GIS設(shè)備潛伏性故障識(shí)別與診斷研究

彭煒文,沈謝林,錢淵泉,武永華

(1.國(guó)網(wǎng)泉州供電公司,福建 泉州 362019;2.福建江夏學(xué)院電子信息科學(xué)學(xué)院,福建 福州 350108)

0 引言

隨著高壓輸電和高壓控制設(shè)備的出現(xiàn),SF6作為一種具有良好絕緣性的氣體被廣泛應(yīng)用于高壓電力設(shè)備(gas insulated switchgear,GIS)[1]。GIS具有可靠性高、占地面積小、安全性高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)中[2-3]。電網(wǎng)中高壓控制設(shè)備的可靠性對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行安全和穩(wěn)定至關(guān)重要[4-8]。目前GIS設(shè)備內(nèi)部SF6分解氣體的監(jiān)測(cè)、故障分析和狀態(tài)評(píng)估的發(fā)展較為緩慢且開發(fā)難度大。通過對(duì)SF6氣體和GIS設(shè)備故障的研究,高壓設(shè)備出現(xiàn)故障前產(chǎn)生的未知放電會(huì)引起SF6分解,SF6分解后的酸性氣體會(huì)進(jìn)一步腐蝕設(shè)備,導(dǎo)致高壓斷路器的絕緣性大大衰減。所以應(yīng)當(dāng)對(duì)高壓斷路器中SF6氣體濃度和分解產(chǎn)物進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),分析設(shè)備是否正常工作,及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的潛伏性故障[9-11]。

1 GIS高壓開關(guān)設(shè)備故障分析與診斷

GIS高壓開關(guān)設(shè)備在運(yùn)行過程中,由于某些問題引起設(shè)備局部放電、異常發(fā)熱等故障,會(huì)引起填充在內(nèi)部的SF6氣體發(fā)生分解,造成滅弧能力下降,引起設(shè)備絕緣性能急劇下降[12],嚴(yán)重危及電網(wǎng)的正常運(yùn)行,給電力系統(tǒng)帶來巨大危害。

1.1 內(nèi)部放電故障

引起內(nèi)部放電故障有2種情況:一種是由裝配零件松動(dòng)引起的懸浮點(diǎn)位放電、零件間放電、絕緣體表面放電等設(shè)備缺陷引起的局部放電,這種缺陷會(huì)導(dǎo)致絕緣故障,當(dāng)絕緣性能下降后造成不可逆轉(zhuǎn)的危害。形成局部放電原因主要包括設(shè)備受潮、配件松動(dòng)、表面粗糙、制作工藝誤差、運(yùn)輸過程的碰撞和后期維護(hù)不精細(xì)等。通過氣體間隙進(jìn)行局部放電故障發(fā)生率較低,但足夠引起SF6氣體少量分解,產(chǎn)生微量的SO2、HF和H2S等氣體。另一種放電形式是內(nèi)部絕緣缺陷引起的導(dǎo)電金屬對(duì)地放電,或漂浮在設(shè)備內(nèi)部的導(dǎo)電顆粒雜質(zhì)引起對(duì)地放電,對(duì)地放電將會(huì)有大量能量溢出,具體表現(xiàn)為電暈、火花或電弧放電[13]。這種放電使SF6氣體、金屬觸頭和固體絕緣材料分解產(chǎn)生大量的SO2、SOF2、H2S、HF、金屬氟化物等[14]。放電形式不同會(huì)產(chǎn)生不同物質(zhì),在能量較大的電弧作用下,SF6分解的主要產(chǎn)物為SOF2;在火花放電過程中,SF6分解的主要產(chǎn)物為SOF2、SO2F2、S2F10和S2OF10;在電暈放電中,SF6分解的主要產(chǎn)物為SOF2、SO2F2。其中電暈放電中,SO2F2含量比火花放電要高[15]。

1.2 過熱引起故障

GIS設(shè)備在操作過程中,導(dǎo)電桿經(jīng)常會(huì)與接口接觸不良,使兩者接觸電阻變大,導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部溫度過高。當(dāng)溫度超出500 ℃后,打破SF6氣體穩(wěn)定,氣體便會(huì)吸熱分解。溫度達(dá)到600 ℃后,超過部分金屬熔點(diǎn),引起金屬融化,在高溫高壓環(huán)境下熔化后的絕緣材料與SF6氣體發(fā)生反應(yīng)。

1.3 絕緣材料特性

a.SF6氣體。純凈的SF6氣體是一種無毒、無味、無色、無嗅、非可燃的惰性氣體,常溫常壓下呈氣態(tài),密度約為空氣的5倍。純凈的SF6氣體在正常情況下不易分解,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,具有優(yōu)良的絕緣性能和滅弧能力。與電氣設(shè)備其他材料相容性好,在500 ℃的高溫環(huán)境下也不易分解,在同等環(huán)境條件下,其耐電強(qiáng)度約為空氣的2.5倍,滅弧能力為空氣100倍以上。

b.熱固形環(huán)氧樹脂是多種大分子的混合物,主要用于GIS中盆式絕緣子、支柱絕緣子和斷路器、隔離開關(guān)及接地開關(guān)的絕緣拉桿。環(huán)氧樹脂具有很好的絕緣性能和化學(xué)穩(wěn)定性,超過500 ℃開始分解,達(dá)到700 ℃裂解加劇,產(chǎn)物以硫化物為主。

c.聚酯尼龍主要用作絕緣拉桿,具有很好的絕緣性能,130 ℃聚酯材料開始裂解,尼龍?jiān)?00 ℃以上發(fā)生裂解。

d.聚四氟乙烯具有良好的絕緣性能和化學(xué)穩(wěn)定性,500 ℃以上發(fā)生裂解,達(dá)到700 ℃后會(huì)明顯裂解,其主要用做斷路器中的滅弧室。

e.絕緣紙?zhí)妓衔?主要用于互感器、變壓器匝絕緣和電容式套管的電容層材料,一般情況下,當(dāng)溫度大于125 ℃時(shí)開始裂解。

f.絕緣漆為碳?xì)浠衔?主要附著在互感器、變壓器銅線表面,作為匝層間絕緣。一般情況下當(dāng)溫度大于150 ℃時(shí)開始裂解[16]。

1.4 GIS設(shè)備放電故障機(jī)理

GIS設(shè)備在正常運(yùn)行條件下,SF6氣體分解的概率很小,分解速度也慢,只有設(shè)備內(nèi)部發(fā)生故障放電時(shí)才會(huì)使氣體進(jìn)行分解[17]。常見的放電現(xiàn)象有以下3種。

a.電弧放電

一種情況是由于斷路器開斷引起的電弧放電,在該情況下,SF6氣體在高溫電弧作用下分解,但隨著放電結(jié)束,SF6氣體會(huì)重新生成,如果受到水、金屬原子等雜質(zhì)的影響,分解產(chǎn)物會(huì)增多;另一種情況是GIS設(shè)備內(nèi)部發(fā)生短路故障,產(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象,此時(shí)的SF6氣體將大量分解,生成的氣體具有毒性。

b.電火花放電

該類故障主要是由電容性故障引起,持續(xù)時(shí)間非常短。在GIS設(shè)備隔離開關(guān)等開關(guān)裝置中經(jīng)常發(fā)生。

c.局部放電或電暈放電

該類型故障主要是由于自由導(dǎo)電微粒、懸浮電位、導(dǎo)體表面粗糙及絕緣介質(zhì)內(nèi)部氣隙等引起GIS設(shè)備局部放電。在絕緣介質(zhì)的缺陷處常常發(fā)生局部放電,隨著時(shí)間的積累可能引發(fā)絕緣故障。雖然一些局部放電并不會(huì)引起GIS設(shè)備絕緣水平下降,但由于固體絕緣內(nèi)材料或SF6分解產(chǎn)物的腐蝕作用仍會(huì)導(dǎo)致發(fā)生故障。

2 SF6氣體分解機(jī)理及產(chǎn)物組成分析

2.1 SF6氣體分解機(jī)理

SF6氣體在正常情況下不易分解,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,具有優(yōu)良的絕緣性能和滅弧能力[18]。其在室溫環(huán)境下不會(huì)發(fā)生分解反應(yīng),因此在GIS設(shè)備中起絕緣、滅弧、冷卻和散熱作用[19]。SF6氣體憑此特性被廣泛應(yīng)用于各種高壓斷路器中。

當(dāng)SF6氣體處于放電環(huán)境下,其化學(xué)性能不穩(wěn)定,在電弧作用下將會(huì)分解產(chǎn)生多種氟化物和硫化物。若設(shè)備中存有水分時(shí),也將與多種化合物發(fā)生反應(yīng)生成酸性有毒氣體。另外,設(shè)備中存在金屬和絕緣材料,這些材料在某些情況下也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)。GIS設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過程中,將會(huì)面對(duì)更加復(fù)雜的環(huán)境。因此對(duì)SF6氣體環(huán)境中內(nèi)部氣體成分和濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè),可以診斷出設(shè)備故障,便于發(fā)現(xiàn)潛伏性絕緣缺陷,及時(shí)處理設(shè)備存在的潛伏性故障,保障高壓斷路器高效、穩(wěn)定、持久運(yùn)行,提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 SF6氣體的分解產(chǎn)物組成

SF6在高壓和電弧的共同作用下,可能分解產(chǎn)生SO、SF4、SOF2和S2F10等氟硫化物。如果有水分和高溫熔化的固體絕緣材料參與到SF6分解反應(yīng)中,將會(huì)有新的化合物生成。高壓斷路器設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時(shí)SF6氣體也會(huì)含有少量礦物質(zhì)油、空氣、水分、導(dǎo)電顆粒和其他雜質(zhì),這些物質(zhì)較活潑,SF6氣體在電弧作用下極易與水分、氧氣等發(fā)生反應(yīng),生成氟硫化合物[20],如圖1所示。

圖1 GIS設(shè)備放電作用下SF6分解示意圖

在模擬電弧、電暈、火花放電的情況下,在放電能量較低的火花放電環(huán)境中,SOF2是主要分解產(chǎn)物,高溫高壓放電條件下,SO2是主要分解產(chǎn)物[21]。當(dāng)放電環(huán)境中存在漂浮導(dǎo)電微粒時(shí),SF6分解速率隨著放電壓強(qiáng)增強(qiáng)而增加,同放電端的材質(zhì)也對(duì)分解速率具有一定影響。如放電發(fā)生在導(dǎo)電桿尖端時(shí),SF6分解物中SO2所占比例與放電能量存在一定相關(guān)性。在同一放電環(huán)境中,隨著溫濕度的增加,SF6氣體分解現(xiàn)象更明顯。

2.3 影響SF6氣體分解生成物的因素分析

影響SF6氣體分解物生成的因素有幾種。

a.電弧放電能量的大小。在設(shè)備使用過程中,由于電弧放電引起 SF6氣體分解,其生成產(chǎn)物的主要因素是電弧放電能量,氣體分解物的生成率隨著電弧能量增大、弧區(qū)溫度升高而增大。

b.電極材料影響。GIS設(shè)備中SF6氣體分解物的生成成分與電極材料密切相關(guān),在電弧作用下,鋁電極使SF6氣體分解物數(shù)量達(dá)到最高,而銀氧化鎘達(dá)到最低。

c.絕緣材料。在GIS設(shè)備使用過程中,由于過熱或電弧放電故障,SF6氣體分解物的組成成分和生成量會(huì)受絕緣材料的影響而發(fā)生改變,在高溫過熱情況下,SF6電氣設(shè)備中的線圈常用的固體材料會(huì)炭化,隨著溫度的升高,CO、CO2氣體含量增大。

d.水分和氧氣。水分和氧氣極大影響SF6氣體分解物的組分和生成量,在水分和氧氣的影響下,SF6氣體在燃弧期間的主要分解物為SF4和金屬氧化物。

3 GIS設(shè)備故障診斷方法研究

SF6氣體分解的復(fù)雜性也為GIS設(shè)備故障診斷帶來諸多困難,根據(jù)不同放電環(huán)境和分解產(chǎn)物也有與之匹配的檢測(cè)方法。目前常用檢測(cè)方法包括檢測(cè)管方法、超聲波法、紅外光譜法、氣象色譜法和電化學(xué)傳感器法。由于SF6氣體被填充在斷路器內(nèi)部,其濃度和分解產(chǎn)物都將影響GIS設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。故采用SF6氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)技術(shù)可以視為GIS設(shè)備診斷,可作為判斷設(shè)備出現(xiàn)故障的依據(jù),并及時(shí)消除缺陷和故障。

3.1 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及指標(biāo)參數(shù)

SF6氣體純度過低也會(huì)加速其分解速率,使用高純度的SF6會(huì)提高設(shè)備安全。但是在SF6氣體灌裝、運(yùn)輸和保存過程中,空氣、水分、導(dǎo)電微?？赡苓M(jìn)入SF6氣體中,降低其純度。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)為了保證SF6氣體純度,制定了SF6氣體的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),如表1所示[22-23]。

表1 SF6氣體質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

3.2 GIS設(shè)備的檢測(cè)和診斷形式

a.水分檢測(cè)。水分與SF6氣體分解產(chǎn)物中SO2反應(yīng)生成酸性溶液,破壞設(shè)備性能,使GIS絕緣性能下降。因此,對(duì)水分的檢測(cè)非常重要。對(duì)水分的檢測(cè)采用露點(diǎn)檢測(cè),當(dāng)水分>0.08 mg/kg時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行處理。

b.氣體檢測(cè)[24]。定期檢測(cè)SF6氣體是否出現(xiàn)泄漏。采用包扎法對(duì)GIS設(shè)備各氣體接口進(jìn)行密封,靜止24 h后采用專業(yè)的SF6氣體檢漏儀檢測(cè)各個(gè)氣室的壓強(qiáng),若氣室的壓強(qiáng)過低,即出現(xiàn)泄漏,應(yīng)當(dāng)立即處理。

在GIS設(shè)備運(yùn)行過程中,也需要對(duì)SF6氣體分解產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè),利用物質(zhì)選擇性吸收紅外光的電磁輻射,根據(jù)紅外光譜各個(gè)峰的位置和高度,可以對(duì)分解產(chǎn)物進(jìn)行分析,同時(shí)紅外吸收量也與濃度成正比,也可用于分解產(chǎn)物濃度的檢測(cè)。

c.氣象色譜檢測(cè)[25]。GIS設(shè)備發(fā)生故障后,采用質(zhì)譜儀法對(duì)設(shè)備內(nèi)部SF6氣體及其他氣體進(jìn)行分別標(biāo)定。

4 案例分析

4.1 運(yùn)行設(shè)備排查現(xiàn)場(chǎng)情況

在某地110 kV變電站GIS設(shè)備排查,對(duì)氣態(tài)分解產(chǎn)物檢測(cè)時(shí),母線側(cè)隔離開關(guān)氣室內(nèi)部檢測(cè)出SO2和 SOF2氣體體積比為 39.2 μL/L,第3天對(duì)該氣室進(jìn)行二次檢測(cè),兩者氣體體積比為39.6 μL/L,兩者體積比上升了0.04 μL/L,采用超高頻和超聲波2個(gè)結(jié)合方法對(duì)局部放電區(qū)域檢測(cè),結(jié)果未見異常,分解產(chǎn)物均在正常范圍內(nèi)。

根據(jù)GIS設(shè)備的結(jié)構(gòu)分析,該母線側(cè)隔離開關(guān)包括2個(gè)獨(dú)立氣室,且2個(gè)氣室共用1個(gè)繼電器和進(jìn)氣口。為了確定分解產(chǎn)物來源,分別對(duì)2個(gè)氣室進(jìn)行動(dòng)態(tài)分解產(chǎn)物檢測(cè)。其中1號(hào)氣室未檢測(cè)出分解產(chǎn)物,而2號(hào)氣室中SO2和SOF2兩者的體積比達(dá)83.3 μL/L。接著對(duì)2個(gè)氣室進(jìn)行紅外色譜分析,1號(hào)氣室分解產(chǎn)物含量處于正常范圍內(nèi),2號(hào)氣室SO2分解產(chǎn)物達(dá)63.8 μL/L,HS體積比為12.5 μL/L,2個(gè)氣室都未檢出CF4。

4.2 設(shè)備故障診斷

a.從設(shè)備使用時(shí)間來分析,設(shè)備運(yùn)行年限已超10年,根據(jù)運(yùn)行記錄記載,該設(shè)備母線側(cè)隔離開關(guān)氣室內(nèi)濕度超標(biāo),當(dāng)時(shí)采用換氣處理的方法降低濕度,換氣后濕度還是持續(xù)增加且氣體內(nèi)部壓強(qiáng)處于穩(wěn)定狀態(tài),說明干燥劑已經(jīng)失效或吸收水分到達(dá)飽和。

b.設(shè)備隨后又進(jìn)行第2次換氣及維修,根據(jù)運(yùn)行記錄顯示,在隨后使用過程中,設(shè)備保持正常,該設(shè)備未出現(xiàn)短路和過載工作狀態(tài),可以排除電流過大導(dǎo)致氣體分解產(chǎn)生SO2和H2S的情況。

c.2號(hào)室內(nèi)SO2體積比為63.8 μL/L,H2S 體積比為12.5 μL/L,根據(jù)2種氣體的體積比可知,SO2濃度是H2S的5倍,2種氣體量也很多,可以推斷,該氣室內(nèi)部同時(shí)存在過熱和放電2種故障,該故障造成其他成分的變化和附屬產(chǎn)物含量的變化?；谝陨贤茢?2號(hào)氣室建議停運(yùn)檢查。

4.3 故障設(shè)備拆解與前期分析對(duì)比

2號(hào)氣室停運(yùn)進(jìn)行拆解,拆解后發(fā)現(xiàn)在氣室表面和內(nèi)部出現(xiàn)大面積白色粉末,且在粉末外圍區(qū)域呈現(xiàn)棕色,屏蔽罩也出現(xiàn)燒焦的情況,如圖2所示。A相靜觸頭呈現(xiàn)銀灰色,屏蔽罩的孔徑變大,出現(xiàn)燒焦痕跡,如圖3所示。

圖2 A相動(dòng)觸頭拆解

圖3 A、B相靜觸頭拆解對(duì)比

通過拆解對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)A相屏蔽罩的孔徑變大,導(dǎo)致A相觸頭在工作時(shí)不能進(jìn)行正常合閘,動(dòng)靜觸頭存在接觸不良的問題,在運(yùn)行時(shí)導(dǎo)致接觸端電阻變大,釋放大量熱量,在電弧和熱的共同作用下,致使屏蔽罩出現(xiàn)燒焦痕跡。同時(shí)SF6氣體也會(huì)發(fā)生分解情況,在這種環(huán)境中出現(xiàn)了氣態(tài)分解產(chǎn)物和表面上的固體粉末。

懸浮電位放電也會(huì)引起SF6氣體分解,分解產(chǎn)物主要為SO2和SOF2。末端顆粒在放電條件下與SF6氣體發(fā)生反應(yīng),會(huì)生成H2S。由于顆粒質(zhì)量輕,漂浮在氣室內(nèi)部,逐步加速氣室內(nèi)壁和表面分解。

針對(duì)以上故障分析后更換了三相動(dòng)觸頭組件、靜觸頭組件和絕緣傳動(dòng)桿,將共用氣室改造為單獨(dú)氣室,且2個(gè)氣室采用獨(dú)立的繼電器和進(jìn)出氣口。

5 結(jié)語

由于GIS 設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜,導(dǎo)致故障類型多樣,因此檢測(cè)故障的方法也比較多,其檢測(cè)手段各有優(yōu)勢(shì)。氣體分解產(chǎn)物檢測(cè)分析方法應(yīng)用于帶電檢測(cè)中,可實(shí)時(shí)分析評(píng)估GIS內(nèi)部潛伏性故障,從而保障電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn),其應(yīng)用前景廣闊,對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行具有重要意義。