气体绝缘变压器

气体绝缘变压器（精选8篇）

气体绝缘变压器 篇1

电力变压器不仅是电力系统最重要、最昂贵的设备, 也是导致电力系统事故最多的设备之一。变压器在发生突发性故障之前, 绝缘的劣化及潜伏性故障在运行电压的作用下, 将产生光、电、声、热、化学变化等一系列效应及信息。变压器作为电力系统的枢纽设备, 其运行可靠性直接影响电力系统的安全运行。为保证电力系统的稳定, 必须加强对电力变压器绝缘的监测和诊断。因此, 国内外不仅定期做以预防性试验为基础的预防性维护, 而且相继都在研究以在线监测为基础的预知性维护策略, 以便实时或定时在线监测与诊断潜伏性故障或缺陷。电力变压器绝缘油中气体的含量也是确定变压器运行状态的参数[1]。变压器在线智能诊断设备能够自动采集、分析绝缘油中气体的含量并得出故障原因, 提供解决方案, 使用户及时解决变压器中存在的隐患, 防止事故的发生。该文主要对绝缘油中气体测试进行详细阐述。

1 变压器绝缘油中气体的监测

对于大型电力变压器, 目前几乎都是用油来绝缘和散热, 变压器油与油中的固体有机绝缘材料 (纸和纸板等) 在运行电压下因电、热、氧化和局部电弧等多种因素作用会逐渐变质, 裂解成低分子气体;变压器内部存在的潜伏性过热或放电故障又会加快产气的速率。随着故障的缓慢发展, 裂解出来的气体形成气泡, 在油中经过对流、扩散作用, 就会不断地溶解在油中。同一类性质的故障, 其产生的气体组分和含量, 在一定程度上反映出变压器绝缘老化或故障的程度, 可以作为反映电气设备异常的特征量。定时在线检测运行中的变压器油中气体的浓度, 并根据浓度值进行数值分析, 按专家系统软件进行故障判断, 克服了常规的离线的变压器油色谱分析方法操作复杂、检测周期长、检测人为误差大的缺点, 能长期跟踪变压器的运行情况, 可及时、准确地反映电力变压器存在的潜伏性故障, 以利于运行部门对变压器的维护、保养作出正确判断, 提高变压器的运行可靠性, 对电力变压器的保护具有重要的现实意义。

2 变压器绝缘油中气体的产生

充油的电力设备 (如变压器、电抗器、电流互感器、充油套管和充油电缆等) 的绝缘主要是由矿物绝缘油和浸在油中的有机绝缘材料 (如电缆纸、绝缘纸板等) 所组成, 在正常运行状态下, 由于油和固体绝缘会逐渐老化、变质, 分解出极少量的气体 (主要有氢气、甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、一氧化碳、二氧化碳等) , 当电力设备内部发生过热性故障、放电性故障或受潮情况时, 这些气体的产量会迅速增加[2]。因此, 在设备运行过程中, 定期测量溶解于油中的气体组成成分和含量, 对于及早发现充油电力设备内部存在的潜伏性故障具有非常重要的意义。变压器内部故障方式主要是机械性、热性和电性3种类型, 而又以后2种为主, 且机械性故障常以热性或电性故障形式表现出来。

2.1 热性故障

热性故障是由于热应力所造成的绝缘加速劣化, 具有中等水平的能量密度。若热应力只引起热源处绝缘油分解时, 所产生的特征气体主要是CH4、C2H4。二者的含量占总烃的80%, 且随着故障点温度的不断升高, C2H4所占比例将逐渐增加。

2.2 电性故障

在高的电应力作用下造成的绝缘劣化, 按能量密度不同分为不同故障类型: (1) 电弧放电。以线圈匝、层间击穿为主, 其次是引线断裂或对地闪络和分接开关飞弧等故障模式。其特点是产气急剧、产气量大, 尤其是匝、层间绝缘故障, 因无先兆现象, 一般难以预测, 最终以突发性事故暴露出来[3]。故障特征气体主要是C2H2、H2, 其次是大量C2H4、CH4。 (2) 火花放电。常发生在以下情况:引线或套管储油柜对电位未固定的套管导电管放电;引线局部接触不良或铁芯接地片接触不良, 而引起放电;分接开关拨叉电位悬浮而引起放电。特征气体以C2H2、H2为主, 因故障能量小, 一般总烃含量不高。 (3) 局部放电。随放电能量密度不同而异, 一般总烃含量不高, 主要成分是H2, 其次是CH4, 通常H2占氢烃的90%以上, CH4占总烃的90%以上。放电能量密度增高时也可出现C2H2, 但在总烃中所占比例一般小于2%, 这是和上述2种放电现象区别的主要标志。无论哪种放电类型, 只要有固体绝缘介入时, 就都会产生CO、CO2。

3 气体在线监测装置工作原理

变压器油中溶解气体的在线监测是油色谱分析技术的补充和发展, 其采用的气体传感器为加拿大的Hydran Ti201 (专门测量可燃性气体) , 其工作原理如下: (1) 取气方法:采用高分子膜 (聚四氟乙烯膜) 取气。高分子膜的渗透机理是按溶解—扩散过程进行的。当装有到分子膜的气室安装在一个盛有变压器油的密封容器上, 则油中的待测气体分子就会自动渗透到膜的另一侧气室中, 同时已渗透过去的自由气体也会向油中扩散。由于膜两侧的气体浓度不同。在一定的温度下, 经过一定时间后, 正、反2个方向的扩散速度达到相等, 即达到动态平衡, 气室中的气体浓度就保持不变, 由于气体渗透平衡需要一段时间, 故传感器的相应速度越快越好, Hydran Ti201的响应时间为10 min。 (2) 采用的检测器:采用燃料电池型, 一种将贮存在燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。在测试油中溶解H2上的应用是基于作为燃料的氢与氧发生氧化还原反应的同时, 燃料电池输出正比于H2浓度的电流, 通过电流—电压转换成2~10 V的电压信号。测试精度为10%[4]。

IDD每小时记录1次气体在线监测器所报告的气体浓度。由于监测器仅测量绝缘油中的气体浓度, 因而需要IDD分析在确定变化率之前, 将可能从绝缘流体中逃逸的气体部分补充到测量结果内。计算气体生成总量的算法取决于油浸式系统。在气体总量确定之后, IDD Hydrogen将分别计算4个周期的变化率, 即1 d (短周期) 、3 d (中周期) 和2个较长周期30、300 d。4个周期的变化率将同各种阈值进行比较。阈值的确定基于变压器中的气体水平、变化率的计算周期以及数据的不确定性[5]。当变化率超出这些限值时, 将发出警报。

摘要：阐述了变压器绝缘油中气体的监测, 介绍了变压器不同内部故障所产生的特征气体和气体在线监测装置工作原理, 以为用户及时解决变压器内的潜伏性故障提供参考。

关键词：变压器,绝缘油,气体在线监测

参考文献

[1]朱德恒, 谭克雄.电绝缘诊断技术[M].北京:中国电力出版社, 1999.

[2]陈伟根.以油中多种气体为特征量的变压器绝缘在线监测及故障诊断技术研究[D].重庆:重庆大学, 2003.

[3]孙才新, 陈伟根, 李俭, 等.电气设备油中溶解气体在线监测与故障诊断技术[M].北京:科学出版社, 2003.

[4]肖燕彩, 朱衡君, 张霄元, 等.基于溶解气体分析的电力变压器在线监测与诊断技术[J].电力自动化设备, 2006, 26 (6) :93-96.

[5]安雷.论变电站综合自动化[J].中国科技博览, 2010 (15) :96.

气体绝缘变压器 篇2

电力变压器是电力系统最主要最昂贵的设备之一,其安全护运行对保证供电可靠性有重要意义，电力变压器的高故障率不仅极大地影响电力系统的安全远行,同时也会给电力企业及电力用户造成很大的经济损失。为了提高电力系统运行的可靠性,减少故障及事故引起的经济损失,要定期对变压器进行绝缘预防性试验监测。

绝缘的劣化、缺陷的发展,虽然具有统计性,发展速度也有快有慢,但大多数都有一定的发展期。在这期间,绝缘会发出反映绝缘状况变化的各种物理化学信息。理论上,只要捕捉到这些哪怕是很微弱的信息,进而经过对这些数据的处理和综合分析,就可以对设备绝缘的可靠性作出判断和对绝缘寿命作出预测,这就是绝缘监测的理论基础。

2 监测数据的采集

(1)多路转换单元。

用以对多台设备和某设备的多路信号(均来自传感器)进行选择或作巡回监视、一般可用继电器或程控模拟开关对信号进行选通。

(2)预处理单元。

其功能主要是对输入信号的电平作必要的调整,以满足模数转换器对输入模拟信号电平的要求,同时要采取一些措施抑制干扰以提高信噪比。故该单元又可分为两部分:一部分是放大倍数可调整的程控放大器;另一部分是抗干扰设施,例如设置滤波器、差动平衡系统等。

要强调指出的是预处理单元的位置一般应安排在数据采集之前,甚至有时它与传感器安排在一起,即采取就地处理的方式,这样可大大削弱信号传输过程中受到的干扰影响。其原因如图1所示:

从传感器S输出信号Us,经预处理P放大K倍,若在信号KUs传输过程中加入干扰信号UI,那么数据处理单元A得到的信噪比SNR1=KUs/ UI;若将P放在A处,则其信噪比为SNR2=Us/ UI,减少为就地预处理的K分之一。

(3)数据采集单元。

它包括采样保持和模数转换器ADC。前者由采样保持放大器(放大倍数为1)、电子开关、保持电容器等元器件组成,其功能是在模数转换周期内存储信号的各个输入量,并把数值大小不变的信号送入模数转换器。它缩短了模数转换的采样时间,从而提高了系统的运行速度。ADC是数据采集系统的核心,需要满足转换速度和准确度两方面的要求。转换速度(采样速度或称采样率)视信号采集的要求而定,若要采集信号波形则需较高的采样率:若只需采集信号峰值,则可选择较低采样率。一般采样率可在50 khz—10 Mhz间选择。

3 绝缘监测的测试内容及原理

3.1 变压器套管的监测

(1)监测内容。

变压器套管为电容型设备,监测内容如下:介质损耗tg 、泄露电流I0、电容量变化率△c/c、不平衡电压Uo。

(2)介质损耗tg 的测量原理。

介质损耗测量对设备绝缘的劣化的故障有较高的灵敏度,在绝缘预防性试验中是必不可少的测量项目。同时高压设备的介质损耗一般都很小,所以对测量的精度要求很高,而且在现场测量时易受各种形式的干扰,因此要精确而稳定地在线监测设备的介质损耗难度较大。本系统在测量时,采用电容取样信号和微机自动控制头半平衡电桥的测量原理,具有取样信号大、抗干扰性强和测量数据稳定的特点。

3.2 信号的抽取

(1)作为参考信号的PT二次电压信号的抽取。

PT二次电压信号是作为测量参考信号引入的，

由于PT二次电压信号同时还作为继电保护的电源用,绝对不允许短路,所以我们在引入此信号时采用了如下措施:

固定安装位置;固定安装在端子排上;在信号输入回路中串快速熔断器,回路中有两处串快速熔断器,分别在端子排和信号选线箱内;将输入信号与测量回路通过精密的隔离电压互感器可靠隔离。隔离后有两点好处:第一,防止测量回路故障对PT信号的直接短路。第二,由于未屏信号经电容探头取样后,地线无法与设备接地线断开,经过对PT二次信号隔离后,还可消除地电位的干扰影响。

(2)套管未屏信号的抽取。

变压器套管的信号抽取方法采用在未屏对地之间串标准电容器组的方法。标准电容器组上还并联有放电管、短路刀闸及保护间隙,可确保高压设备的安全运行。另外,合上短路刀闸还可安全方便地更换标准电容器组。这些元件安装在一个封闭的铝合金箱内,每个铝合金箱内安装一组(A,B,C三相)变压器套管。

3.3 油中氢气的监测

本文研究的测氢控头采用高分子膜渗透油中氢气,直接从油中分离出氢气进行在线监测,弥补了气象色谱法周期性限制和误差大的缺陷,并根据氢气含量的变化情况,预知设备的早期故障,是目前较为理想的手段。

油中氢气含量的测量采用活化的铂丝作为氢敏元件,当氢气在加热到恒定高温的铂丝上燃烧时,引起铂丝电阻值的变化,这种变化在一定范围内与氢气浓度成函数关系。对氢敏元件获得的信号进行采集处理,即可得到氢气浓度。有稳定可靠及寿命长的优点,是国外采用燃料电池作为氢敏元件所不能匹及的。

3.4 绝缘监测的测量原理

测氢探头采用高分子膜渗透油中氢气,直接从油中分离出氢气,采用活化的铂丝作为氢敏元件,通过氢气在铂丝上燃烧,引起铂丝电阻值的变化,来测量氢气含量的。

当电力变压器在正常运行时,绕组周围存在电场,而铁芯和夹件等金属构件处于该电场中,且场强各异。若铁芯不可靠接地,则将产生悬浮电位、引起绝缘放电。因此铁芯必须可靠接地。但是,由于各种原因使铁芯产生多点接地后,一方面造成铁芯局部短路,质链部分磁通产生感应电势,形成环流,这种环流有时高达数百安培,产生局部过热,引起油分解另一方面,由于铁芯的正常接地线产生环流,引起变压器局部过热,也可能产生放电性故障。运行经验表明,铁芯接地电流正常情况下在几个到几十个毫安当铁芯多点接地时,该电流可能增大到几个安培甚至还要高。

(1)上层油温的监测。

变压器上层油温的异常变化,可以反映出变压器的过热性故障。本系统用PT100温度传感器对上层油温进行监测。测量的原理框图所示:

(2)母线过电压的监测。

对变电站母线过电压进行在线监测,可以了解变电站内高压设备遭受雷电过电压和操作过电压的频率和强度,了解避雷器的动作状况和保护作用,为设备事故分析提供第一手资料,同时,通过数据积累,还可以为相应的标准的制定和修改提供参考数据。

(3)气象条件监测。

气象条件的监测采用专用测量温度、湿度的探头,对环境气象条件进行监测。传感器置于标准气象箱内。

4 结语

变压器的绝缘监测技术是电力系统最具有潜力的技术之一,定义集中、高智能化、高精确度为发展方向。它的硬件技术发展与传感器技术、电子技术、光纤技术的发展密切相关,这个领域的每一项突破性成就都有可能给检测带来发展机遇。

参考文献

张占银,陈化钢,韩素云译.高电压设备的绝缘监测[J].安徽电力试验研究所,,(1).

盛昌达.电气设备绝缘在线监测的几个问题 [J].电企联杂志,,(2).

绝缘材料知识(3)气体绝缘材料 篇3

自上世纪50年代以来，六氟化硫(SF6)气体因其优良的绝缘强度和化学惰性，逐渐成为高压电气设备中首选的绝缘气体。但SF6因含氟而对大气层的温室效应有不利的影响，因此，人们正在寻找新的气体绝缘介质来替代电力工业大量使用的SF6气体，以减少其排放量和使用量。

1 气体绝缘材料的分类

气体绝缘材料主要包括空气、氮气、二氧化碳、SF6和它们的混合气体等。附表为一些气体电介质的物理性质。

1.1 空气

空气在自然界中分布最广且最廉价，是应用最广的一种气体电介质。作为一种混合介质，空气具有液化温度低 (-192℃) 、击穿后能自愈、物理化学性能稳定等优点，所以在断路器中多以空气作为绝缘介质。

1.2 氮气

与空气相比，N2化学性质更稳定 (空气中含有约21%的O2及其它杂质，与金属材料接触时，由于氧化使之易于腐蚀材料) ，呈惰性且不助燃，压缩氮气在电气设备中是一种常用的气体电介质。

1.3 SF6气体

SF6气体是一种电负性气体，具有高的击穿场强，在均匀电场下大约为空气的2.5倍，当气体压力为0.2MPa时，其绝缘强度相当于绝缘油。同时SF6气体具有优良的灭弧性能，在高压灭弧室中，其灭弧能力约为空气的数10倍。

纯净的SF6气体是无毒的，有较好的化学稳定性和耐热性，在150℃下不与水、酸、碱、卤素及绝缘材料作用，在500℃以下不分解，但温度超过600℃时，SF6气体将产生部分热分解。近30年来，SF6气体在高压电气设备中的应用日益广泛，如充SF6气体的互感器和断路器已成为我国220～500kV电力系统中的主流设备。

1.4 混合气体

混合气体通常由2种或多种气体组成，目前作为电气绝缘用混合气体大致可分为：

(1) SF6或氟化烃气体与永久性气体混合，如：SF6-He, SF6-N2; (2) SF6和其它电负性气体混合，如：SF6-空气，SF6-CO2, SF6-N2, SF6-氟化烃气体;(3)其它混合气体，如：CO2-N2, CO2-空气。

在上述混合气体中，SF6和其它气体的混合气体具有比纯SF6更优异的电气强度，价格也较便宜，特别是SF6-N2混合气体，被认为是目前较有发展前途的一种混合气体。

2 气体绝缘材料的特点及应用

2.1 特点

一般说来，气体在放电电压以下具有很高的绝缘电阻，而且一旦发生绝缘破坏，也容易自行恢复。与液体和固体相比，其缺点是绝缘屈服值低。因此，对其要求为：(1)具有很好的游离场强和击穿场强，并且击穿后其绝缘性能能够迅速、自动地恢复，属于弹性击穿;(2)化学性质稳定，惰性大，无腐蚀性，无毒;(3)不燃，不爆，不易因放电作用而分解;(4)热稳定性高，热容量大，导热性和流动性好;(5)容易制取，成本较低;(6)液化温度低。

2.2 应用

气体绝缘材料主要承担着电气设备中的绝缘任务。由于气体绝缘材料的电导、介电常数和损耗都很小，对高压、高频绝缘都适用。因此，在电气绝缘技术中，它们被广泛应用于架空线路、变压器、全封闭高压电器、高压套管、通讯电缆、电力电缆、电容器、断路器以及静电电压发生器等设备中。

在电气设备中，空气常用作输、配电线路及变压器的绝缘或辅助绝缘;压缩气体常用作断路器的绝缘和灭弧介质;真空用于高压真空开关(如真空断路器等)和各种电子管等。

由于SF6气体绝缘强度高，因此越来越广泛地应用于全封闭组合电器、断路器、气体绝缘变压器、充气管路电缆、X射线装置电源和导波管等，具有设备体积小、占地省、造价低等特点。

3 影响气体绝缘材料击穿强度的因素

气体绝缘材料的击穿一般是由电子碰撞电离引起的。在强电场作用下，气体中的带电质点(主要是电子)获得巨大的能量向阳极运动，并撞击气体分子使之游离为正离子和电子，这些电子又从电场中获得能量，并在向阳极运动的过程中继续撞击其他的气体分子使之电离。这种连锁反应的结果就形成了一条电子向阳极运动的高电导通道，导致气体最终被击穿。

人们经过实践总结出气体击穿的规律，这个规律称为巴森定律，即在温度一定时，在均匀电场中，气体击穿电压Ecp与气体的压力p和电极距离d的乘积有关，其具体表达式为

Ecp=B·p·d/ln[A·p·d/ln (1+1/r)]

式中A、B、r是一组与气体种类、温度及电极材料有关的常数。在均匀电场中，当电极的距离在0.1cm左右，20℃时极距d与击穿电压关系Ecp=30d+1.35 (k V);当d值在1cm左右时，在上述温度和压力下空气的击穿电压Ecp=30.75d+1.23 (kV)。

影响气体间隙放电电压的因素是电场分布形式、外施电压波形和气体状态。

3.1 电场分布形式

均匀电场中的空气间隙，其击穿电压高，反之其击穿电压低，而且分散性也大，这是电场均匀程度影响放电电压的根本原因。

提高击穿电压的措施有：采用有利的电极结构，增大电极曲率半径，改善电场分布。在电场极不均匀的空气间隙中，放入薄片状的固体绝缘材料(纸或纸板)作为屏障，在一定条件下可以明显提高间隙的击穿电压。屏障本身的耐电强度没有多大意义，其主要作用是阻止了空间电荷的运动，改善了空间电荷的分布状态，使间隙的击穿电压提高。

3.2 外施电压波形

在电力系统中，空气间隙受到工频波、雷电波和操作波3种形式的电波作用。从其作用时间来说，工频波最长，操作波次之，雷电波最短。在均匀电场中，同一间隙下工频波、雷电波、操作波的击穿电压差相差不大。在不均匀电场中，同一间隙下，雷电波击穿电压最高，操作波击穿电压次之，工频波击穿电压最低。

3.3 大气状态

即气压、温度、湿度等因素的影响。

(1)气压、温度。当气压降低或温度升高时，空气密度下降，电子在两次碰撞间所经过的平均自由行程增大。因而从电场中获得的动能增多，碰撞电离能力增强，空气间隙的直流、工频、冲击等放电电压降低。如在高海拔地区，由于空气密度低，放电电压也降低。海拔每升高1000m，放电电压降低10%左右。所以，在设计变压器的外绝缘时要充分注意这一点，如套管要采用加强绝缘的措施。

(2)湿度。湿度增加时，气体间隙的火花放电电压升高。因为湿度增加后电子与水汽分子碰撞的机会增多，水汽分子容易形成活动能力差的负离子，以致碰撞游离能力减弱，在更高的电压下才发生放电。

在均匀电场中，湿度的影响较小，只需对气压、温度进行校正。在不均匀电场中，湿度的影响较明显，要求对气压、温度、湿度同时进行校正。

4 气体绝缘材料的发展趋势

当前对气体绝缘材料的研究主要集中在SF6气体及其混合气体上。由于SF6气体价格较贵，液化温度相对较高，对电场均匀性十分敏感，人们一直在寻找SF6与其它气体的混合介质，以期降低成本。通过试验，发现SF6气体与其它气体的混合介质在电气绝缘上是大有作为的。

4.1 电负性气体与缓冲气体的混合物

这类混合物中研究较多的是SF6-N2和SF6-CO2，其中SF6-N2已应用于实际装置中。试验表明，SF6气体与缓冲气体的混合物在均匀电场击穿电压下降不多，但可使SF6含量大大降低，并且在极不均匀电场中一定气压范围内SF6-CO2的电气强度高于SF6气体。

人们对SF6混合气体的研究，主要集中在SF6与常见的廉价气体上，如：空气、N2、CO2等气体的混合气体。实践表明，除了电气性能以外，混合气体在工程上的使用还应考虑气体的热稳定性和化学性能，如空气中含有氧气，对金属材料具有氧化作用;CO2在电弧作用下会分解出碳粒，导致设备的绝缘性能下降。因此，认为SF6-N2是比较理想的混合气体，但其在工程上的广泛应用还有待于人们的进一步研究。

4.2 SF6替代气体的研究

自上世纪90年代以来，SF6气体的温室效应引起了各国环保专家的重视。尽管气体绝缘开关装置的年气体泄漏率小于1%，但由于SF6化学稳定性高，在大气中的寿命长达3200年，因此1997年的京都会议将SF6列为全球6种温室气体之一。为此，国内外在寻找合适的SF6替代气体方面开展了大量的研究工作。

基于对SF6气体物理特性、绝缘和灭弧性能的分析，可替代SF6气体的其他绝缘气体应满足以下条件：(1)寻找SF6的替代气体的分子结构设计应该借鉴SF6，替代物中的组成原子，应当包含电负性较强的原子，同时从整个分子结构来看，应具有很好的对称性;(2)替代SF6的气体应当具有SF6的绝缘和灭弧性能，同时具有无毒，不易燃的特性，而且应基本没有温室效应;(3)新的气体或混合气体必须有良好的安全性而且对环境的影响小。

气体绝缘变压器 篇4

1 气体绝缘封闭组合电器的特点和问题

1.1 特点分析

SF6气体常用于气体绝缘封闭组合电器的绝缘介质, 也是保证设备运作的重要构成。首先, SF6气体本身属于惰性气体, 化学属性稳定, 同时带有负电, 能够吸引电子, 而且密度高, 行动速度比较缓慢, 所以符合绝缘条件, 同时GIS设备本身内部的电场是极其不均匀的, 而且属于典型类型, 同时SF6本身具有耐电压的特征, 而且会因为电压大小变化而受到影响, 特别是内部如果产生机械性故障问题, 则会让电场发生转变进而影响到供电设备。

1.2 缺陷分析

对于气体绝缘封闭组合电器来说, 存在诸多的缺陷, 即如安装和运行存在的缺陷, 即像零件接触引发的电极问题, 设备使用的正常老化, 还有材料本身加工存在的介质空间都会让设备运作出现故障, 同时根据多次实践经验总结, 外界物质以及悬浮颗粒会让设备出现较多故障, 同时这两类物质的来源可以归结为多个方面, 即如安装制造过程中;设备本身运作产生, 比如设备上的磨损脱离等等[1]。

2 气体绝缘封闭组合电器故障检测方法分类

2.1 交流电压与局部放电检测

对于交流电压检测可以通过相关实验进行, 即如利用现场实验, 检测进行老练实验与耐压性实验, 根据图示和数据进行分析, 例如设备的最高电压数据以及交流耐压的电压。同时在运用交流电压后, 气体绝缘开关设备中会产生大量的悬浮粒子, 从而让整个设备出现安全问题, 同时设备会对这些悬浮粒子产生巨大的压力, 同时在加压状态中, 电压值不断升高, 悬浮粒子也呈现上升趋势, 而让电场强度得到下降。则可以减少电晕现象;另外如果不停止加压, 则可以让悬浮粒子完全烧毁。不过要保证老练实验优先进行, 才能让实验具有更强的说服力;最后, 虽然高压交流试验对于GIS的绝缘检测最佳, 但是对于悬浮粒子的检测也具有一定的功效。另外, 多数设备局部放电的原因多数是由自身老化所引发的, 会对功能的影响往往巨大, 所以可以通过局部放电检测可以完全解决这个问题, 而局部放电的检测流程可以与交流电压检测同步, 以便于探寻设备的潜在问题。

2.2 雷电冲击检测

雷电冲击检测就是利用绝缘体自己所具有的耐电压特征, 而基于雷电冲击条件, 会出现电击穿状态, 另外, 热击穿与游离击穿也会同步发生, 特别是当绝缘体的耐受电压达到工频电压标准时。另外, 雷电击穿检测本身与绝缘体的外因和内因 (即受潮情况与击穿时间) 并无太大关系, 所以通过雷电冲击检测则可以快速察觉出气体绝缘封闭组合电器存在的问题和需要改进的方向。

2.3 SF6气体分解产物检测

虽然SF6气体属于惰性气体, 具有较强的稳定性, 但是因为气体绝缘封闭组合电器也需要历经设计、装配及维护阶段, 所以环境较为复杂可能导致气体的稳定性受到一定的影响, 进而产生分解情况。而对于设备来说, 也由于密封较好, 导致一些无法预知的情况出现却很难快速发现。而目前技术对设备进行维修都需要预先进行断电, 这也让电力系统无法持续为国民生活、工作进行持续服务, 进而导致经济受损, 所以需要对维修方法进行改进, 而SF6气体分解产物检测是目前行业内提出的一种安全检查手段, 其也是历经十多年实验实践的成果, 而且已经有大量的案例证明, 这种实验方法能快速准确检测设备内部的故障问题[2]。最后, 对于不同电压条件下的气体绝缘封闭组合电器, 气体分解产物检测周期也存在差异的, 即如:低于35Kv电压规格的设备, 其中新型设备半年检测一次, 而旧的设备则遵循每2-3个月检测一次, 必要才进行检测;110Kv-220Kv电压规格的设备, 其中新型设备三个月检测一次, 而旧的设备则遵循每1-2个月检测一次, 必要才进行检测;而330Kv-1100Kv的设备, 其中新型设备三个月检测一次, 而旧的设备则遵循每年检测一次, 必要才进行检测。

2.4 红外成像检漏仪检验

红外成像检漏仪, 顾名思义, 其作用是用于SF6气体泄漏的检测。就气体绝缘封闭组合电器而言, 其构成可以包含多个密闭的气室, 每个气室的空间约为0.4-0.7MPa, 远远小于大气压, 如果发生漏气很容易导致设备内部混入过多的空气, 影响绝缘效果。而一般检测运用的是肥皂进行检测, 而检测人员需要将肥皂涂抹在不同位置, 这个过程往往需要大量的时间以及人力资源, 而且无法杜绝误检、漏检的问题。而红外线成像检漏技术则可以大大缩短检测的时间, 特别是通过成像原理很快反应出漏气部位, 以便维修人员能够快速找到。而且红外成像技术可以穿透密封的金属外壳, 对设备内部进行检测, 不但能减少设备因为检测受到的损害, 同时还能够反应设备整体的运作情况, 因而值得广泛推广和运用。

3 结语

气体绝缘封闭组合电器是一个密封的设备, 也由于其特殊属性, 让其在故障检测方面存在较多的问题和难度。所以需要对传统的人工检测方法进行改进, 即拓展相应的方法, 最后针对设备的不同的问题, 选择更具有针对性的检测方法, 这样也能够降低检测的难度性, 让气体绝缘封闭组合电器能够稳定可靠, 并且在电力系统中充分发挥其关键的作用, 也让维修难度降低, 维修更加便捷。

参考文献

气体绝缘变压器 篇5

GIS应用广泛,但由于制造工艺、运输、安装等原因,GIS内常存在一些缺陷,影响着GIS工作的稳定运行。通过对GIS中局部放电产生的超高频电磁波信号进行检测,可实现对放电源的诊断[1,2,3]。

GIS在变电站中应用较多,有共轴式和三相共筒式,国内外对于共轴式GIS研究较充分。三相共筒式GIS内部的导体、绝缘子的尺寸等其特殊形式,三相导体的排列使得其内部放电形式更加难以辨认,电磁场极其复杂,国内外对三相共筒式GIS局部放电的研究报道并不多[4,5,6,7]。基于此,对110 k V三相共筒式GIS进行了缺陷模型的设计和仿真计算,分析了高压导体上存在毛刺缺陷时所产生电磁波的传播特性,在实验室对三相共筒式GIS的放电做了测量,对仿真计算结果进行验证。

2 仿真模型设计和结果分析

2.1 仿真模型的建立

为研究电磁波的传播特性,根据三相共筒式GIS的结构参数设计的模型如图1所示。表1为GIS结构参数。

2.2 缺陷和激励源的设置

以高压电极上的金属突出物缺陷为例,为了使仿真结果较为理想,将金属突出物设计为材料为铝的圆锥,其面半径为5 mm,高度为20 mm,比实际中的金属突出物缺陷大,将金属突出物放置在其中一相高压导体上。采用脉宽为1 ns,幅值为10 V的波端口脉冲电流激励作为三相共筒式GIS模型内局部放电的激励源。

2.3 TEM波的传播特性

TEM波在同轴传输系统中,电位函数Ψ(r,Φ)满足拉普拉斯方程:

因为圆柱的对称性,Ψ为电位函数;r为圆柱半径(单位为m);Φ为角度(单位为π),所以有:

其中,A,B为积分常数,r为圆柱半径(单位为m);电场Er分量(单位为V/m)和磁场分量(单位为T)分别为电场和磁场分量分别为:

式中,a、b为常数;η为系数;V为导体内外电压(单位是V),由式(3)可以看出,在同轴波导系统中电场只有r分量,磁场是绕着同轴波导的同心圆,且越靠近内导体则附近电磁场越强。

2.4 超高频电磁波的传播

对于110 k V三相共筒式GIS模型,设置针尖缺陷,其电场和磁场仿真结果如图2所示。观察图2可发现,在三相高压导体间电场矢量和磁场矢量分布最大,从高压导体至外壳场域矢量呈现减少趋势。这与同轴波导中TEM波分析计算的理论一致。

超高频仿真过程中,通过改变缺陷位置和盆式绝缘子的距离可以得到盆式绝缘子两面的场域分布,让放电源距离绝缘子越来越近,仿真结果如图3所示。观察图3可发现,三相共筒式GIS中,三相高压导体外电场强度逐渐减小,接近于三相高压导体中心处,场强逐渐增大。说明超高频电磁波主要是沿着三相高压导体间向前传播的。

3 超高频电磁波的实测研究

3.1 超高频测量系统

在试验时所用的局部放电信号检测传感器放在GIS内的绝缘子中,为了更好地进行对比,在GIS腔体内壁安装天线传感器。试验在导体上设置毛刺故障,检测放电的信号。实物图如图4所示。

3.2 局放信号测量

将绝缘子内置天线传感器连接到局放仪的1通道,局放仪的2号通道与内壁上的传感器连接,检测结果如图5所示。

试验中当电压加到99 k V时,在绝缘子上的传感器接收到的信号较多也较为集中,超高频局部放电检测仪在单位时间内接收到的超高频信号数量更多。三相共筒式GIS内局部放电产生的超高频电磁波,由于三相高压导体间的相互屏蔽作用,电磁波主要沿着三相高压导体之间向前传播,试验结果与仿真计算比较一致。

4 结论

(1)三相共筒式GIS局部放电产生的超高频电磁波,主要沿着三相高压导体之间向前传播。

(2)超高频电磁波在三相高压导体间传播的特点为研究共轴式GIS和三相共筒式GIS提供了借鉴,同时可以作为更精确的局放信号检测的参考依据。

摘要：研究气体绝缘组合电器(GIS)中的电磁波传播特性对于其内部的故障检测至关重要。为了提高局部放电检测水平,采用三维电磁仿真软件HFSS对三相共筒式GIS内存在的毛刺缺陷进行了建模和仿真计算。结果表明:当采用脉宽为1 ns、幅值为10 V的波端口脉冲电流作为局部放电的激励源时,与共轴式GIS中电磁波传播不同,局部放电产生的超高频电磁波在三相共筒式GIS内主要沿着三相高压导体间传播。在实验室三相共筒式GIS模拟缺陷装置上,对安装在绝缘子上的天线传感器和腔体内表面传感器进行了局放测量的对比,测验结果与仿真计算结果一致。

关键词：气体绝缘组合电器,仿真计算,电磁波,超高频,局放测量

参考文献

[1]白宇涛.GIS设备安装质量控制要点[J].电力自动化设备,2007,27(3):124-126.

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[3]郭灿新,张连宏,姚林朋,等.局部放电HF/UHF联合分析方法的现场电缆终端检测应用[J].电力自动化设备,2010,30(5):92-95.

[4]牛雪松,张爱民.三相共筒式GIS内典型绝缘缺陷局部放电试验的比较分析[J].电工材料,2014(6):35-38.

[5]左帆,钱超,万杰枫,等.GIS综合在线监测系统设计[J].电器与能效管理技术,2015(20):28-31.

[6]杨帆,滕昊,牛雪松.基于超高频法的GIS局部放电研究[J].电工材料,2014(1):11-14.

气体绝缘变压器 篇6

GIL不仅具有与架空线路相当的传输能力,还具有低电阻损耗、低电容负载、可靠性高、安全环保、使用寿命长等显著优势[1,2,3,4]。GIL可以代替架空线路和电缆广泛地应用于电网中。使用GIL时,其导体和外壳上均会产生大量热量,导致温度升高,直接影响GIL的载流能力,需要对GIL温升特性展开更加深入地研究。

国内外学者已经对GIL以及GIS母线、母线槽等的温升问题展开了研究[5,6,7,8,9,10]。目前,应用于温升问题的求解方法主要分为: 实验法、解析法以及有限元分析法。实验法可以准确反映当前实验状况下研究对象的温升,但应用范围受实验条件的限制,不能进行一般性的推广应用[5]。工程上研究温升问题常使用的方法是解析法[6,7],其计算结果不能较准确地反应GIL内部温度的实际变化,这是因为解析法将对流换热系数设置为常数,不能反映实际环境对温升的影响。有限元分析法被广泛应用于分析、解决电磁场及温度场的问题中[8,9,10]。通过对有限元中每个单元建立的方程进行联立求解,得出近似的场分布。本文提出一种用于研究GIL的稳态温升的有限元模型。通过对比模型仿真数据与实验数据验证了模型的有效性,并给出了GIL温度近似分布图。利用模型分析了不同负荷电流、气体压强、绝缘气体类型以及导体直径对GIL温升的影响,为GIL的参数设计提供了理论依据。

2 气体绝缘输电线路数学模型

2. 1 GIL 结构示意图

常见的GIL是由高电导率的铝合金材料的导体,铝合金材料的外壳,支持导体内部绝缘子,分隔相临隔室的绝缘子,绝缘气体以及伸缩节等组成的。图1为GIL的简化横截面示意图,其中标出的测试点1 ~ 4为下文仿真中数据点的具体位置,GIL外围为空气。测试点1 ~ 4所指位置分别为导体外表面顶端、导体外表面底端、外壳外表面顶端以及外壳外表面底端。

2. 2 电磁场数学模型

本文假设导体为标准几何圆形,且外壳与导体同轴。选取GIL横截面以及其外围的空气为求解域。假设空气的外层边界足够远,不受GIL温度变化的影响。忽略端效应及位移电流。

GIL求解区域的电磁场模型可以用麦克斯韦方程组表示。

式中,H为磁场强度矢量; B为磁通密度矢量; E为电场强度矢量; D为电位移矢量; δ为电流密度矢量; ρ为电荷体密度。由于GIL模型在工频交流电下运行,场强随时间的变化较慢,位移电流密度与传导电流密度相比可以忽略不计,所以文本GIL模型只考虑磁场变化所产生的电场,不考虑电场变化产生的磁场。

本文研究的是二维GIL模型,求解域中的几何参数、物理参数沿z轴方向均无变化。若将麦克斯韦方程组直接作为电磁场的控制方程,需要联立求解矢量方程,每个矢量方程均包含两个标量方程,并且涉及不同的场矢量,这会导致计算量过于庞大。为了减少控制方程未知数的个数从而减小计算规模,引入矢量磁位A,矢量磁位只有z轴方向分量,即:

将式( 5) 代入式( 1) 中,得到:

其中,μ为GIL导体的磁导率。

为了简化计算,可以将电流密度看作源电流和涡电流两部分的组成。源电流区的电流密度大小及分布与GIL负荷电流大小以及导体尺寸有关; 涡电流区的电力密度与GIL导体的磁导率相关。

式中,δs和δe分别为源电流和涡电流; σe为GIL导体的电导率。

将式( 5) 代入式( 2) 中,由于时间导数与旋度的运算顺序可以交换,得出:

式( 9) 为一个无旋的矢量场,对于任一标量函数,其梯度的旋度恒为零,因此GIL的电场强度矢量为:

由于电流方向为z轴方向,电场是沿xy平面,沿z轴方向无变化,所以可以忽略标量电位,则式( 11) 可写为:

2. 3 流体场及温度场数学模型

GIL的热量通过热传导、热对流以及热辐射这三种方式由导体传递给外壳并扩散到空气中。为了减小传统GIL温度分析模型中对流换热系数取为恒定值所带来的误差,本文将求解区域扩展到GIL周围空气进行求解。建立温度场模型时忽略风速以及太阳辐射、绝缘气体的辐射散热。绝缘气体和空气除了比热为常数外,其密度、粘度以及导热系数均与温度有关。

GIL中的绝缘气体或外围空气的密度、粘度和导热系数计算如下:

式中,P为压强; ρ、η以及λ分别为气体的密度、粘度和导热系数; ρ0、η0以及λ0分别为SF6气体、N2或者空气在室温下的密度、粘度和导热系数; k1、k2为与室温下气体物性参数相关的定值。

对于均匀不可压缩粘性流体,绝缘气体以及空气都需考虑瞬态流动,GIL对流换热方程可以表述为:

式中,u为气体的速度矢量; u、v为气体在x、y上的速度矢量的分量; fy为作用在y轴上力的大小; Cf为比热容; Q为体积热源。

GIL的导体与外壳及外壳与环境之间不仅存在对流换热的热量交换形式,还存在辐射换热。GIL的不同表面之间的辐射换热的表达式如下:

式中,Ai为单元i的面积; ε为表面发射率( 黑度) ; σ为Stefan-Boltzmann常数; Fij为角系数; Ti为单元i的温度; Tj为单元j的温度。

考虑到GIL外表面的能量平衡,辐射换热的边界条件表达如下:

式中,Tt为外壳温度; Ta为环境温度。

GIL的导体与外壳的辐射换热的边界条件为:

式中,Tc为导体温度; Tf为绝缘气体温度。

在外边界施加恒温值,在固体、流体交界面为无滑移边界即速度矢量均为0。

3 温度场的计算结果及分析

有限元法求解问题的方法是将有限元模型中的求解区域划分成有限个单元,并对每个单元建立电磁场和温度场的控制方程。在考虑到负载和约束情况下对这一系列的方程联立求解,可以求得GIL的电磁场和温度场近似分布图,具体步骤如下所示:

( 1) 设定环境温度值即初始温度值Ta。

( 2) 根据式( 1) ~ 式( 12) 建立有限元电磁场模型,将初始温度值代入模型中,进行参数设置,求解导体和外壳的电导率,计算功率损耗结果。

( 3) 根据式( 13) ~ 式( 19) 将结果作为载荷,代入温度场以及涡流场中,并根据式( 20) 、式( 21) 施加边界条件,进行对流换热分析以及辐射换热的分析。

( 4) 将求解后的温度值与前一次迭代温度值( 第一次计算则与初始设定温度值) 进行比较,判断温度误差是否小于5% 。

( 5) 若满足误差允许范围,则迭代结束; 否则,将温度值作为下一轮迭代初始值,继续进行计算分析。

( 6) 输出GIL的温度分布图。

文献[7]采用实验法主要从三种运行条件下研究GIL温升特性,分别为在固定环境温度值下的温升特性,在环境温度变化下的温升特性以及在GIL安装角度变化下的温升特性。本文选取与文献中的相同的条件参数以及GIL的尺寸材料,在固定的环境温度值下进行仿真验算。根据式( 13) ~ 式( 15) ,GIL中不同的材料特性列于表1。

图2为0. 35MPa的SF6绝缘气体在8k A的电流下求解区域的温度分布云图。

由图2可以看出,GIL的温度呈对称分布。导体上表面的温度为GIL求解域中温度的最高点,温度为96. 1℃,导体的上、下表面温差不大,可以将导体看作等温体。导体和外壳之间的绝缘气体的温度是按梯度分布,温差较为明显,上部分绝缘气体温度高于下部分。这是由于在浮力的作用下,加热的SF6气体上升到GIL的上部分,致使上部分气体流速较高,而下部分的气体几乎处于静止状态。上部分气体通过辐射和对流换热的方式传递热量,即根据式( 16) ~ 式( 19) 求得热量; 而下部分气体则通过辐射和热传导的方式进行传递热量,即根据式( 13)~ 式( 15) 以及式( 19 ) 求得热量。由于热传导的效率远低于对流换热,绝缘气体的温度呈阶梯状分布,并使GIL的外壳上、下 表面温度 为61. 4℃以及57. 9℃ ,产生了较大的温差。

表2是将电流强度分别为5k A、7k A以及8k A的仿真值与实验值[5]进行对比,分析得出两者的结果在误差允许的范围内,验证了模型的有效性。

( 单位: ℃ )

4 温升相关的参数分析

本节选取GIL如下标准参数: 导体内径、厚度分别为140mm、20mm; 外壳内径、厚度分别为470mm、15mm; 导体表面的发射率ε为0. 9; 外壳内、外表面发射率ε分别为0. 1和0. 9; σ为5. 67×10- 8W /( m2·K4) ; 0. 35MPa的SF6绝缘气体; 电流强度取为8k A; 环境温度即初始温度设为29℃并换算为绝对温度值; 室温下的导体电导率取为2. 78×10- 8S / m。改变其中一个参数进行GIL温升特性分析。

4. 1 不同负荷电流

改变电流强度值,保持其他参数不变,计算在不同的负荷电流强度下的GIL测试点1 ~ 4的温度值。根据仿真值作图3。

从图3可以看出,各测试点温度随着电流强度的增大而升高。由于热传导、自然对流以及辐射的原因,随着电流增强,外壳与导体温差越大并且温升与电流呈非线性关系。这是因为: 温度的增加,导致式( 14) 、式( 15) 中的气体粘度和导热系数增加,热传导加剧; 式( 16) ~ 式( 18) 中的气体速度矢量增大; 式( 19) 表明辐射换热与两个单元温度四次方差有关,不同表面之间的辐射换热量增加。

导体的测试点1、2的温差较小,图3中两条线几乎重合。负荷电流为4k A时,导体最高温度为48. 3℃ ,最低温度为48. 2℃ ; 负荷电流为9k A时,外壳最高温度为110. 4℃,最低温度110. 2℃。外壳的测试点3、4曲线随着负荷电流增长,温差逐渐增大。负荷电流为4k A时,外壳温差为0. 9℃; 负荷电流为9k A时,外壳温差为4. 2℃。

4. 2 不同气体压强

改变SF6绝缘气体的压强,保持其他参数不变。测试点1 ~ 4的仿真数据如表3所示。

( 单位: ℃ )

分析表3的数据可知: 导体温度随着压强的增加而减小,导体上表面温差约为13℃和3℃,表明趋势明显减缓; 导体的上、下表面的温差也随着压强增大逐渐减小。随着气体压强的增加,外壳的温升变化较小; 外壳温度上下浮动不超过1℃; 外壳的上、下表面温差略有增大,由3. 1℃、3. 4℃到3. 5℃。

根据式( 13) 以及式( 16) ~ 式( 18) ,绝缘气体压强的增大,导致气体的密度相同倍数增大,直接影响GIL导体的散热,致使GIL导体温度产生显著变化。但导体温度变化程度对导体电阻率影响较小,导致热流密度变化不大,外壳的温度变化较小。

4. 3 不同绝缘气体

保持其他压强不变,设置GIL绝缘气体的种类和比例,进行分析。绝缘气体分别取为SF6、SF6/ N2( 50 /50% ) 的混合气体、SF6/ N2( 20 /80% ) 的混合气体以及N2四组,仿真数据见表4。

( 单位: ℃ )

在相同的电流强度下,对比GIL四个组别的绝缘气体在测试点1和2的温度,组别二的温度最低,为92. 9℃; 组别三次之,且与组别二的差别甚微; 组别四的温度最高,为100. 8℃,且与其他组别的温差较大。

在相同的电流强度下,对比这四个组别的绝缘气体在测试点3和4的温度,GIL外壳表面顶端、底端的温度都没有明显的差异; 组别一的外壳温度比其他三组别的略低。

外壳通过对流以及辐射方式进行散热。热平衡取决于外壳的发射率。根据能量守恒定律,在外界环境和发射率均无变化时,总换热量不会因为气体的组成变化而变化,所以四种绝缘气体对应的GIL外壳温度无太大差异。综合分析,SF6和N2混合气体的效果最优。

4. 4 不同导体直径

改变GIL导体的厚度值,根据测试点1 ~ 4的仿真温度值作图4。

保持导体外径不变,改变导体的厚度,从图4可看出,导体及外壳的稳态温度值不是单调变化的; 当导体厚度较小时,随着导体厚度的增加,导体的温度减小,测试点1的温度值分别为103. 6℃、99. 8℃、97. 0℃ ; 直至厚度为21 ~ 23mm时,温度存在最小值,最低温度所对应的导体测试点1、2的温度约为95. 6℃、95. 5℃ ,外壳测试 点3、4的温度约 为61. 1℃、57. 7℃ ; 当导体厚度继续增加时,导体温度则缓慢增大,导体测试 点1的温度值 增长为96. 1℃、97. 5℃。

这是由于在导体的形状、外形尺寸、材料导电性能以及电流频率等条件确定时,影响温升的主要因素是交流电阻值。在GIL导体厚度较小时,交流电阻随着厚度增加而快速的下降; 随着厚度继续增加,交流电阻下降速度逐渐减缓; 在壁厚增加到约为20mm时,交流电阻略有上升。

导体的厚度变化除了影响交流电阻外,也会影响GIL的散热以及机械强度等因素。实际应用中的厚度不宜大于临界厚度即不超过最低交流电阻所对应的厚度。导体厚度的选择需综合交流电阻、散热以及机械强度等因素。

5 结论

本文建立了一个求解GIL温升特性的有限元模型,给出了GIL求解域的温度分布图,并将模型的仿真结果与实验结果对比,两者在测试点1 ~ 4的误差均在本文的允许范围之内,验证了模型的有效性。本文重点研究了负荷电流、气体压强、绝缘气体类型以及导体厚度四种因素对GIL温升的影响。

气体绝缘变压器 篇7

气体绝缘传输线(GIL)于上世纪70年代在欧美投入运行。现在该技术已发展到第二代。GIL输电系统与传统的架空线和XLPE电缆相比具有诸多优点:低传输损耗;无外部电磁场;无需相位补偿，即便是在远距传输中;无需冷却设备;无起火隐患;修复时间短;不会老化;营运周期维护费用更低。现阶段GIL的主要问题是造价偏高，如能解决这一问题，该技术将会得到更加普遍的应用。然而目前国内文献却缺乏对这一技术基本原理的探讨。国外在这方面的工作可参考R.Benato等人的文献[1]，但这类文献的分析主要是基于电路等效模型与某些近似方法，仍然缺乏直观。考虑到此结构高度对称且充分简单，故完全可能以解析方法进行分析，由此得到的解将具有高度精确性。

1 GIL的基本结构与环境特性

图1为Siemens公司380kV三相传输系统的GIL，其导体内直径156mm，外直径180mm，外壳内直径500mm，外直径517mm[2]。

处于中央的是传输导体，该导体被一同轴铝合金外壳包围。导体和铝制外壳之间充以0.7Mpa的20%SF6和80%N2混合气体。白色部分是环氧树脂绝缘支柱。

2 分析与计算

2.1 圆柱外壳的电磁特性

如图2，在圆柱坐标系中对GIL金属外壳电磁场特性进行分析。外壳内半径为r1，外半径为r2。

设外壳感应电流密度为

其中z0为z轴单位矢量，δ·为感应电流密度相量。导电媒质中可忽略位移电流，从而由Ampere全电流定律得

由Faraday电磁感应定律和Ohm定律得

式中σ，μ分别为铝的电导率和绝对磁导率，σ=37.7×106S/m(20℃),μ=1.2566650×10-6N/A2。由(1),(2)可得

此为Poisson方程，在圆柱坐标中展开，并注意δ·和φ，z都无关，就有

令k2=jωσμ，可得

此为零阶修正Bessel方程。由此可得通解:

A·，B·是积分常数，l0(kr)是零阶修正第一类Bessel函数，K0(kr)是零阶修正第二类Bessel函数。

由(3)可得

φ0为φ坐标单位矢量。其中

式中l1(kr)为一阶修正第一类Bessel函数，K1(kr)为一阶修正第二类Bessel函数。

在如图3所示轴对称积分环路中，感应电流等值反向地穿过同一环路，因此它们对外壳外磁场的贡献为零。在r=r1和r=r2处分别有

令I1i=I1(kr1)，K1i=K1(kri)，i=1,2，则有

可以下式计算外壳中总电流:

IM·=0，可断定以上计算的正确性。

依r1=250mm,r2=258.5mm,I=2500A进行绘图。结果如图4,5所示。图4为外壳电流密度模值径向分布图。可以看出，模值依径向中点(r1+r2)/2成轴对称分布，符合涡旋电流特征。图5为外壳电流密度辐角径向分布图。

2.2 GIL屏蔽原理分析

对于三相GIL输电线路来说，若要使其外壳上的感应电流产生屏蔽效果，就必须使外壳之间接成回路，如图6所示。

如图6，用导体将对称三相制相邻两相外壳进行连接，设连接间距为l，每相导体中心距为d,1,2,3相导体上分别流过电流I·，a2I·，a I·，其中三相制算子a=ej120°，1+a+a2=0。

先求出1,2相外壳组成的第一回路电感值L。由于对称性，2,3相外壳组成的第二回路电感值亦为L。设回路中电流为I，外壳外半径为r，则壳外全磁通

回路电感

由于2,3相外壳组成的第二回路中感应电流的磁通亦会穿过第一回路，故需计算这一磁耦合作用的互感值M。

类似求L的方法可得互感

设第一回路感应电流为，第二回路感应电流为。第一回路感应电流的产生源于三相导体电流和第二回路感应电流共同引起的第一回路磁通变化，将写为相量式，且对于理想回路的阻抗只考虑为其电感L，即

即

同理对第二回路可得:

显然，(9)，(10)两式所成的方程组只要d>2r就有唯一解:

解的负号表明1,3相外壳的感应电流分别与各自导体电流反向。第2相外壳感应电流为

参考如图6的感应电流方向，注意此图中感应电流参考方向与实际流向一致，从而第2相外壳上的-a2I·表示该相感应电流实际方向朝下，仍与第2相导体中电流反向。这样，GIL系统就能很好地屏蔽导线磁场。

2.3 接成回路时GIL外壳电流密度分布

现(5)式边界条件变为

此时可得

以(6)式计算外壳中总电流:

由此

该结果绘图如下(r1=250mm,r2=258.5mm,I=2500A):

可见电流密度由内而外逐渐减小。此时壳外磁场变为0。

2.4 实际应用中的若干问题

由求解过程可见，理想条件下的屏蔽效果与相间距离d和连接导体间距l无关，也与外壳是否接地无关。实际应用中，相间距离d取值并非任意。若d过小，外壳电阻R可能使感应电流变小且不能与导体电流完全反相，从而削弱屏蔽效果。以下给出d的一个估计:

不计R时有

设R=kωL,k>0。则有

故

η为感应电流实际值与理想值之比。若要使η≥0.999，则k≤0.0448。

外壳温度为时的直流电阻为

α20=4.03×10-3/K为铝的温度系数，此式以R=20=l/σS为基准，σ为铝的电导率，S为外壳横截面积。

交流电阻为

Fsp和Fλ分别是电流限制效应系数和铠装损耗系数。对于GIL，电流约束效应实际上可以忽略(Fsp Fλ≈1)。

于是有

故由R=kωL知

若r1=0.25m,r2=0.2585m，传输温度=70℃，要使η≥0.999，则有

即相邻两相外壳之间间隔需大于0.651-0.517=134mm。这一要求一般而言总是可以达到的，故并不需要对d值加以特别考虑。

实际运用中l的值亦有限定。出于安全上的考虑，每一回路都必须进行双端接地，也即所谓整体连接(solid-bonding)。接地距离l应由普通和故障情况下的允许接触电压确定，根据实际情况，l值一般取为200m到400m[3]。

3 结论

三相GIL金属外壳之间必须接成回路才能保证外壳感应电流得到利用。感应电流的产生主要源于外壳回路的磁耦合效应。对GIL一般采用多点接地的整体连接方式，且相间距离不宜过近。同样出于减小连接回路电阻的考虑，连接导体的电阻应充分小。理论上，接地线的电阻和大地的电阻对感应电流效应并没有显著影响。接地时要考虑允许接触电压以确保人员安全。

参考文献

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气体绝缘变压器 篇8

1 分析油中溶解气体的原理

油侵电力变压器当中的绝缘油, 一般都是按照油纸相互组成的形式组成了绝缘体。在电力设备实际的运行过程当中, 因为各种不能控制的因素会出现一些电弧放电或火花放电以及高温等现象, 当这些故障出现后, 便会给油纸绝缘组实际的工作性能造成最直接的影响, 在电力设备当中绝缘油本身的化学成分非常的复杂, 基本上都是由碳氢分子构成了它的整体。在碳氢分子当中本身就存有大量碳氢元素, 由C-C与C-H这两种化学物质共同构成了碳氢集团。在绝缘油实际的使用过程当中, 在电力设备内部运行的过程中, 一旦出现放电或者是过热的情况, 化学物质C-C与C-H受热以后, 极有可能会发生断裂的现象, 出现断裂以后氢原子与碳氢化合物会产生相互间的自由组合, 会有大量各种类型的烃类气体产生, 这也是缘缘油的内部溶解气体之所以形成的主要因素。

在电力设备的内部绝缘油的分子分解的程度与设备本身所形成的过热的温度的高低有着最直接的关联。由于电力设备内部高温现象的影响, 烷烃、炔烃、烯烃等类型的化合物质是绝缘油分解出的主要溶解气体。造成这些化学物质形成最主要的原因, 就是设备的运行当中出现的非常极端的一些故障现象, 所以, 只有对这些不同类型的化学气体有了全面的了解, 并对这些气体形成的速率以及其具体的出现点进行具体的观察和分析, 并建立健全数据分析库, 才可以更加切实而有效的对电力设备的相关故障进行准确的判断分析, 并以最快的速度将故障解决, 确保电力设备能够稳定并安全的运行。

按照绝缘油中各种气体以及不同的指标能力, 对绝缘油中溶解气进行故障判断比较有价值的气体主要有以下七种即:乙烷C2H6) 、乙炔 (C2H2) 、氢气 (H2) 、乙烯 (C2H4) 、甲烷 (CH4) 、一氧化碳 (CO) 以及二氧化碳 (CO2) , 以上这些气体通常被叫作特征气体。这其中的甲烷、乙烷、乙炔和乙烯的总和被称为总烃。按照我国当前的执行标准, 电力设备内部油中总烃类的化合物含量以及总烃产生的速率一旦比相关数值要高, 必须马上采取相关措施对设备进行检查。

2 对油中溶解气体进行分析对故障进行诊断

2.1 通过对油中溶解气体的分析来判断是否发生

当前, 通过对油中溶解气体的成分对变压器故障进行诊断, 并决定其是否发生的方法有两种:第一, 按照气体的尝试去判断变压器内部的故障是否发生;第二, 按照气体产生的速率去判断变压器内部的故障是否发生。

2.1.1 判断气体浓度的方法

侵油电力变压器在运行的过程当中其状态在完全正常时, 绝缘油中存有的气体含量非常低, 在变压器因某些因素发生故障时, 绝缘油则会大量的进行分解, 同时绝缘油当中气体的浓度会持续的增多。在对绝缘油当中的溶解气体进行了比较面的分析以后, 就可以快速的判断变压器本身是否发生了比较严重的故障, 并根据分析采取相对应的措施进行快速修复。

2.1.2 判断气体速率的方法

很多变压器发生的故障都有较大的潜伏性, 应用对气体的浓度进行判断的方法在故障的最初阶段很难判断, 但应用判断产气速率的方法则可以及时的进行检测。

2.2 运用绝缘油中的气体组成对故障的种类进行判断

2.2.1 特征气体判断法

经过上述分析可以看出, 在电力设备出现故障时对故障判断的过程当中, 可按照绝缘油中气体不同的组合与变化来判断电力设备内部出现的变化。因此, 特征气体判断法的基本思路就是对绝缘油进行气体浓度的检测以后就可以快速的对有关的故障类型进行分类, 这一方法的针对性较强, 操作比较简便, 结果也非常直观。但是, 由于是检测气体的浓度, 无法对特征气体进行量化分析。

2.2.2 三比值判断法

这一方法的原理与特征气体判断法的区分并不大, 同样都是通过绝缘油当中气体的浓度和温度的变化间的关系来分析。这两种方法的主要区别就是三比值判断法应用了更为精准的数据处理与分析的方法, 即从特征气体中五种碳氢气体当中选取两种气体进行分组, 大概可分为甲烷氢气、乙炔乙烯和乙烯乙烷。这三组气体当中每组当中的两种气体无论是在溶解度还是在扩散的系数上都极为相近, 因此也构成了三组比值数据, 较特征气体判断法更为准确, 但三比值判断法仍有一定的局限性。

2.2.3 油中微水测试法

应用油中微水测试是检测变压器是否受潮和进水的主要方法。在变压器内水会和铁产生反应, 通过高压分解还会释放氧气与氢气, 这一特点和油中局部放电的现象非常相似, 尤其是在某些特定的条件下, 由于水的存在也会产生局部放电现象。一旦发生这种情况, 应用前两种方法将难以区分。因此, 通过上述两种检测方法对变压器的故障判断为局部放电时, 还须测定绝缘油当中微水的含量, 判断故障是不是因为变压器内部进行或受潮而发生的放电现象, 测试的最终结果可以作为维修的根据。

总之, 由绝缘油本身的质量与性能是否良好, 可以对电力设备运行当中的安全性产生直接的影响。电力设备在运行的过程当中, 一旦电力设备本身运行的状态发生异常, 与之相关的一些症状会直接在绝缘油当中反应出来, 因此, 一定要明确绝缘油中溶解气体与电力设备故障间存有问题的关系, 让电力设备的故障可以尽快的找出, 并及时给予修复, 让电力设备的运行具有稳定性与安全性的保障。

参考文献

[1]李明, 潭亚娟, 张帅.变压器内部潜伏性故障的分析和判断实例[J].变压器.2011 (02) .

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