絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣工程及其自動化

2、 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p>　　GIS絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究</p><

3、p><b>　　摘要</b></p><p>　　日前，對GIS的投運(yùn)前的檢修工作已經(jīng)作的十分完善，但是對于GIS在運(yùn)行過程中的絕緣情況的監(jiān)測方面卻作的不夠，因此不能夠?qū)崟r了解其內(nèi)部的絕緣情況，進(jìn)而不能及時排除隱患，阻止事故的發(fā)生。眾所周知，GIS中絕緣的老化的一個重要因素是因為局部放電。所以，檢測GIS內(nèi)部局部放電的特征現(xiàn)象，發(fā)展一套新的診斷方法十分重要。本文在對GIS絕緣在線監(jiān)測系

4、統(tǒng)研究的的過程中，本論文先對GIS中局部放電在線監(jiān)測的研究意義及現(xiàn)狀進(jìn)行了簡單綜述，然后對GIS內(nèi)部絕緣故障類型及成因進(jìn)行了說明。根絕GIS內(nèi)絕緣故障的特點(diǎn)構(gòu)建了四種絕緣故障局部放電模型并仿真。最后通過對所列舉的幾種在線監(jiān)測方法優(yōu)缺點(diǎn)的比較后，設(shè)計了一種聯(lián)合在線監(jiān)測系統(tǒng)，其中對硬件系統(tǒng)重要模塊和軟件系統(tǒng)功能進(jìn)行了介紹。 </p><p>　　本文所設(shè)計的在線監(jiān)測系統(tǒng)采用已經(jīng)比較成熟的UHF法檢測技術(shù)和近年來新興的

5、SF6特征氣體法分析GIS內(nèi)部故障技術(shù)相結(jié)合的方式，對GIS進(jìn)行在線監(jiān)測。當(dāng)GIS內(nèi)部發(fā)生異常放電時，該系統(tǒng)能快速分析故障類型及放電位置，大大減少因為人工分析GIS故障停電時間過長而造成的損失。</p><p>　　關(guān)鍵詞 　GIS；局部放電；在線監(jiān)測；虛擬儀器技術(shù)</p><p>　　The research on GIS online insulation monitoring sys

6、tem</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Currently, many methods which are effective enough can be available for examining the GIS before running，but its insulation condition monitoring

7、 hasn’t been well done during operation，so we can’t know the insulation condition in time，and therefore we can’t eliminate the potential danger and prevent a breakdown．As is known to a11, partial discharge (PD) is a sym

8、ptom of an insulation breakdown occurring in GIS. So it’s very important to develop a new diagnostic technique to detect a characteristi</p><p>　　Online monitoring system designed in this paper is already qu

9、ite mature, the UHF detection technology and in recent years, emerging SF6 characteristics of gas analysis of a combination of GIS internal fault-line monitoring of GIS. GIS within the abnormal discharge, the system can

10、quickly analyze the fault type and the discharge location, greatly reducing the losses caused by manual analysis of GIS failures long black out time.</p><p>　　Keywords Gas Insulated Switchgears; Partial Di

11、scharge; On-line Monitoring; Virtual Instruments Technology</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒

12、論1</b></p><p>　　1.1 局部放電在線監(jiān)測技術(shù)研究的意義1</p><p>　　1.2 GIS絕緣在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 本文研究內(nèi)容4</p><p>　　第2章 GIS絕緣故障分析5</p><p>　　2.1 GIS絕緣故障類型及成因5</

13、p><p>　　2.1.1 GIS的常見故障及原因5</p><p>　　2.1.2 GIS的局部放電類型7</p><p>　　2.2 GIS絕緣故障物理模型的構(gòu)建8</p><p>　　2.2.1高壓導(dǎo)體突出物10</p><p>　　2.2.2自由導(dǎo)電微粒10</p><p>　　2

14、.2.3 絕緣子表面金屬污染11</p><p>　　2.2.4 絕緣子外氣隙12</p><p>　　2.3 GIS絕緣故障物理模型的仿真13</p><p>　　2.3.1 N 類絕緣缺陷13</p><p>　　2.3.2 P 類絕緣缺陷14</p><p>　　2.3.3 M類絕緣缺陷15</

15、p><p>　　2.3.4 GE類絕緣缺陷16</p><p>　　2.4 本章小結(jié)17</p><p>　　第3章 GIS絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的方案18</p><p>　　3.1 GIS在線監(jiān)測方法18</p><p>　　3.1.1脈沖電流(ERA)法18</p><p>　　3.1.2

16、超聲波檢測法19</p><p>　　3.1.3特高頻（UHF）檢測19</p><p>　　3.1.4分析SF6分解物檢測法20</p><p>　　3.2 本文設(shè)計的GIS在線監(jiān)測系統(tǒng)的概述23</p><p>　　3.3 硬件系統(tǒng)24</p><p>　　3.3.1 傳感器（天線）單元24</p

17、><p>　　3.3.2紅外吸收光譜法檢測器和光聲光譜法檢測器25</p><p>　　3.3.3信號處理單元27</p><p>　　3.3.4數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)29</p><p>　　3.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計30</p><p>　　3.4.1監(jiān)測功能30</p><p>　　3.4.2參數(shù)設(shè)

18、置功能30</p><p>　　3.4.3數(shù)據(jù)分析儲存30</p><p>　　3.4.4報警系統(tǒng)30</p><p>　　3.4.5人機(jī)交互系統(tǒng)32</p><p>　　3.5 本章小結(jié)32</p><p><b>　　結(jié)論33</b></p><p><

19、;b>　　致謝34</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)35</b></p><p><b>　　附錄A39</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景錯誤！未定義書簽。</p>

20、;<p>　　1.2 MSBS中電磁場研究現(xiàn)狀錯誤！未定義書簽。</p><p>　　1.3 本文主要內(nèi)容錯誤！未定義書簽。</p><p>　　第2章 電磁場有限元分析理論簡介及電源系統(tǒng)錯誤！未定義書簽。</p><p>　　2.1 麥克斯韋方程組錯誤！未定義書簽。</p><p>　　2.2 電磁場分析方法錯誤！未

21、定義書簽。</p><p>　　2.3 有限單元法的基本原理及其在電磁場中的應(yīng)用錯誤！未定義書簽。</p><p>　　2.3.1 電磁場基本理論錯誤！未定義書簽。</p><p>　　2.3.2 邊界條件與邊值關(guān)系錯誤！未定義書簽。</p><p>　　2.3.3 有限單元法在電磁場中的應(yīng)用錯誤！未定義書簽。</p>

22、<p>　　2.4 有限元軟件ANSYS簡介錯誤！未定義書簽。</p><p>　　2.5 ANSYS求解步驟錯誤！未定義書簽。</p><p>　　2.6 磁懸掛天平電源系統(tǒng)錯誤！未定義書簽。</p><p>　　2.7 本章小結(jié)錯誤！未定義書簽。</p><p>　　第3章 磁懸掛天平的二維有限元分析錯誤！未定義書簽。

23、</p><p>　　3.1 引言錯誤！未定義書簽。</p><p>　　3.2 磁懸掛天平電磁鐵系統(tǒng)簡介錯誤！未定義書簽。</p><p>　　3.2.1 磁懸掛天平電磁鐵結(jié)構(gòu)錯誤！未定義書簽。</p><p>　　3.2.2 磁懸掛天平電磁場分布錯誤！未定義書簽。</p><p>　　3.3 天平俯仰電磁場

24、的二維分析錯誤！未定義書簽。</p><p>　　3.3.1 俯仰電磁場模型簡介錯誤！未定義書簽。</p><p>　　3.3.2 俯仰電磁場的二維分析錯誤！未定義書簽。</p><p>　　3.3.3 小結(jié)錯誤！未定義書簽。</p><p>　　3.4 天平偏航電磁場的二維分析錯誤！未定義書簽。</p><p&

25、gt;　　3.4.1 偏航電磁場二維模型簡介錯誤！未定義書簽。</p><p>　　3.4.2 偏航電磁場的二維分析錯誤！未定義書簽。</p><p>　　3.4.3 小結(jié)錯誤！未定義書簽。</p><p>　　3.5 天平軸向電磁場的二維分析錯誤！未定義書簽。</p><p>　　3.5.1 軸向電磁場模型簡介錯誤！未定義書簽。&

26、lt;/p><p>　　3.5.2 軸向電磁場的二維分析錯誤！未定義書簽。</p><p>　　3.5.3 小結(jié)錯誤！未定義書簽。</p><p>　　3.6 本章小結(jié)錯誤！未定義書簽。</p><p>　　結(jié)論錯誤！未定義書簽。</p><p><b>　　致謝34</b></p&g

27、t;<p><b>　　參考文獻(xiàn)34</b></p><p><b>　　附錄39</b></p><p>　　PLANE53--二維8-節(jié)點(diǎn)磁實體單元錯誤！未定義書簽。</p><p>　　千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面

28、“Abstract”這一行后加一空行</p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　局部放電在線監(jiān)測技術(shù)研究的意義</p><p>　　隨著電力體制改革的深入，在電力市場，電力系統(tǒng)需要進(jìn)一步提高電力設(shè)備的可靠性。保證運(yùn)行可靠性和維修經(jīng)濟(jì)性成為輸電、發(fā)電企業(yè)適應(yīng)市場競爭的迫切需要，用狀態(tài)檢修模式取代需要的計劃檢修模式和事后檢修模式

29、，是電力工業(yè)發(fā)展的趨勢。根據(jù)國家電力公司發(fā)布實施《火力發(fā)電廠實施設(shè)備狀態(tài)檢修的指導(dǎo)意見》[1]的要求，電力公司應(yīng)根據(jù)自身設(shè)備的實際及人員、資金情況，選擇一些適合實施轉(zhuǎn)臺檢修的設(shè)備，現(xiàn)在一定范圍內(nèi)開展工作。550kV、220kV、110kV高壓開關(guān)、場地高壓開關(guān)都已經(jīng)被列入實時狀態(tài)監(jiān)測的范疇。</p><p>　　在線監(jiān)測（online monitor），通過裝在生產(chǎn)線和設(shè)備上的各類監(jiān)測儀表，對生產(chǎn)及設(shè)備狀況進(jìn)行連

30、續(xù)自動檢測，稱在線監(jiān)測，可以實時監(jiān)測被測裝置時時狀態(tài)。高壓電氣設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)由導(dǎo)電、絕緣和支撐(或外殼)3部分組成。其中絕緣部分是薄弱環(huán)節(jié), 最容易被損壞。運(yùn)行中絕緣還會發(fā)生老化, 使電氣強(qiáng)度降低。為了掌握運(yùn)行中高壓電氣設(shè)備的絕緣狀況,有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程[2,3,4]規(guī)定, 必須定期對電氣設(shè)備進(jìn)行絕緣試驗和監(jiān)督, 根據(jù)試驗結(jié)果分析、評估被試設(shè)備的絕緣狀態(tài)確定是繼續(xù)運(yùn)行還是需要檢修以及檢修的時間。電氣設(shè)備的絕緣故障具有隨機(jī)性、階段性、隱蔽性、

31、連鎖性,為了避免電氣設(shè)備的絕緣發(fā)生故障和事故擴(kuò)展,及時獲取絕緣狀態(tài)的信息,及時對設(shè)備的絕緣進(jìn)行診斷、報警, 做到防患于未然十分必要。所謂絕緣在線監(jiān)測是指在電氣設(shè)備不停電、不脫離系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)下, 利用技術(shù)手段對設(shè)備絕緣狀況進(jìn)行自動化的、連續(xù)的或定時的絕緣特性檢測和監(jiān)督, 目的是了解和掌握被監(jiān)測設(shè)備是否處于正常運(yùn)行狀態(tài), 以便確定該設(shè)備是否需要檢修, 如何檢修。盡管絕緣在線監(jiān)測所反映的許多參數(shù)和變量是相對值或預(yù)防試驗規(guī)定項目中的一部分,但

32、絕緣在線監(jiān)測是一種</p><p>　　GIS絕緣在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀</p><p>　　目前，國內(nèi)和國際上GIS的局部放電在線監(jiān)測技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，不論從硬件的監(jiān)測裝置，還是軟件的監(jiān)測方法，都有很多專家和學(xué)者們做出了很好地的成績，例如：</p><p>　　清華大學(xué)1995-1997年相繼研制和開發(fā)出基于UHF法的便攜式局部放電檢測儀和330kVGIS局部放電在

33、線檢測系統(tǒng)，均采用外部傳感器監(jiān)測，具有較強(qiáng)的實用性，且便于放電源的定位。但是該設(shè)備對于采集到信號的分析處理不夠完整，目前還在進(jìn)一步的完善過程中。</p><p>　　西安交通大學(xué)的電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實驗室于1998年研制的一種超寬頻帶局部放電傳感器，并經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析儀（HP720C，掃頻帶寬20GHz）對其頻率響應(yīng)特性進(jìn)行測量證實效果較好[6]。</p><p>　　英國Strathcl

34、yde大學(xué)與NGC和Scottish Power plc聯(lián)合開發(fā)了一套UHF監(jiān)測系統(tǒng)。為防止斷路器工作時產(chǎn)生快速暫態(tài)過電壓（VFTO），對監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)采取相應(yīng)的保護(hù)，在耦合器輸出處和UHF信號調(diào)節(jié)出安裝鉗位二極管。該系統(tǒng)采取3種工作模式：在線、事故和歷史模式，便于日常的監(jiān)測和出現(xiàn)事故之后的情況分析。該系統(tǒng)不是采用UHF局部放電信號進(jìn)行分析，因此檢測系統(tǒng)的精度不能加以保證。</p><p>　　瑞士Zurich大學(xué)的

35、Neuhold開發(fā)出一種結(jié)合寬帶和窄帶的多通道、實時響應(yīng)的GIS局部放電測量系統(tǒng)。每個測量通道包括一個低噪聲寬帶傳感器，帶有自動高壓暫態(tài)保護(hù)。適宜于開發(fā)過程中的實驗室測試和GIS的長期監(jiān)測，裝置能初步實現(xiàn)對故障源的監(jiān)測、定位和識別，但是精度不能得到保證，需要進(jìn)一步的研究。</p><p>　　挪威TransiNor As公司的Schei研制出一種超聲波絕緣分析器。針對自由移動微粒、固定微粒和突出物以及漂浮物引起的

36、局部放電，該設(shè)備能夠?qū)ζ溥M(jìn)行監(jiān)測、定位和模式識別，他特別適用于普通的檢修人員而非超聲波方面的專家使用[7]。但是該裝置智能識別某些絕緣缺陷的類型，不具有廣泛性。</p><p>　　2001年日本名古屋大學(xué)的Toshihiro Hoshino提出一種新的GIS中有局部放電引起的電磁場的監(jiān)測技術(shù)——相位門極控制法。它是通過分析在SF6氣體中局部放電和電壓相位角之間關(guān)系的不同而作為判斷依據(jù)[8]，該方法目前還處于研究

37、階段。</p><p>　　俄羅斯科學(xué)家Arakelian于2000提出一種新的物理—化學(xué)診斷方法，它的基本原理是：由于SF6中包含一些雜質(zhì)（O2、N2、CF4等），因此當(dāng)局部放電發(fā)生時，在溫度和嚴(yán)厲的作用下，密度、溫度和酸堿度的一些參數(shù)會發(fā)生變化。根據(jù)產(chǎn)生化合物的種類和密度，可以判斷出局部放電的程度?；瘜W(xué)檢測法對于GIS內(nèi)部出現(xiàn)的絕緣缺陷，比較適用于做輔助分析絕緣故障時使用[9]。</p><

38、;p>　　日本大阪大學(xué)的Kawada 于2000年提出一種用于寬帶電磁波（E-M）動態(tài)頻譜分析的小波方法。種種非接觸式監(jiān)測故障征兆方法使用由高斯函數(shù)產(chǎn)生的Gabor函數(shù)的實部作為母小波，對電磁波信號進(jìn)行小波變換。文中指出經(jīng)小波變化后的局部放電信號能夠與其他干擾波（FM廣播信號）清晰地分辨出來，并得出以下結(jié)論：當(dāng)放電量很低時，電磁波的主要部分在高頻段（120：200MHz）；當(dāng)放電量增加時，主要部分轉(zhuǎn)換到低頻段（2080MHz），并

39、且低頻段的耐壓值上升[10]。該方法理論上研究較多，但實際應(yīng)用時遇到了一些問題。</p><p>　　2002年日本Kawada有提出一種用于監(jiān)測局部放電源的超寬頻帶UHF的無線電抗干擾系統(tǒng)（UEB-VURIS）。該系統(tǒng)跟聚在不同頻率下提取的兩個凈福利也變化后的E-M信號之間的相位差來判斷局部放電程度，并計算從局部放電源發(fā)射出來的電磁波方向[11]。這種方法是基于硬件條件完好和軟件算法精確的基礎(chǔ)上，目前還不能完全

40、達(dá)到精度要求，需要進(jìn)一步的研究工作。</p><p>　　2000年英國Strathclyde大學(xué)的Judd提出一種用于分析電磁場的有限時域差分（FDTD）方法。他將電場E和磁場H在空間和時間上都去離散表達(dá)形式，這樣對任意位置的放電信號（即使在快速暫態(tài)量）都能確切地用數(shù)學(xué)變量表達(dá)。在整個結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的電場模型下，放電信號的位置和特性都變化很大，在這種情況下用該方法分析問題是較有效的[12]。</p>

41、<p>　　隨著現(xiàn)代化學(xué)分析技術(shù)的發(fā)展，氣體組分檢測也有了長足發(fā)展，以氣體分解物作為診斷GIS設(shè)備缺陷的特征參量很快成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[13-16]。Schumb 等人最早研究了 SF6氣體的分解情況，實驗在 20kV 以下產(chǎn)生一次交流電弧放電，電弧放電產(chǎn)生的副產(chǎn)物部分被堿液吸收，沒被吸收的部分經(jīng)驗證具有氧化特性[17]。實驗者認(rèn)為產(chǎn)物可能是低氟硫化物，但沒有對此做進(jìn)一步探究。Van Brunt 等人對電暈放電進(jìn)行了更為系

42、統(tǒng)的研究[18-22]。他們建立的 PD 模型是一個高度局部化、小電流的不銹鋼針-板放電模型，電離區(qū)在針電極尖端附近，直流電暈放電電流為 1.5～64μA，相應(yīng)的能量損耗為 0.054~4.3W，氣壓為100kPa~300kPa，采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法（GC/MS）分析氣體組分和分解速率。研究發(fā)現(xiàn)：電暈放電中生成最多的氟氧化物是 SOF2（氟化亞硫酰）、SO2F2（氟化硫酰）和 SOF4，且含量與檢測到的 O2和 H2O 在一個數(shù)量級

43、。研究還發(fā)現(xiàn)是氟氧化物的產(chǎn)生速率在大多數(shù)環(huán)境中均以因數(shù) 5或者更大的倍數(shù)增長。盡管試驗的測量系統(tǒng)很靈敏，但是沒有檢測到 S2F10和 S2F10</p><p>　　Chu 等人研究了針-板電暈放電下 SOF2和 SO2F2的產(chǎn)氣速率[23]。試驗中使用鋁電極，電源為 60Hz 交流電源，電暈放電的能量等級為 103pC，重復(fù)率是 2Hz。檢測發(fā)現(xiàn) SOF2與 SO2F2的含量非常相近，分別為 0.6 和 1.4

44、nmol/L。Kusumoto[24]在模擬針-板電暈放電試驗中檢測到了 HF，采用氣體通入堿液的方法來測定 H+的量，利用紅外吸收光譜測定 F-的含量。結(jié)果顯示：HF 的含量與放電量有關(guān)，而與 SF6氣體的壓力和電極材料無關(guān)。</p><p>　　雖然現(xiàn)階段的傳統(tǒng)局部放電在線監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)得到了較大的提高和發(fā)展，同時新的在線監(jiān)測技術(shù)也被提出，但是由于每一種技術(shù)都存在這監(jiān)測方面的不足，所以現(xiàn)階段單一的在線監(jiān)測技術(shù)并

45、不能完全滿足人們對在線監(jiān)測準(zhǔn)確性、快速性的期望。</p><p><b>　　本文研究內(nèi)容 </b></p><p>　?。?）結(jié)合真是GIS設(shè)備結(jié)構(gòu)和材料及實際故障類型，設(shè)計四種GIS典型絕緣缺陷PD物理模型（高壓導(dǎo)體突出物、自由導(dǎo)電微粒、絕緣子金屬污染、絕緣子外氣隙絕緣缺陷），利用ANSYS有限元分析軟件對所設(shè)計的四種絕緣缺陷模型進(jìn)行電場仿真分析，以評估模型的可行

46、性；</p><p>　?。?）通過闡述絕緣在線監(jiān)測技術(shù)的研究現(xiàn)狀及分析其各技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出使用單一的監(jiān)測方法不能解決各監(jiān)測技術(shù)自身存在監(jiān)測短板問題，應(yīng)該多種方法綜合應(yīng)用，才能最大限度的提升絕緣狀態(tài)監(jiān)測的準(zhǔn)確性，根據(jù)以上結(jié)論設(shè)計出一種聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)并對其硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)作出介紹。</p><p><b>　　GIS絕緣故障分析</b></p><

47、p>　　GIS絕緣故障類型及成因</p><p>　　一般說來，GIS是運(yùn)行可靠性高、維護(hù)工作量小、維修周期長的高壓電氣設(shè)備[25]。因為幾乎所有的開關(guān)、測量及過電壓防護(hù)裝置密封在壓力容器之中，而且使用的氣體介質(zhì)為絕緣性能和導(dǎo)熱性能優(yōu)良的SF6氣體，因而設(shè)備內(nèi)部幾乎不受大氣的影響。此外，在制造廠對GIS均進(jìn)行過充分的性能驗證試驗，然后以組件的形式出廠，再在現(xiàn)場對設(shè)備進(jìn)行拼裝，這些都對GIS的安全可靠運(yùn)行創(chuàng)造

48、了有利條件。但是，由于GIS在設(shè)備設(shè)計中造成的設(shè)計缺陷，生產(chǎn)制造工藝不過關(guān)，運(yùn)輸安裝過程中實施人員的疏漏以及運(yùn)行維護(hù)的不到位都會不可避免的造成GIS設(shè)備故障。</p><p>　　GIS的故障可分為兩大類型，即與常規(guī)設(shè)備性質(zhì)相同的故障（如操動機(jī)構(gòu)的故障等）和GIS的特有故障（如GIS絕緣系統(tǒng)的故障等）。第一類故障的故障率大致與常規(guī)電氣設(shè)備相同；第二類故障的重大故障率為0.1~0.2次/站·年。一般認(rèn)為，

49、GIS的故障率比常規(guī)變電站低一個數(shù)量級，但GIS的事故后平均停電檢修時間則比常規(guī)變電站長。運(yùn)行經(jīng)驗表明，GIS的內(nèi)部閃絡(luò)故障通常發(fā)生在安裝或大修后投入運(yùn)行的最初數(shù)月之中。</p><p>　　2.1.1 GIS的常見故障及原因</p><p>　?。?）氣體泄漏。這種故障在我國較為常見。輕者是GIS不得不經(jīng)常補(bǔ)氣；重者使GIS被迫停止運(yùn)行。泄露通常發(fā)生在密封面、焊縫和管路接頭處；內(nèi)部泄露常

50、發(fā)生在盆式絕緣子裂縫和SF6氣體與油的交界面。</p><p>　?。?）水分。SF6氣體含水量太高引起的故障幾乎都是絕緣子或其他絕緣件閃絡(luò)，表面閃絡(luò)的絕緣子或其他絕緣件閃絡(luò)，表面閃絡(luò)的絕緣子需要徹底清洗或更換。這種故障常發(fā)生在氣溫突變時或設(shè)備補(bǔ)氣之后。</p><p>　?。?）導(dǎo)電微粒。消除導(dǎo)電微粒影響的一項有效辦法，就是GIS安裝完畢后，采用低能電源施加高于運(yùn)行電壓的交流電壓。如果導(dǎo)

51、電微粒很小，他可能在放電中燒毀；如果導(dǎo)電微粒很大，在交流電壓作用下它會運(yùn)動到低場強(qiáng)區(qū)。在GIS運(yùn)行中，如果閃絡(luò)多次重復(fù)發(fā)生，通常是由自由導(dǎo)電微粒引起的，特別是在母線的水平與垂直部分的交叉處更是如此。這類故障的修理工作不外乎是清掃或者更換受影響的部件。</p><p>　?。?）電接觸不良。在GIS內(nèi)部有些金屬部件是用來改變電場的，在實際運(yùn)行中，這些部件并無負(fù)荷電流通過。這些部件經(jīng)常使用的是鋁制的彈性觸頭與外殼或高

52、壓導(dǎo)體進(jìn)行電氣連接，運(yùn)行中可能會因松動而導(dǎo)致接觸不良。這些接觸不良的部件的電位取決于它與導(dǎo)體間的耦合電容，這樣，該部件與外殼或?qū)w間的微小間隙便會很快擊穿。多次放電不僅侵蝕觸頭彈簧，也產(chǎn)生金屬微粒、氟化鋁及其他雜質(zhì)等，最終會導(dǎo)致GIS的內(nèi)部閃絡(luò)。</p><p>　　對于50Hz或60Hz交流系統(tǒng)，這種故障的放電頻率為100次/s或120次/s，從設(shè)備的外部可以聽到“嗡嗡”聲，因而發(fā)現(xiàn)這類故障并不難。</p

53、><p>　?。?）絕緣子使用場強(qiáng)太高。GIS中絕緣子的使用場強(qiáng)是一個重要的設(shè)計參數(shù)。目前，環(huán)氧樹脂澆注絕緣子的使用場強(qiáng)可高達(dá)6kV/mm,而不致發(fā)生問題。如果使用場強(qiáng)高達(dá)10kV/mm，起初可能沒有局部放電現(xiàn)象，但運(yùn)行幾年后就可能會擊穿。</p><p>　?。?）插接式觸頭未完全插入觸座。如果插接式觸頭未完全插入觸座，可能會造成故障。一旦該出頭有問題，大多可能導(dǎo)致相對地?fù)舸?lt;/p&

54、gt;<p>　?。?）安裝和檢修工作中的錯誤。經(jīng)驗表明，GIS剛投入運(yùn)行就發(fā)生閃絡(luò)，很可能是因為安裝或檢修過程中工具遺留在GIS內(nèi)部或GIS未充入SF6氣體所致。因此，安裝和檢修過程重要多加小心。但是，改進(jìn)GIS的設(shè)計從而使現(xiàn)場安裝程序簡化、減少使用工具、延長檢修周期，也將有利于防止這類故障的發(fā)生。</p><p>　　（8）誤操作。在GIS運(yùn)行中，操作不當(dāng)引起的故障是多方面的，例如將接地刀閘合到

55、帶電相上，如果故障電流很大，即使是快速接地刀閘也會損壞。因此，出現(xiàn)這類誤操作后應(yīng)檢查一下觸頭，如果需要，應(yīng)更換某些部件。</p><p>　　低速接地刀閘開斷距離不夠或帶負(fù)荷拉閘，電弧可能持續(xù)到斷路器斷開為止。如果故障電流很大（10kA以上），損壞部件就不僅僅限于觸頭部分，而是整臺接地刀閘都需要更換或徹底維修。</p><p>　　所以為了避免誤操作，應(yīng)采取必要的連鎖裝置，在操作程序方面也

56、要特別小心。</p><p>　?。?）過電壓。雷電過電壓造成的閃絡(luò)常常發(fā)生在絕緣水平比較低的部件內(nèi)部和易于造成波反射而形成高電位的部件（如母線）內(nèi)部。GIS中隔離開關(guān)的操作也會產(chǎn)生操作過電壓，其波頭很陡。此外，直流累積電荷也是產(chǎn)生過電壓的因素。</p><p>　?。?0）災(zāi)難性故障?；馂?zāi)、地震等災(zāi)難也會給GIS的運(yùn)行帶來危害。例如變電站內(nèi)變壓器起火很容易使瓷套破碎和GIS的鋁外殼融化。

57、</p><p>　　總的看來，GIS產(chǎn)品無論是國內(nèi)的還是國外的，液壓機(jī)構(gòu)的滲油、氣動機(jī)構(gòu)的漏氣、內(nèi)部閃絡(luò)等故障幾率較高，從而構(gòu)成了GIS產(chǎn)品質(zhì)量的通病。</p><p>　　2.1.2 GIS的局部放電類型</p><p>　　局部放電，是由于電氣設(shè)備絕緣內(nèi)部存在的弱點(diǎn)，在一定外施電壓下發(fā)生局部的和重復(fù)的擊穿和熄滅現(xiàn)象。這種局部放電發(fā)生在一個或幾個很小的空間內(nèi)（如

58、電極表面突起附近或絕緣內(nèi)部的氣隙和氣泡）,放電的能量很小，雖然它的存在并不影響電氣設(shè)備的短視絕緣強(qiáng)度，但如果一個電氣設(shè)備在運(yùn)行電壓下存在局部放電，這些微弱的放電能量和由此產(chǎn)生的一些不良效應(yīng)，可以慢慢損壞絕緣，日積月累，最后會導(dǎo)致整個絕緣被擊穿，也就是說，一臺存在內(nèi)部弱點(diǎn)的電氣設(shè)備，盡管它通過了出廠時的工頻耐壓試驗，但在長期運(yùn)行中可能在正常電壓下發(fā)生擊穿。</p><p>　　GIS由于它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，局部放電的機(jī)率

59、高，根據(jù)放電過程中釋放能量的多少可劃分為火花放電、電暈放電和微粒放電。</p><p>　?。?）電弧放電[26]</p><p>　　GIS 中的電弧放電有兩種形式：一種是由斷路器開斷引起的電弧放電，其中心溫度可達(dá)20000攝氏度，電弧電流大小從幾十kA到幾百kA，放電能量取決于電弧電流大小,范圍為 105~107J。SF6在高溫電弧作用下分解產(chǎn)生等離子區(qū)，但隨著放電故障的消失復(fù)合率很高

60、。在水、金屬原子等雜質(zhì)影響下，分解反應(yīng)會進(jìn)一步發(fā)展，分解產(chǎn)物含量將會增加。此外，GIS 運(yùn)行故障也會引起電弧放電，主要表現(xiàn)在 GIS 主氣室內(nèi)發(fā)生短路故障時，除了不存在由于氣體流動引起的冷卻過程以及電極材料是鋁而不是銅合金外,和斷路器中的電弧放電非常類似，只是重復(fù)率明顯低于由斷路器開斷引起的電弧放電。在操作故障及其他故障存在時，將會產(chǎn)生大量的有毒分解氣體，由于鋁易融化和蒸發(fā)，故障過程中會放出大量熱量并生成微小的 AlF3顆粒。</

61、p><p>　　（2）火花放電[27,28]</p><p>　　火花放電是指持續(xù)時間很短（通常為級）的氣體間隙的容性放電，主要發(fā)生在一些開關(guān)裝置中。GIS中每次火花放電能量在10-1 ~102J之間?；鸹ǚ烹娡ǖ辣入娀⊥ǖ勒瑴囟确植几叨燃?。采用諧振試驗裝置對電力設(shè)備進(jìn)行耐壓試驗時，其能量儲存于電感和設(shè)備電容之中，這時試品的閃絡(luò)可歸屬于這類放電。SF6氣體絕緣設(shè)備中隔離開關(guān)操作時，當(dāng)出頭斷

62、開或合上瞬間，觸頭間產(chǎn)生的電弧也屬于此類，。除快速開關(guān)外，隔離開關(guān)中電弧持續(xù)時間通常為0.5~1.5s，因開關(guān)設(shè)計不同而異。操作過程中，隔離開關(guān)觸頭間電弧會出現(xiàn)多次重燃，每次重燃會持續(xù)幾十微秒。由于這種放電具有容性特點(diǎn)，因而每次重燃可算作一次火花放電。在典型的隔離開關(guān)操作工程中，放電釋放的能量可達(dá)500J。</p><p><b>　?。?）電暈放電</b></p><p

63、>　　在SF6絕緣設(shè)備中，如有某些部件處于懸浮電位，則會導(dǎo)致電場強(qiáng)度局部升高，進(jìn)而產(chǎn)生電暈放電。GIS中金屬雜質(zhì)和絕緣子中氣泡的存在都會導(dǎo)致電暈放電或局部放電的產(chǎn)生。局部放電使SF6氣體逐漸分解，大量的SF6氣體分解產(chǎn)物在設(shè)備內(nèi)部慢慢積累起來。局部放電的兩只通常用每個脈沖的pC值表示，每個脈沖所釋放的能量在范圍內(nèi)。因為局部放電是一個持續(xù)過程，因而SF6氣體分解產(chǎn)物的濃度是時間的函數(shù)。假如局部放電脈沖重復(fù)頻率為100Hz，在一段時間

64、內(nèi)總的放電能量可達(dá)40kJ，這樣在設(shè)備內(nèi)部會積累相當(dāng)可觀的SF6氣體分解物。</p><p><b>　?。?）微粒放電</b></p><p>　　在GIS的各種氣室中，由于制造、裝配、運(yùn)輸和安裝、調(diào)整等各個環(huán)節(jié)的種種因素，都可能使GIS各氣室中出現(xiàn)微塵顆粒；在GIS的每次開斷過程中由于電弧的作用也會分解出微小顆粒，如潤滑劑分解后的粘膠微粒、金屬和絕緣物分解成的金屬

65、微粒和固體微粒等。這些微粒在強(qiáng)電場作用下會形成放電通道。微粒放電已經(jīng)在事故校驗和實驗室中得到驗證。微粒放電的存在，唯一的是對GIS的20年免檢修和5000次操作壽命的保證提出的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，對于微粒放電的特點(diǎn)，有待于深入的探討和研究。綜上所述，GIS中放電形式[29]及其特點(diǎn)如表2-1</p><p>　　表2-1 GIS中放電形式及其特點(diǎn)</p><p>　　GIS絕緣故障物理模型的構(gòu)建&l

66、t;/p><p>　　隨著GIS運(yùn)行年限的延長，因其內(nèi)異物碎屑在開關(guān)操作震動和靜電力作用下的移動或是絕緣的老化等可能產(chǎn)生局部的放電現(xiàn)象。據(jù)報道，GIS 中各種缺陷在運(yùn)行中導(dǎo)致的故障分布情況如圖2-1所示[30]。</p><p>　　其中，自由導(dǎo)電顆?；蛲鈦懋愇锂a(chǎn)生的故障占20%，這些微粒異物可能是制造或裝配過程中未清洗干凈而產(chǎn)生的遺留物，也可能是機(jī)械裝置動作過程中金屬磨擦而產(chǎn)生的金屬粉末，再

67、有是現(xiàn)場試驗后產(chǎn)生的，如觸頭磨損、屏蔽罩松動等。在電場力或機(jī)械振動作用下，異物會在GIS中移動，如果沒有設(shè)陷阱，異物將可能移動到絕緣子表面，在VFTO（英文全稱：Very Fast Transient Overvoltage中文：特快速暫態(tài)過電壓[31]。由氣體絕緣變電站開關(guān)操作產(chǎn)生的一種陡波前過電壓，它的直接入侵會對變壓器繞組的縱絕緣造成極大危害。隔離開關(guān)觸頭運(yùn)動速度較低，一次操作過程中有可能發(fā)生數(shù)十次甚至數(shù)百次重?fù)舸┻^程。類似的特快

68、速瞬態(tài)過程也可在GIS隔離開關(guān)合小電容電流時產(chǎn)生。 VFTO一般不超過2.0p.u.，有的可達(dá)</p><p>　　圖2-1各種缺陷引發(fā) GIS 故障的比例</p><p>　　2.5p.u.，極少達(dá)到3.0 p.u.）作用下引發(fā)擊穿；因接觸不良而產(chǎn)生的故障占總故障的29%，常在安裝后出現(xiàn)，而且在現(xiàn)場測試或絕緣診斷中無法發(fā)現(xiàn)，但在運(yùn)行中會隨電弧作用、觸頭燒損和金屬顆粒放電逐漸發(fā)展成故障；由

69、于潮濕引起的故障占7%，目前尚無法用PD在線檢測和故障診斷技術(shù)來探測該類型故障。此類故障常產(chǎn)生于正常操作條件下，在GIS裝配時控制濕度可防止該類事故發(fā)生；由于屏蔽罩或電接觸產(chǎn)生的故障占18%，這種缺陷并不常在安裝后立即出現(xiàn)，而是隨運(yùn)行時間的延續(xù)而發(fā)展（如短路電流或斷路器操作的振動作用），最終威脅GIS設(shè)備的絕緣性能；因高壓導(dǎo)體上的尖刺導(dǎo)致的故障占5%，由于現(xiàn)場試驗包括雷電沖擊或PD測量，該故障率相對較低；因隔離開關(guān)操作引起的絕緣配合故障

70、常出現(xiàn)在420kV以上的電壓等級中，占總故障的10%，IEC1259新標(biāo)準(zhǔn)的制定將使這種故障不再出現(xiàn)。絕緣子上發(fā)生的擊穿平均約占故障總數(shù)的10%，這種類型的故障在不同的運(yùn)行單位出現(xiàn)的次數(shù)出入很大，相對較多的是由于早期的125kVGIS絕緣子空穴問題造成的?，F(xiàn)在由于制造質(zhì)量的提高，絕緣子故障已降低到5%以下。</p><p>　　根據(jù)GIS設(shè)備絕緣缺陷放電形式和特點(diǎn)，設(shè)計了4種GIS模擬裝置內(nèi)PD物理模型：①金屬突

71、出物缺陷；②自由金屬微粒缺陷；③絕緣子表面固定金屬微粒缺陷：④氣隙缺陷。各種缺現(xiàn)在GIS內(nèi)部的示意如圖2-2[32]。</p><p>　　目前應(yīng)用廣泛應(yīng)用的 110kV GIS 裝置，其外殼多采用不銹鋼材料，高壓導(dǎo)電桿為鋁，盆式絕緣子為環(huán)氧樹脂，一些開關(guān)類的金屬部件多采用黃銅。為了更為真實的模擬 GIS 絕緣缺陷 PD 故障，本文所設(shè)計的絕緣缺陷物理模型金屬材料采用不銹鋼、鋁和黃銅，固體絕緣材料采用環(huán)氧樹脂。&

72、lt;/p><p>　　圖2-2 GIS內(nèi)部絕緣缺陷類型示意圖</p><p>　　2.2.1高壓導(dǎo)體突出物</p><p>　　高壓導(dǎo)體突出物絕緣缺陷，簡稱N（Needle）類缺陷。指GIS在裝配過程中留下的焊疤或較大的毛刺等，在凈化試驗中無法清除，便在氣室內(nèi)留下異常突起點(diǎn)。此類缺陷危害較大，在穩(wěn)態(tài)交流電壓下，其突出部位分布在電場中形成局部高場強(qiáng)區(qū)，當(dāng)局部電場強(qiáng)度大于

73、氣體的絕緣強(qiáng)度時，就會引發(fā)PD。由于放電只是發(fā)生在局部區(qū)域而沒有貫穿整個電極之間，因此這種電暈有時顯得較為穩(wěn)定。本文采用針-板電極模擬N類缺陷，如圖2-3所示，針電極用以模擬高壓導(dǎo)體上的異常突起點(diǎn)，板電極模擬GIS金屬外殼。為了得到穩(wěn)定的PD，設(shè)計針尖端部曲率半徑約為0.3mm，錐尖角30°，接地板電極直徑為120mm、厚度為10mm的Bruce電極。針電極與地電極材料分別為鋁和不銹鋼，電極表面均進(jìn)行良好的拋光處理。</

74、p><p>　　圖2-3 N類絕緣缺陷模型圖 圖2-4 N類缺陷實物圖</p><p>　　2.2.2自由導(dǎo)電微粒</p><p>　　自由導(dǎo)電微粒絕緣缺陷，簡稱P（Particle）類缺陷，是SF6氣體絕緣裝置中最常見的絕緣缺陷，是導(dǎo)致GIS絕緣故障的主要原因。導(dǎo)電微粒的形狀有粉末狀、片狀或大尺寸固體顆粒等，它們在電場作用下獲得電荷并受靜電力

75、的作用發(fā)生跳動或位移。如果電場足夠強(qiáng)，導(dǎo)電微粒獲得的能量足夠大，就完全有可能越過外殼和高壓導(dǎo)體之間的間隙或移動到有損絕緣的地方。導(dǎo)電微粒運(yùn)動的程度既取決于材料、形狀和外施電壓高低，又取決外電場的強(qiáng)度和作用時間以及微粒在GIS腔體內(nèi)所處的位置等因素。當(dāng)金屬微粒接近而未接觸到高壓導(dǎo)體時，最容易表現(xiàn)的電氣特征是產(chǎn)生PD。</p><p>　　實際GIS設(shè)備一半采用帶電體和外殼之間使用同軸圓柱體的結(jié)構(gòu)，即稍不均勻電場結(jié)構(gòu)

76、。為了使電場盡量均勻、耐受電壓高，通常選擇外殼直徑與帶電體直徑之比e=2.718倍的設(shè)計，如圖2-5所示。為了有效模擬真實GIS內(nèi)部同軸圓柱體稍不均勻電場結(jié)構(gòu)，本文選用如圖2-6所示的球-碗電極，上下電極直徑比例約為1:2.7，碗電極由不銹鋼空心球體進(jìn)行二分之一切割得到。作者采用微小尺寸的金屬銅屑模擬自由導(dǎo)電微粒，并考慮到銅屑在強(qiáng)電場下，會發(fā)生無規(guī)則跳動，為保證PD實驗持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行，有必要對金屬銅屑的跳動范圍進(jìn)行限制。設(shè)計高壓端球電極直

77、徑為44mm，接地碗口徑為120mm，微粒最大跳動范圍可至40mm。</p><p>　　圖2-5 GIS絕緣結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖2-6 P類絕緣缺陷類型圖 圖2-7 P類絕緣缺陷實物圖</p><p>　　2.2.3 絕緣子表面金屬污染</p><p>　　絕緣子金屬污染絕緣缺陷，簡稱 M（Metal）類缺

78、陷，是指 GIS 氣室內(nèi)不可避免殘留的金屬微粒受靜電力作用吸附于盆式絕緣子上，使盆式絕緣子表面電場發(fā)生畸變，從而引起 PD。絕緣子表面吸附的固體金屬微粒，在某些情況下會長期地固定在絕緣子表面，作用類似于金屬突起物，但具有以下幾個不同特征：</p><p>　　(1) 絕緣子上有些金屬微?？赡芷鸪醪⒉晃ｋU，但在機(jī)械振動和靜電力作用下會有輕微的運(yùn)動，并最終朝著危險的方向發(fā)展；</p><p>

79、　　(2) 絕緣子表面的金屬微粒會形成表面電荷聚集，從而加大了故障的可能性；</p><p>　　(3) 微粒放電會導(dǎo)致絕緣子表面損傷，在工頻場下產(chǎn)生表面樹痕，一旦形成放電通道，即會引發(fā)嚴(yán)重的絕緣事故。本文針對實際檢修時發(fā)現(xiàn)的盆式絕緣子表面金屬污染的特征，并考慮模擬試驗的穩(wěn)定性和規(guī)律性，采用圓柱形絕緣子表面粘貼一定尺寸長方形(5×18mm)的銅屑模擬 M 類絕緣缺陷，上下電極與圓柱形絕緣子的接觸面拋光沾

80、接，以避免接觸面可能出現(xiàn)氣隙放電。模型結(jié)構(gòu)如圖2-8所示，上下板電極采用上述的Bruce 電極，極板直徑為 120mm，高壓端電極材料為鋁，接地板電極材料為不銹鋼，圓柱形絕緣子直徑為 60mm，厚 25mm，材料為環(huán)氧樹脂。</p><p>　　圖 2-8 M 類絕緣缺陷模型 圖 2-9 M 類絕緣缺陷實物圖</p><p>　　2.2.4 絕緣子外氣隙</p>

81、<p>　　氣隙缺陷主要包括絕緣子外氣隙缺陷（External Gap，簡稱GE類缺陷）和絕緣子內(nèi)部氣隙缺陷（Internal Gap，簡稱 GI類缺陷）。G 類缺陷常常是在制造過程中形成但又難以檢測到的缺陷，如環(huán)氧樹脂在固化過程中的收縮、環(huán)氧樹脂和金屬電極熱膨脹系數(shù)不同而導(dǎo)致的內(nèi)部空隙和層離以及裝配誤差使得導(dǎo)體的機(jī)械運(yùn)動產(chǎn)生的氣隙缺陷。氣隙放電的機(jī)理比較復(fù)雜，一般認(rèn)為氣隙中的放電可能有三種途徑：一是貫穿性放電；二是沿氣隙

82、上下底面的沿面放電；三是沿氣隙壁的表面放電。另外，也有可能存在著多個氣隙放電的相互影響，相互疊加，此時放電機(jī)理更為復(fù)雜。本文 GE類缺陷模型如圖 2-10 所示，圓柱形絕緣子與接地電極采用環(huán)氧樹脂膠緊密黏貼，確保兩者之前沒有縫隙或氣泡存在，高壓板電極與絕緣子上表面交界處氣隙大小約 1~3mm，極板電極結(jié)構(gòu)和材料同 M 類缺陷。為了反映真實的氣隙情況，絕緣子上表面中心處略微內(nèi)凹，氣隙邊緣呈弧線形。</p><p>

83、　　圖 2-10 GE類絕緣缺陷模型 圖 2-11 GE類絕緣缺陷實物圖</p><p>　　GIS絕緣故障物理模型的仿真</p><p>　　本文采用ANSYS有限元分析對四種絕緣缺陷模型的電場分布進(jìn)行仿真分析，參照仿真結(jié)果評估模型的可行性，為下面的PD試驗提供初步的數(shù)據(jù)參考。仿真中用圓柱腔體來模擬SF6放電氣室，計算區(qū)域仿照實際氣室大小設(shè)置，求解域設(shè)為SF6，

84、邊界條件為接地，仿真模型的具體技術(shù)參數(shù)和各部分材料的相對介電常數(shù)如表2-2、表2-3</p><p>　　表2-2 模型技術(shù)參數(shù)</p><p>　　表2-3 各部分材料的相對介電常數(shù)</p><p>　　2.3.1 N 類絕緣缺陷</p><p>　　圖 2-12 為 N 類絕緣缺陷的仿真模型，高壓端針電極電位設(shè)為 25kV，板電極同腔

85、體外殼邊界設(shè)為接地，針-板間距設(shè)為 10mm。N 類絕緣缺陷的電場仿真結(jié)果如圖 2-13 所示，可知針-板間電場分布極不均勻，針電極尖端部位電場值較高。由圖 2.13b 針電極上的電場分布曲線可知，針電極尖端處電場畸變最為嚴(yán)重，場強(qiáng)達(dá)35.54kV/cm。由仿真結(jié)果分析，N 類絕緣缺陷外施電壓在 20kV 以內(nèi)，針電極尖端處便會發(fā)生氣體局部擊穿現(xiàn)象。</p><p>　　圖2-12 N類絕緣缺陷仿真模型</

86、p><p>　　圖2-13 N類絕緣缺陷仿真輸出</p><p>　　2.3.2 P 類絕緣缺陷</p><p>　　圖2-14 為 P 類絕緣缺陷仿真模型，高壓端球電極電位設(shè)為 30kV，碗電極同腔體外殼電位邊界設(shè)為接地，球-碗間距設(shè)為 38mm，碗電極內(nèi)放置直徑約為 2mm 的金屬微粒，對懸浮微粒的處理采用虛擬大介電常數(shù)法。P 類絕緣缺陷的電場仿真結(jié)果如圖 2-1

87、5 所示，金屬微粒導(dǎo)致極間電場發(fā)生畸變，當(dāng)電場力大于金屬微粒的重力時，微粒在電場力的作用下會產(chǎn)生移動甚至跳躍。由仿真結(jié)果可知，高壓端附近的金屬微粒表面電場值較高，處于碗電極底部的金屬微粒表面電場很低。由仿真圖可以看出，靠近高壓端的金屬微粒表面電場畸變嚴(yán)重，由仿真結(jié)果分析，當(dāng)微粒在電場力的作用下發(fā)生跳躍并接近高壓導(dǎo)體時，起跳微粒會首先發(fā)生 PD。</p><p>　　圖2-14 P類絕緣缺陷仿真模型</p&

88、gt;<p>　　圖2-15 P類絕緣缺陷仿真輸出</p><p>　　2.3.3 M類絕緣缺陷</p><p>　　圖 2-16 為 M 類絕緣缺陷仿真模型，高壓端板電極電位設(shè)為 30kV，下板電極同腔體外殼邊界設(shè)為接地，圓柱形絕緣子厚度 設(shè)為 25mm，其表面粘貼范圍約為5×18mm 的金屬銅屑。M 類缺陷電場仿真結(jié)果如圖2-17 所示，絕緣子表面金屬污染物所

89、在處電場發(fā)生了畸變，形成極不均勻場，最高場強(qiáng)達(dá) 69.09kV/cm，而絕緣子其它部位電場相對均勻。由仿真結(jié)果分析，在絕緣子閃絡(luò)之前，絕緣子表面金屬污染會首先引發(fā) PD。</p><p>　　圖2-16 M類絕緣缺陷仿真模型</p><p>　　圖2-17 M類絕緣缺陷仿真輸出</p><p>　　2.3.4 GE類絕緣缺陷</p><p&g

90、t;　　圖 2-18 為 GE類絕緣缺陷仿真模型，高壓板電極電位設(shè)為 40kV，下板電極同腔體外殼邊界設(shè)為接地，絕緣子上表面中心略微凹陷，平均厚度為 20mm，與高壓板電極之間呈弧線形氣隙，氣隙最大處為 2mm。GE類絕緣缺陷電場電場仿真結(jié)果如圖 2-19 所示，高場強(qiáng)區(qū)主要集中在高壓導(dǎo)體與絕緣子氣隙拐角處，最高場強(qiáng)為23.83kV/cm。從仿真結(jié)果分析，GE類絕緣缺陷起始放電在外施電壓在 20kV以上，氣隙就有可能引發(fā) PD。<

91、/p><p>　　圖2-18 GE類絕緣缺陷仿真模型</p><p>　　圖2-19 GE類絕緣缺陷仿真輸出</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　?。?）本章先對GIS內(nèi)絕緣故障的類型和成因進(jìn)行了闡述和分析，然后將GIS內(nèi)局部放電故障劃分為四種放電形式：電弧放電、火花放電、電暈放電和微粒放電；&l

92、t;/p><p>　?。?）通過對內(nèi)部局部放電形式的歸納構(gòu)建了四種絕緣缺陷模型，然后ANSYS軟件對四種局部放電類型進(jìn)行仿真計算。仿真結(jié)果表明，四種絕緣缺陷均在預(yù)定部位產(chǎn)生了嚴(yán)重的電場畸變，在接受的電壓與之內(nèi)，缺陷處會首先引發(fā)PD。</p><p>　　GIS絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)的方案</p><p><b>　　GIS在線監(jiān)測方法</b></p

93、><p>　　近幾年電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展，對電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測日益重要。關(guān)注電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)可及時安排設(shè)備檢修，避免出現(xiàn)故障，造成損失。局部放電檢測是電力設(shè)備，監(jiān)測重要手段之一，其明顯優(yōu)于電力其他狀態(tài)檢測方法[33,34]。局部放電與電力設(shè)備的可靠性緊密相連，長期以來是眾多研究者的研究重點(diǎn)，其中包括局部放電檢測，識別和定位，以及風(fēng)險評估[35]。目前用于局部放電檢測的方法有很多種，包括超聲波法[36]、脈沖電流法[3

94、7]、寬帶脈沖電流法[38]、特高頻法[39]、光學(xué)法[40]等。下面我們來介紹一下幾種檢測GIS常用的方法。</p><p>　　3.1.1脈沖電流(ERA)法</p><p>　　每一次局部放電都發(fā)生正負(fù)電荷中和,伴隨有一個陡的電流脈沖,測量此脈沖電流的方法稱為脈沖電流法,該方法通過測量阻抗在耦合電容側(cè)或通過Rogowski 線圈從電力設(shè)備的中性點(diǎn)或接地點(diǎn)測取局部放電所引起的脈沖電流,

95、獲得視在放電量、放電相位等放電信息。檢測變壓器局部放電脈沖的電流傳感器通常用Rogowski 線圈制成。與非電測量方法相比,脈沖電流法具有不少優(yōu)點(diǎn): ①放電電流脈沖信息含量豐富; ②對于突變信號反應(yīng)靈敏,易于準(zhǔn)確及時地發(fā)現(xiàn)故障; ③具有較有效的校準(zhǔn)方法、易于定量,因而得到廣泛的應(yīng)用。IEC 對此制定了專門的標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　脈沖電流法是檢測局部放電最常用的方法,也是目前唯一具有國際標(biāo)準(zhǔn)(IEC 6027

96、0)的定量檢測方法，該方法通過測量局部放電所產(chǎn)生的脈沖電流在檢測阻抗兩端響應(yīng)的脈沖電壓進(jìn)行檢測,其特點(diǎn)是可以在很寬的頻率范圍內(nèi)保持良好的傳輸特性，并具有靈敏度高、放電量可以標(biāo)定等諸多優(yōu)點(diǎn).然而研究表明[41]脈沖電流法雖然是國際上公認(rèn)的檢測局放的手段, 但因其只能檢測試品的視在放電量, 對試品元件內(nèi)的實際局放量無法進(jìn)行直接測量, 而對產(chǎn)品絕緣材料造成老化的主要原因是元件內(nèi)的實際局放量; 再就是其檢測靈敏度隨著試品電容增加而下降等, 使得

97、對局放檢測工作本意而言, 脈沖電流法也并非是一種最理想的檢測手段。同時缺點(diǎn)還有測量頻率較低、易受電磁干擾、無法有效適用于現(xiàn)場檢測等。所以在現(xiàn)代在線監(jiān)測領(lǐng)域內(nèi)已逐漸被淘汰。</p><p>　　3.1.2超聲波檢測法</p><p>　　傳統(tǒng)的脈沖電流法檢測局放時, 其靈敏度隨著電氣設(shè)備電容的增加而下降, 有時甚至下降到無法進(jìn)行檢測。在這種情況下, 一種新型的檢測手段出現(xiàn)了,即超聲波法。超聲

98、波法由于其具有對試驗電源、環(huán)境的要求相對較低, 其檢測靈敏度也不隨著試品電容的變化而變化等優(yōu)點(diǎn), 所以在大容量電氣設(shè)備局放檢測中得到了廣泛應(yīng)用。</p><p>　　超聲波信號頻率通常為20kHz以上至數(shù)百kHz。當(dāng)放生局部放電時，絕緣薄弱點(diǎn)分子的激烈撞擊發(fā)出聲波，隨著放電的發(fā)展，伴隨著爆裂狀的聲發(fā)射，產(chǎn)生超聲波，且很快向四周介質(zhì)傳播，此時放電源如同一個聲源，向外發(fā)出超聲信號平[42]。其工作原理是：當(dāng)電氣設(shè)備內(nèi)

99、部發(fā)生局部放電時，在放電處產(chǎn)生超聲波向四周傳播，一直達(dá)到電氣設(shè)備容器的表面。在設(shè)備外壁裝上壓電元件，在超聲波作用下，壓電元件兩個端面上產(chǎn)生交變的束縛電荷，引起端部金屬電極上電荷變化或在外回路上產(chǎn)生交變電流。因此，可以檢測此電信號來判斷設(shè)備內(nèi)部是否發(fā)生局放。同時在箱壁上不同位置安裝多個超聲波傳感器，并比較分析各信號的時延可實現(xiàn)局部放電源的定位。</p><p>　　超聲波探測器檢測的特點(diǎn)是抗干擾性較強(qiáng)、使用方便，可

100、以在運(yùn)行中和耐壓試驗時檢測絕緣內(nèi)部的放電，傳感器與設(shè)備的電氣回路無任何聯(lián)系，而且便于故障定位。但是，由于局部放電發(fā)生時產(chǎn)生超聲波的能量僅占總能量的1%，且超聲波在變壓器內(nèi)部的傳播路徑復(fù)雜以及聲波的折反射導(dǎo)致能量的損失，以及光信號與電信號的轉(zhuǎn)換效率等問題，該方法的靈敏度低，目前一般所能到達(dá)的精度為幾百pC。 </p><p>　　3.1.3特高頻（UHF）檢測</p><p>　　局部放電是

101、絕緣缺陷處的局部擊穿， 在放電的同時會產(chǎn)生一個前沿很陡的脈沖電流， 并以電磁波的形式輻射。局部放電的擊穿過程越快，脈沖電流的前沿陡度越大，則輻射電磁波的頻率越高。當(dāng)GIS 內(nèi)部產(chǎn)生局部放電時，所產(chǎn)生的UHF 電磁波沿GIS 的管體向遠(yuǎn)處傳播。GIS 的管體結(jié)構(gòu)類似于波導(dǎo)，UHF電磁在傳播時的衰減較小， 因此能傳播較長的距離。實踐證明， 空氣中的電暈放電所產(chǎn)生的脈沖電流具有較低的前沿陡度，能產(chǎn)生頻率較低（100 MHz以下）的電磁暫態(tài)分量

102、。相比之下，SF6氣體中局部放電所產(chǎn)生的脈沖電流具有非常高的陡度， 所產(chǎn)生的電磁暫態(tài)的頻率甚至高達(dá)1 GHz 以上。當(dāng)UHF信號在空氣中傳播時，其強(qiáng)度衰減很快。即使GIS設(shè)備鄰近存在其他UHF 干擾源，影響范圍也較小，不會對遠(yuǎn)處的局部放電測量產(chǎn)生干擾。因此，基于特高頻UHF傳感的局部放電檢測儀一般能對UHF（0.5～1.5GHz）頻段的局部放電作出比較靈敏的反應(yīng)，實現(xiàn)局部放電檢測并有效排除電暈放電的干擾，能獲得較高的信噪比。</p

103、><p>　　UHF檢測法利用裝設(shè)在GIS內(nèi)部或外部的天線傳感器接受局部放電激發(fā)并傳播的300~3000MHz頻段的UHF信號進(jìn)行檢測和分析。該方法具有檢測頻段高，具有良好的抗干擾能力、檢測頻帶寬、檢測靈敏度高、可用于故障源定位和故障類型識別等優(yōu)點(diǎn)。但該方法目前還無法確定設(shè)備內(nèi)部故障的視在放電量，而對于檢測設(shè)備的局部放電而言，視在放電量卻是設(shè)備絕緣狀況的一項重要標(biāo)準(zhǔn)。所以，在GIS絕緣在線監(jiān)測上具有一定的局限性。&l

104、t;/p><p>　　3.1.4分析SF6分解物檢測法</p><p>　　隨著現(xiàn)代測試分析技術(shù)的發(fā)展,使得通過測試SF6氣體分解產(chǎn)物的類型和含量來診斷設(shè)備內(nèi)部是否存在故障,并對放電的類型進(jìn)行模式識別,進(jìn)而對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷和評估成為可能。國內(nèi)外大量研究表明[43-46] , 當(dāng)SF6設(shè)備中發(fā)生絕緣故障時, 放電產(chǎn)生的高溫電弧使SF6 氣體發(fā)生分解反應(yīng), 生成SF4、SF3、SF2、和S2

105、F10等多種低氟硫化物。如果是純凈的SF6氣體, 上述分解物將隨著溫度降低會很快復(fù)合、還原為SF6氣體。實際上使用中的SF6氣體總含有一定量的空氣、水分, 由于上述分解生成的多種低氟硫化物很活潑,當(dāng)GIS設(shè)備發(fā)生絕緣故障時，上述分解生成的各種低氟硫化物即與SF6 氣體中的微量水分和氧氣等其他雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成CF4、HF、SOF2、SO2、SO2F10等多種穩(wěn)定組分[47,48]（如圖3-2[49]）。由于SF6分解物與水分結(jié)合生成的H

106、F和H2SO3、SO2等化合物, 均對設(shè)備內(nèi)其他絕緣及金屬材料有強(qiáng)腐蝕作用, 進(jìn)而加速絕緣劣化, 最終導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生突發(fā)性故障。所以檢測SF6在局部放電情況下的氣體分解物就顯得尤為重要。</p><p>　　(1) 氣相色譜法[50]</p><p>　　色譜法是一種重要的分離分析方法, 它是利用不同物質(zhì)在兩相中具有不同的分配系數(shù)(或吸附系數(shù)、滲透性) , 當(dāng)兩相作相對運(yùn)動時, 這些物質(zhì)在兩

107、相中進(jìn)行多次反復(fù)分配而實現(xiàn)分離。經(jīng)過檢測器和記錄器, 這些被分開的組分成為一個個的色譜峰。氣相色譜儀可以同時檢測其體積分?jǐn)?shù)低至 10-6 級的CF4、SF6、SO2F2、SOF2、SO2、H2O 等氣體組分。目前, 氣相色譜法是目前國內(nèi)外用于SF6放電分解氣體組分檢測的最常用方法, 也是IEC60480-2004 和GB/T 18867-2002 共同推薦的檢測方法。它具有檢測組分多、檢測靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。但是同時它也存在取樣和分析過程中