氣體絕緣開關(guān)設(shè)備特性與在線監(jiān)測原理

吳忠平

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司隨州供電公司，湖北 隨州 441399）

0 引 言

隨著我國智能化變電站建設(shè)的快速發(fā)展，智能化技術(shù)也得到了不斷提升[1-2]。與傳統(tǒng)變電站相比，智能化變電站的一次設(shè)備與二次設(shè)備密不可分[3]。為了更好地監(jiān)測和保護(hù)一次設(shè)備，增加相應(yīng)的監(jiān)測和保護(hù)裝置已成為重要趨勢[4]。

氣體絕緣開關(guān)設(shè)備是一種將變壓器、架空線之外的其他一次設(shè)備，如斷路器、接地開關(guān)、接地開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、避雷器、母線以及套管等，密封于金屬殼內(nèi)的電氣設(shè)備。它具有較高的絕緣強(qiáng)度和可靠性[5]。氣體絕緣開關(guān)設(shè)備具有體積小、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、檢修周期長等特點，已經(jīng)得到了電力行業(yè)的認(rèn)可，設(shè)備裝機(jī)容量逐年增長。

隨著通信技術(shù)、自動化技術(shù)、傳感器技術(shù)以及微處理器技術(shù)等的快速發(fā)展，可以運(yùn)用這些技術(shù)實時監(jiān)測和評價氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)[6]。通過科學(xué)的判斷方法，能夠及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常情況，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理，防止發(fā)生嚴(yán)重故障。當(dāng)氣體絕緣開關(guān)設(shè)備發(fā)生故障時，可以通過保存的數(shù)據(jù)記錄，判斷事故發(fā)生的原因[7]。通過在線實時監(jiān)測氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的一些重點狀態(tài)變量，能夠獲得設(shè)備的老化狀態(tài)，從而及時采取措施處理異常情況。

1 氣體絕緣開關(guān)設(shè)備特性

氣體絕緣開關(guān)是一種將變電站的各類電氣設(shè)備全部組裝在一起，并位于一個密封的金屬容器中的設(shè)備。通常情況下，該金屬容器中充入了SF6氣體，其氣壓保持在0.4～0.5 MPa。這種氣體能夠確保金屬容器內(nèi)的各電氣設(shè)備之間絕緣，同時確保各設(shè)備與金屬容器機(jī)殼之間絕緣。

與敞開式的高壓設(shè)備相比，氣體絕緣開關(guān)設(shè)備具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、故障率低、維護(hù)周期長以及內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)定等優(yōu)點。在常溫狀態(tài)下，SF6化學(xué)性能較為穩(wěn)定，具有高絕緣強(qiáng)度特性，且負(fù)電性強(qiáng)。此外，SF6不易發(fā)生電離，具有較強(qiáng)的滅弧能力。在溫度較高時，SF6會發(fā)生分解反應(yīng)并吸收熱量，有助于降低氣體絕緣開關(guān)設(shè)備內(nèi)部的溫度。SF6分解后的氣體同樣具有較高的絕緣強(qiáng)度，能夠保證設(shè)備的正常運(yùn)行。不僅如此，SF6還具有液化溫度低的優(yōu)點，很少發(fā)生液化現(xiàn)象，性能穩(wěn)定。

氣體絕緣開關(guān)設(shè)備雖然具備優(yōu)良的絕緣性、密封性以及穩(wěn)定性，但是仍存在一些問題。首先，在向氣體絕緣開關(guān)設(shè)備中充入SF6氣體時，由于技術(shù)或設(shè)備等問題，可能會將一定的水分帶入設(shè)備，導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部各類電氣設(shè)備之間的絕緣強(qiáng)度降低，對設(shè)備的正常運(yùn)行產(chǎn)生負(fù)面影響。其次，在安裝氣體絕緣開關(guān)設(shè)備時，作業(yè)環(huán)境中可能存在粉塵、顆粒、雜質(zhì)等物質(zhì)。如果這些物質(zhì)被帶入設(shè)備內(nèi)部，不僅會導(dǎo)致絕緣強(qiáng)度降低，而且容易引起局部發(fā)電，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致絕緣擊穿。最后，氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，制造困難，成本高。一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，維修過程可能較為困難，維修成本也相對較高。

隨著在線監(jiān)測技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，可通過在線監(jiān)測實時監(jiān)控氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的異常。可在線監(jiān)測的量包括：設(shè)備外殼振動信號、設(shè)備內(nèi)部氣體壓力信號、溫度信號、氣體密度信號以及局部放電信號等。

2 氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的在線監(jiān)測范圍

2.1 SF6氣體密度

經(jīng)過調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)70%～80%的氣體絕緣開關(guān)設(shè)備故障均來源于氣體密封性能變差和開關(guān)的閉合性能變差。氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的絕緣強(qiáng)度與其內(nèi)部氣體壓力密切相關(guān)。如果設(shè)備的密封性能變差，水分子會慢慢滲透到設(shè)備內(nèi)部，由于水分子比SF6的氣體分子小，因此會降低設(shè)備的絕緣性能。

為監(jiān)測氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)，通常會使用密度繼電器來檢測設(shè)備內(nèi)SF6氣體的密度。該密度繼電器應(yīng)具備遠(yuǎn)傳功能，以便及時獲取設(shè)備內(nèi)部的氣體狀態(tài)信息。

此外，通過檢測SF6氣體中的微水含量，也可以評估氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的絕緣強(qiáng)度。這種方法可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備可能存在的問題，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行維護(hù)和修復(fù)。

2.2 局部放電

當(dāng)氣體絕緣開關(guān)設(shè)備內(nèi)部存在局部放電時，會導(dǎo)致氣體絕緣性能變差。因此，需要采取化學(xué)法、超高頻脈沖法等方法檢測局部放電。

氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的可靠性很高，維修周期較長，一般維修周期大于20年。因此，在該設(shè)備前期投入運(yùn)行階段，其可靠性較高，此時可不進(jìn)行局部放電檢測。

考慮到局部放電傳感器的使用壽命約為10年，并且局部放電傳感器存放在氣體絕緣開關(guān)設(shè)備內(nèi)部，更換較為困難。因此，綜合考慮氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的維修周期與局部放電傳感器的壽命，可以在氣體絕緣開關(guān)設(shè)備投入運(yùn)行10年左右再進(jìn)行局部放電在線監(jiān)測。這樣可以確保設(shè)備在正常運(yùn)行期間得到及時監(jiān)測，并提前發(fā)現(xiàn)潛在問題，采取相應(yīng)措施進(jìn)行維護(hù)。

2.3 外殼振動

氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的外殼由于受到了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，磁致伸縮現(xiàn)象的影響，會產(chǎn)生頻率為100Hz的固定振動。但是一旦設(shè)備出現(xiàn)故障，該振動頻率將會出現(xiàn)明顯變化。因此，實時在線監(jiān)測氣體絕緣開關(guān)設(shè)備外殼的振動十分重要。

當(dāng)存在絕緣故障時，設(shè)備內(nèi)將產(chǎn)生超聲波，此時外殼振動的頻率為2～20 kHz。該振動信號的重復(fù)性強(qiáng)。

當(dāng)氣體中存在金屬顆粒時，受到電磁場作用，該金屬顆粒將不斷撞擊外殼，引起振動，該振動頻率為2～10 kHz。該振動信號是不可重復(fù)的，隨機(jī)性強(qiáng)。

當(dāng)設(shè)備進(jìn)行開合閘操作時，也會導(dǎo)致設(shè)備機(jī)殼產(chǎn)生振動，該振動信號的頻率為100～1 000 Hz，這類振動信號的持續(xù)時間短。

當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)接地故障時，接地線上流過較大電流，該電流將導(dǎo)致機(jī)殼振動，該振動信號的頻率為100～300 Hz。

當(dāng)設(shè)備內(nèi)部裝置受到復(fù)雜電磁場的影響，可能會與設(shè)備外殼發(fā)生共振現(xiàn)象，該振動信號的頻率與工頻無關(guān)，但是噪聲較大，振動幅度強(qiáng)。

2.4 氣體壓力與溫度

氣體絕緣開關(guān)設(shè)備內(nèi)部的氣體壓力與該設(shè)備的密封性密切相關(guān)，一旦出現(xiàn)氣體泄漏故障，設(shè)備內(nèi)部的氣體壓力將逐漸減小，趨近于大氣壓。在氣體絕緣開關(guān)設(shè)備投入運(yùn)行時，要求氣體泄漏率每年不大于0.5%。

氣體的壓力與溫度息息相關(guān)，檢測到設(shè)備內(nèi)部的氣體壓力變小，可能是設(shè)備泄漏導(dǎo)致，也可能是溫度下降導(dǎo)致的，因此需在設(shè)備內(nèi)部安裝溫度傳感器，檢測溫度信息。

3 氣體絕緣開關(guān)設(shè)備在線監(jiān)測方法

針對氣體絕緣開關(guān)設(shè)備存在的問題，提出幾種在線實時監(jiān)測其絕緣能力的方法，包括超聲波監(jiān)測法、化學(xué)檢測法、電解法、超高頻法以及露點法。

3.1 超聲波監(jiān)測法

超聲波監(jiān)測主要是針對局部放電問題設(shè)計的。當(dāng)氣體絕緣開關(guān)設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局部放電時，會伴隨產(chǎn)生超聲波信號。因此，可以在氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的外殼上安裝超聲波傳感器，用于監(jiān)測局部放電情況。

該方法可以簡單、快捷地檢測氣體絕緣開關(guān)設(shè)備是否存在局部放電問題，但是其檢測結(jié)果具有定量分析困難的問題。此外，該方法對于部分局部放電現(xiàn)象不敏感，具有靈敏度低的缺點。

在應(yīng)用超聲波監(jiān)測方法時，需要綜合考慮其優(yōu)缺點，并結(jié)合其他監(jiān)測方法進(jìn)行綜合分析和判斷，以確保及時發(fā)現(xiàn)并解決氣體絕緣開關(guān)設(shè)備存在的潛在問題。

3.2 化學(xué)檢測法

化學(xué)檢測法是檢測氣體絕緣開關(guān)設(shè)備是否存在局部放電的方法。該方法的主要依據(jù)是SF6在局部放電的作用下會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生其他物質(zhì)，通過檢測這些物質(zhì)來判斷存在局部放電現(xiàn)象。

該檢測法的時效性較差，使用時需要定期進(jìn)行采樣和分析，并不適用于在線監(jiān)測系統(tǒng)。

3.3 電解法

電解法是一種用于檢測氣體絕緣開關(guān)設(shè)備內(nèi)微水含量的方法。該方法主要是取出氣體絕緣開關(guān)設(shè)備內(nèi)的氣體，并將其通過電解池，以獲得該氣體的導(dǎo)電程度。通過分析導(dǎo)電程度，可以判斷氣體絕緣開關(guān)設(shè)備內(nèi)的微水含量。

該方法需要經(jīng)過長時間的干燥取氣管道，因此也不適用于在線監(jiān)測系統(tǒng)。

3.4 超高頻法

超高頻法也是用于檢測氣體絕緣開關(guān)設(shè)備內(nèi)是否存在局部放電的方法。由于局部放電產(chǎn)生的脈沖持續(xù)時間較短，可以通過超高頻天線檢測局部放電時產(chǎn)生的高頻信號[8]。

超高頻天線設(shè)備具有強(qiáng)大的低頻信號抗干擾能力，可以定量分析數(shù)據(jù)。使用該方法可以定位局部放電，并判斷局部放電的缺陷類型。

在工程應(yīng)用中，超高頻法具有高靈敏度，適用于在線實時監(jiān)測。通過超高頻天線設(shè)備，可以及時發(fā)現(xiàn)局部放電現(xiàn)象，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行修復(fù)，確保氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的正常運(yùn)行。

3.5 露點法

露點法主要是依據(jù)鏡面冷卻技術(shù)和光電檢測結(jié)露的原理來檢測氣體絕緣開關(guān)設(shè)備中的微水含量。露點法可以實現(xiàn)在線監(jiān)測的要求，具有監(jiān)測速度快、精度高的優(yōu)點。然而，在低溫低濕環(huán)境中，露點法的精度可能會受到影響，存在精度低的問題。在選擇使用露點法進(jìn)行檢測時，需要考慮其適用性和優(yōu)缺點。在低溫低濕環(huán)境下，可能需要采取其他方法進(jìn)行補(bǔ)償或校準(zhǔn)，以確保檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

4 結(jié) 論

文章分析了影響氣體絕緣開關(guān)設(shè)備正常運(yùn)行的因素，主要對局部放電故障進(jìn)行檢測。由于氣體絕緣開關(guān)設(shè)備內(nèi)置的局部放電傳感器的壽命為10年，因此需要在設(shè)備投入運(yùn)行10年后進(jìn)行局部放電的在線監(jiān)測。通過實時監(jiān)測氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的局部放電情況，可以及時發(fā)現(xiàn)潛在問題并采取相應(yīng)措施進(jìn)行維護(hù)，從而提高設(shè)備的可靠性和使用壽命。同時，文章所介紹的監(jiān)測方法也可以應(yīng)用于其他高壓設(shè)備的局部放電檢測，具有廣泛的應(yīng)用前景。