断路器在线监测

• 针对气体绝缘设备绝缘缺陷产生局部放电 引起SF6气体分解问题进行研究，寻找有效 表征突发性故障的特征气体组分，建立气 体组分浓度、产气率、体积分数比与绝缘 缺陷性质、程度及发展趋势等的定量关系
• 研制对SF6主要分解气体检测灵敏度高、选 择性强的碳纳米管气敏传感器；通过传感 器阵列和数据融合算法研究，解决传感器 对各组分交叉敏感及定量问题。为气体绝 缘设备的在线监测和安全评估提供理论和 技术依据。
拟解决的关键科学问题
• ① 针对SF6分解气体分子特性，建立 CNT传感器 吸附模型，利用Materials Studio仿真软件和局域 密度泛函理论，解决碳纳米管对特定组分气敏的 响应问题。 • ② 根据碳纳米管气敏响应机理研究的结论，通过 对碳纳米管进行多种处理（功能化掺杂、接枝、 分子涂布、化学修饰等），解决碳纳米管多细微 气敏传感器检测的灵敏度和选择性问题；
局部放电在线检测
1. 外部电极法
局部放电在线检测
2. 接地线电磁耦合法
局部放电在线检测
3. 绝缘子中预埋电极法
局部放电在线检测
4. 超高频检测法
局部放电非电量在线检测
1. 机械振动检测法
双探头超声监测原理图
A、B-电压探头； C-信号鉴别回路； V-发光二极管
局部放电非电量在线检测
2. 气体检测法
五、SF6断路器的在线监测
1、监测原理
主要监测绝缘特征、开关特性和温度特性。
绝缘特性
监测断路器内部放电产生的高频电晕电流。
开关特性
监测开、关时的控制电流和通电时间。
温度特性
采用比较2个以上测量点温度以检测是否异常过热。
2操作机构机械特性和控制回路的在线监测
合分闸线圈电流、电压测量——测量合分闸线圈动作时 回路中的电流、电压，记录波形，通过波形分析，判断 电回路和机械回路的状态。
5、直接检测法——该 方法是在真空灭弧室 的某一处直接安装真 空度检测传感器。直 接测量真空度的传感 器有离子泵元件、磁 控管元件等。
七、GIS监测与诊断
220KV级GIS的一个间隔
（a）结构布置图； （b）主接线 1-母线W； 2、7-隔离开关QS； 3、6、8-接地开关Q； 4-断路器QF； 5-电流互感器TA； 9-电压互感器TV； 10-电缆终端
• ，深入研究GIS设备内部缺陷产生局部放电与SF6 气体分解组分间的内在关系，通过分子仿真软件 计算和实验数据分析处理，构建 GIS 设备绝缘缺 陷产生局部放电引起混合绝缘气体分解组分的数 据库，通过研究 GIS 设备绝缘缺陷产生局部放电 程度和发展变化趋势以及影响因素，揭示导致突 发性故障的机理和条件，最后，根据理论计算和 实验研究的结果，用统计、拟合和数据挖掘等方 法，总结出有实用价值的经验计算公式或曲线， 揭示局部放电量、固体绝缘状态与分解气体组分 浓度、产气率、各组分间体积分数比的定量关系。
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运行中
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大修后
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必要时来自百度文库
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GIS预防试验技术——SF 湿度测量
6
SF6 气体水分含量标准（ppm,V/V）
大修后
断路器灭 150 弧室 其它气室 250
运行中
300 500
GIS预防试验技术——SF 气体泄漏监测
6
漏气是SF6断路器的致命缺陷，密封性是该 产品的关键性能指标之一 检漏仪通常由探头、探测器和泵体三部分组 成
局部放电非电量在线检测
3. 光学检测法
SF6绝缘气体放电分解机理及碳纳米管 传感器研究
• SF6 设备中发生绝缘故障时，放电能量使 SF6气体分解，生成多种低氟硫化物，与设 备内的微量氧气和水分反应生成 SOF2 、 SOF4 、 SO2F2 、 HF 、 H2SO3 和 SO2 等气体， 后三种分解物对设备内固体绝缘及金属材 料有强腐蚀作用，加速绝缘劣化，可能导 致设备发生突发性故障。
GIS在线检测与诊断项目
检测内容 绝缘性 能 局部放电检测 异常放电声检测 气体压力检测 气中水分含量检测 气体分解检测 绝缘电阻测量 避雷器泄漏电流检测 试验内容 ☆ ☆ ☆/△ ☆/△ ○ △ ☆
△
检测仪器或方法 局部放电检测仪、超高频局部放电法 声波传感器、超声检测 气体密度开关、检漏仪 水分计 气体分解物检验仪 绝缘电阻测量仪 泄漏电流测量仪
• SF6分解气体的标气对制作的CNT气敏传感器进 行标定；由于CNT传感器不可避免的存在组分间 交叉敏感现象，为实现各种气体组分含量的准确 测定，采用细微构造不同、掺杂及修饰材料不同、 气敏选择性有差异的多个CNT气敏传感器构造传 感器阵列，并采用多组合测量、多项对消等方法 和遗传、模糊、神经网络等数据融合算法解决气 敏传感器对混合气体交叉敏感的问题，准确识别 分解气体中的各组分，提高组分识别及浓度定量 的准确性。
2、放电电流法——在真空 度降低的状态下使真空断路 器断开时，将有放电电流流 过，就能检测流过电阻元件 的电流从而发出警报。
3、放电干扰法——和方法2 相同，间接测量放电电流通 过时发生的放电干扰。
4、中间电位变化检测法— —真空灭弧室多数具有中间 保护屏（浮式屏）。当真空 度降低时，真空灭弧室的中 间保护屏电位会起变化，就 可以监测通过该电容的放电 电压，并利用电位变化检测 传感器检测中间保护屏电位 的变化（电场变化）。
断路器主触头合（分）动作过程中时间、速度、行 程和机械振动——监测断路器动触头特性，反映断 路器行程（与灭弧、绝缘性能有关）、过行程（与 缓冲器性能有关）、断路器运动速度（与灭弧性能 有关）等。 实现方法：（1）在拉杆或其它运动部件上安装光 学位移传感器，记录动作过程中位移变化量，获取 断路器机械动作情况的关键信息。（2）在断路器 的某个合适位置上安装一个加速度传感器，记录测 量主触头动作的振动和震动波形，通过对波形的分 析计算或对比得到动作过程的机械过程状态
可行性分析
• ①SF6放电分解组分与绝缘缺陷关系研究的可行性 • 在全面研究各种绝缘缺陷产生局部放电信号的基 础上，深入研究气体设备内部各种缺陷产生的局 部放电对SF6气体分解组分的关系，通过分子仿真 软件计算和实验数据分析处理，构建气体绝缘设 备绝缘缺陷产生局部放电引起SF6气体分解组分的 数据库，
• 通过研究GIS设备绝缘缺陷产生局部放电程 度和发展变化趋势以及影响因素，揭示导 致突发性故障的机理和条件，最后，根据 理论计算和实验研究的结果，采用统计、 拟合和数据挖掘等方法，总结出有实用价 值的经验计算公式或曲线是可能的。
② 用碳纳米管气敏传感器检测 SF6放电分解组分的可行性
• 目前国内外学者对CNT气敏响应机理开展 了相关研究，并采用修饰、接枝、分子涂 布、掺杂等手段实现了多种有机分子、无 机分子及生物分子的高灵敏度检测，为本 项目的完成提供了可以借鉴的方法。另外， Ding和Hayashi等采用碳纳米管检测GIS中 局部放电，其初步成果也可参考。
导电性 能
主回路电阻测量
接触不良测量 温度测量
微欧仪
局部放电检测 温度传感器 合闸时间测定仪 计数器 油面表、液面传感器 X线检测仪
☆ ☆ △ ☆/△ ☆/△ ※
机械性 能
合闸时间测量 动作次数过多 油面变化检测 结构变形测量
注：“☆”表示在线监测，“△”表示停电试验，“○”表示取样试验，“※”表示 现场监测。
GIS中电力设备的其他绝缘检测
• 断路器及并联电容器绝缘检测 包括：绝缘电阻测量、导电回路电阻测量、 耐压试验、合闸电阻测量、并联电容器的 电容量和tanδ测量等 • 避雷器检测 进行运行电压下的交流泄漏电流试验、工频 参考电流下的工频参考电压试验、放电计 数器检查
GIS现场耐压试验
• 目的：检查总体装配的绝缘性能 • 方法：设备分成几部分，减小容性负载 不同波形，检测不同缺陷 • 试验电压：交流电压不低于出厂电压的80 ％，耐压1分钟；雷电冲击和操作冲击， 分别不低于工厂中相应试验电压的80％
• ③化学分析法，仅能测定分解气体中可水 解氟化物及酸度，对分解物的类型和浓度 无法判断。④ 红外吸收光谱法，它能检测 到 ppmv 级的 SOF2 、 SO2F2 、 SO2 、 SF4 、 SOF4、H2O和CF4，但SF6会影响其它气体 的吸收峰，有交叉干扰现象；红外光源强 度低，检测器灵敏度低，定量精度不足。
合闸弹簧状态——监测合闸弹簧机构的弹簧压缩过程和储能 情况。
断路器操作次数统计——监测断路器是否达到规定的 机械寿命使用次数和达到需要进行维修（润滑及紧固 螺钉）的次数。 分闸压力异常的报警——对于压缩空气为储能的机构， 测量气体压力，判断储能状态。 空气压缩机系统状态——空气压缩机的电流、电压、 油温和压力测量判断空气压缩机的工作状态。
•
• 根据常见的绝缘缺陷，结合已有的模型研 究成果，构造出气体绝缘设备内部真实绝 缘缺陷人工物理模型，在实验室气体分解 模拟试验装置、真实GIS试验研究平台的不 同部位，设置人工绝缘缺陷，并由此获取 大量的实验数据，对于实验获取的气体样 本用红外光谱分析仪和气相色谱仪综合分 析，确保试验数据的可靠。
• 采用碳纳米管制作气体传感器检测SF6放电 分解气体组分。碳纳米管(CNT，Carbon Nanotube)作为一种新的材料自从1991年被 发现以来，其物理化学性质和应用得到了 广泛的研究。
• CNTs可作为微型气体传感器，具有常规传 感器不可比拟的优点：一是灵敏度高，庞 大的界面，提供了大量的气体通道，从而 大大地提高了灵敏度，其灵敏度可高达 10ppb；二是大大降低了传感器的工作温度； 三是大大缩小了传感器的尺寸；四是气敏 选择性强。因此，它在生物、化学、机械、 航空、军事等方面具有广泛的发展前途。
• 对SF6放电分解气体的常用检测方法有以下几种[78]：①气相色谱法，可以对SOF 、SO F 、SO 和 2 2 2 2 CF4进行检测，检测精度达到ppmv级，但不能检 测HF和 SOF4，并且色谱进样的特性决定了检测 时间较长，不能做到连续在线监测，温度对色谱 柱分离效果的影响以及色谱柱使用一段时间后需 要清洗等固有特性决定了色谱技术对环境要求高， 不适于现场在线监测应用。② 检测管法，目前国 内外实用的仅有HF，SO2检测管，检测精度可达 1ppm，但其易受温度、湿度、存放时间影响，存 在交叉敏感问题，且不适合作为放电的在线监测。
5、外绝缘的在线监测
监测外绝缘的泄漏电流——反映外绝缘的绝缘状况，直接测 量外绝缘的泄漏电流。
6、在线监测数据库及远程传输
数据库建立在上位机，管理和分析数据，运用专家系统分析 在线监测数据，合理判断断路器的故障。
六、真空断路器的在线监测
主要是真空灭弧室的监测
真空度监测的方法
1、电压附加法——在真空灭弧室的极间附 加与真空灭弧室极间距离相应的AC高压电 或直流（DC）高压电。
3、触头寿命的在线监测
触头寿命的判断方法是以断路器开断电流峰值， 开断电流加权值和开断次数的乘积为依据。
通过测量主回路电流，用高速采样记录一次电流 波形，通过与断路器机械运行波形集合分析，可 由专家系统分析触头情况，预测触头寿命。
4、SF6气体的在线监测
SF6气体压力，SF6湿度——监测气体的压力和湿度，了解断 路器的气密性，间接反映绝缘其他的绝缘强度。
• ③ 解决SF6气体组分中属性相近的分解组分 间交叉干扰修正技术中的关键问题； • ④ 通过SF6分解气体组分分析，解决气体绝 缘设备内部绝缘缺陷产生局部放电特性与 故障特征气体组分的非线性关系问题。
采取的研究方案
• 本课题基础实验研究数据在已研制的 SF6 气体分解组分试验装置 ( 图 2) 上获 取，真实试验研究数据在已建立的 110kV三相共箱的GIS设备研究平台(图 3)上获得。
GIS预防性试验
试验项目 GIS内SF6气体湿度试验 SF6气体品质其他试验项目 SF6气体泄漏试验 液（气）压操动机构的泄漏试验 辅助回路和控制回路绝缘电阻 耐压试验 辅助回路和控制回路耐压试验 并联电容器绝缘电阻、电容量和tanδ 开关导电回路电阻 电流互感器、电压互感器试验 避雷器交流泄漏电流、工频参考电压、计数器试验