气体绝缘金属封闭开关（共6篇）
气体绝缘金属封闭开关 篇1
摘要：气体绝缘金属封闭开关柜(GIS)是一种重要的高压电气配电装置。根据红外线可实现安全、非接触、高精度在线测温的特点,设计了一套GIS红外在线测温系统,介绍了该系统的基本结构、功能及软硬件的实现方法。该系统非常适合各电压等级无人值守变电站采用。
关键词：气体绝缘金属封闭开关柜,红外线,辐射,在线温度监测
0 引言
气体绝缘金属封闭开关柜(Gas Insulated Swichgear),简称GIS,是一种重要的高压电气配电装置。GIS由断路器、母线、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、套管等电器元件以及这些元件的封闭外壳、伸缩节和出线套管等组合而成,内充一定压力的SF6气体作为绝缘和灭弧介质。GIS设备所有带电部分都被金属外壳包围,外壳经铜母线接地,内部是SF6气体。由于采用SF6气体作为绝缘介质,其绝缘性能、灭弧性能都比空气好得多。
和常规的敞开式高压电器设备相比,GIS设备具有以下优点:(1)占地面积小。有关文献统计表明500 k V GIS设备的占地面积只有常规设备的25%左右[1]。(2)不受外界环境影响。GIS设备是全封闭电气设备,导电部分全部在金属外壳之内,并以SF6气体绝缘,与外界不发生接触,因此不受外界环境的影响。(3)维护方便,检修周期长。由于GIS加工工艺严格,技术先进,且绝缘介质使用SF6气体,绝缘性能、灭弧性能都优于空气断路器,其开断能力大、触头烧伤轻微,故GIS的检修周期长,故障率低。所以GIS设备运行安全可靠,维护费用少。(4)施工周期短。由于GIS设备各个元件的通用性强,整套设备采用积木式结构,因此可在工厂内进行整机装配和试验合格后,以单元或间隔的形式运达现场,与常规设备相比,现场安装的工作量减少80%左右。
正是由于GIS设备与敞开式设备相比的突出优点,GIS在变电站中的应用越来越广泛,并得到广大工程技术人员的推崇。
1 开发GIS红外在线测温系统的必要性
1.1 GIS测温的重要性及目前测温方法所存在的问题
GIS设备触头接触不良时,因接触电阻变大,在负载电流流过时会产生发热现象。触点、母线过热会引起绝缘老化甚至击穿,从而引发短路,形成重大事故,造成重大经济损失。因此,检测和监视GIS设备触点、母线和高压电缆接头的温度,提前发现和排除热故障隐患,对GIS的安全可靠运行具有非常重要的意义。据不完全统计,国内的众多发电公司、电力公司所采用的GIS设备均不同程度地出现过封闭母线、隔离开关、电缆头等部件由于绝缘老化或接触不良而造成温度异常变化,进而引发事故的现象。为此,电网公司制定专门技术规范,要求对GIS设备的过热部位进行温度监测,做到温度越限报警,以保障电力设备的安全生产和提高设备运行的可靠性[2]。
GIS是全封闭式高压带电设备,发热点处于设备内部不便检测。目前主要采用在GIS柜体上开监视窗孔,然后使用热像仪或点温仪对设备进行定期巡检的方法。而热像仪只能反映巡检当时触点的发热情况,不能实现实时测温,更不能及时发现温度场的持续性变化,对于及时发现设备隐患帮助不大。此外,还有通过光纤传导的方式进行温度监测的方法,这种方法可以实现在线测温,但是由于该方法需将感温元件紧贴在被测物表面,属于接触式测温,对于GIS的安全运行无疑会造成一定的隐患[3]。
1.2 GIS红外测温系统的特点
1.2.1 红外测温原理
自然界一切温度高于绝对零度的物体都在不断地、自发地辐射出红外线。红外辐射是一种波长在0.76~1 000μm之间的电磁波。红外辐射的物理本质是热辐射,其热效应较可见光强得多。向外发出的红外辐射,以光的速度传播能量,辐射能量的大小及其按波长的分布,与它的表面温度有着十分密切的关系。对于黑体物质而言(也就是能全部吸收辐射到它上面的任何辐射能量的物体),辐射的能量完全决定于该物体的温度。物体的温度越高,发出红外辐射的能量也越大,而且只要温度出现微小变化,就可引起辐射能量明显的变化。因此,通过测量物体自身辐射的红外能量就可准确测定该物体的表面温度[4]。
1.2.2 该系统功能简介及特点
GIS运行时必然伴随着内部温度场的改变,该系统就根据红外线测温原理,将高精度无源本质安全型红外温度传感器内置于GIS各SF6气室中,实时监测气室中各节点温度场的变化,并通过相应的硬件及软件设计将监测结果反应于变电站综合自动化系统主控计算机中,据此实现在线监测GIS温度变化,对触点过热等现象做出判断,并可根据温升程度发出不同级别的警报通知运行人员采取不同的措施。
与目前常用的GIS测温方法相比,该系统应用于GIS设备具有明显的优点:(1)由于GIS内部结构紧凑,需要测温的触点不多,故该系统只需很少几只红外温度传感器就能实现整台GIS的在线监测,简化了系统结构并大大降低成本。(2)由于采用本质安全型红外温度传感器,采取了非接触测温方式,因此对GIS的安全运行不会产生任何影响。(3)红外传感器抗干扰能力强,GIS装置内的强电场电磁干扰对它影响相对较小,并可以简化抗干扰系统的设计。
2 系统的基本结构
系统的基本结构如图1所示,图1为GIS红外在线测温系统原理框图。
该系统由终端测温单元、数据采集单元、数据监测管理单元三部分组成。终端测温单元的最底层是红外温度传感器,在GIS各个气室需要监测的节点上安装相应的红外温度传感器,通过数据线将温度数据温差电势上传至数据采集单元;数据采集单元负责将数据汇总,同时将温度数据和报警信号通过RS485总线上传至数据监测管理单元;数据监测管理系统将数据采集单元传来的信息汇总,并留出通信口,以便依据标准协议通过RS485总线将该系统与变电站综合自动化系统相连。
3 系统的硬件实现
3.1 信号采集单元的硬件实现
选用EXERGEN公司标准型IRt/c红外温度传感器作为终端测温元件,IRt/c系列红外线温度传感器具有高精度,非接触,无需电源,热电偶信号输出的特点,对GIS的正常运行不会造成不利影响。
考虑到现场的测量要求和安装方式,需要确定红外温度传感器的光学参数。目标测量距离为10~50 cm,目标直径小于或等于10 cm,应选取的红外传感器视场张角为60。,距离系数(即视场直径与测量距离的比值)为5:1。
红外温度传感器所采集的温度信息在其内部转换为温差电势的形式,由其自带的双绞屏蔽电缆输出送至数据采集单元。由于IRt/c型红外传感器采用超过NEMA4等级的封装技术,故而信号采集单元对电磁干扰有着很好的抵抗作用,可以大大简化抗干扰系统的设计,进一步减少开发成本。
3.2 数据采集单元的硬件实现
信号采集单元所采集的温度信号以温差电势的形式由红外温度传感器自带的双屏蔽电缆线传输至数据采集单元。选取功能强大的AVR单片机作为数据采集单元的控制芯片[5],AVR单片机其内部包括有FLASH、EEPROM和RAM存储器,可分别存储运行程序和数据。AVR单片机利用其片内自带的10位A/D转换器将红外温度传感器输出的经调理放大后的温差电势转换为数字信号,然后将信号加以处理后由串口输出,再经电平转换后由RS485总线将数据上送至数据监测管理单元。
3.3 数据监测管理单元的硬件实现
选用INTEL16位单片机80C196KC作为主控制芯片,外扩了RAM、ROM以及FLASH,分别用于数据寄存、程序存储和历史数据记录;选用时钟芯片DS12C887记录系统时间;选用点阵式液晶显示操作界面、温度数据及报警画面等;利用65HVD3082芯片实现485通信,它具有1/8单位负载接收器输入阻抗,允许多达256个收发器接于单总线上;利用80C196KC芯片的I/O口控制5个按键实现系统复位和相关的菜单操作;选用IMP705芯片实现看门狗功能,它能够在程序出错或电源过低时对系统复位。
对于数据监测管理单元,由于需要随时与变电站综合自动化系统的通信,故保证与上层系统通信的可靠性就显得非常重要。因此选用串口扩展芯片ST2250外扩出一个串口与上层通信,而单片机自带的串口负责与下层的通信,数据监测管理单元的硬件结构如图2所示。
4 系统的软件实现
4.1 数据采集单元的软件实现
用汇编语言编写数据采集单元程序,程序流程如图3所示。
主程序60 s循环一次,以查询方式取得红外温度传感器的数据,以中断方式响应数据监测管理单元的数据传送请求,将处理后的数据上送。
4.2 数据监测管理单元的软件实现
数据监测管理单元主程序每60 s循环一次,将接收到的下级数据采集单元数据加以处理。若温度场正常则继续循环,若有异常则弹出报警画面并闪动示警,同时以中断方式与变电站综合自动化系统通信,程序采用汇编语言编写,流程如图4所示。
5 结语
该系统应用于气体绝缘金属封闭开关柜(GIS)中,可以对GIS内部温度场的变化进行在线监测,并能够根据温升程度发出不同级别的警报,用户可以通过液晶屏查看各监测点的状态,并可通过键盘设置报警参数及环境参数以适应不同条件的需要。监测网络既可以独立工作,也可以依据实际需要与变电站综合自动化系统相连。由于采用了本质安全型红外线温度传感器作为终端测温元件,与其他常用的GIS测温方法相比,该系统具有安全、非接触、高精度、能够实现在线测温和远程通信等优点,非常适合各电压等级无人值守变电站采用。
参考文献
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[4]陈衡,侯善敬.电力设备故障红外诊断[M].北京:中国电力出版社,1999.
[5]马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.
气体绝缘金属封闭开关 篇2
GIS是将变电站内除变压器以外的一次元件, 如罐式断路器、隔离/接地开关、电流互感器、电压互感器、避雷器等集成为一体, 内部充绝缘气体作为绝缘及灭弧介质的新型封闭式开关设备。虽然GIS设备具有较高的安全可靠性, 但在实际工程中仍不可避免地会出现各种类型的故障。而且由于GIS设备内部气体压力较高, 一旦发生事故, 对设备本身及周边其他电力设备都将会造成不可估量的损失, 进而严重影响电力系统的安全性和可靠性。
2 GIS设备主要故障类型
GIS的主要故障类型可分为两类:与传统设备性质相同的故障, 如GIS设备的机械部分、断路器操作机构等;GIS设备的特有故障。特有故障主要包括以下几种。
(1) 气体故障。包括气体泄漏故障和气体微水超标。GIS设备需要经常补充绝缘气体, 气体泄漏严重时将会导致设备停运。同时, 气体泄漏往往伴随着气体微显得多余的水的现象, 分支的大气水的泄漏逐渐渗透到设备, 气体含水量较高的重要原因是导致绝缘子击穿或其他绝缘部分。
(2) 内部放电。盆沿表面局部放电, 直到崩溃或绝缘子表面闪络, 动态和静态接触机械磨损、电弧引起的残留金属碎片在设备内部, 如气体室内高压磨表面的导体和绝缘外壳、电缆之间的电晕放电距离太小或内部松散的联系。
(3) 内部组件失败。GIS内部组件包括断路器、隔离开关、负荷开关、接地开关、避雷器、套管、总线等。
3 GIS设备状态监测应用状况
3.1 开关动作特性监测
(1) 电流波形监测。在CT二次回路、断路器二次分合闸回路和电机储能回路上附加配置穿芯式电流互感器, 经过数学换算得到精确程度较高的断路器分合闸线圈工作电流及储能电机工作电流数据。
(2) 速度特性监测。采用在CT两个额外配置的核心式电流互感器、断路器关闭时间点数据。
3.2 绝缘件绝缘监测
(1) 红外测温。该方法使用红外温度传感器, 利用物体向外辐射红外能量来监测物体温度。由于GIS外面的金属外壳屏蔽了内部导体的温度辐射, 所以红外测温对GIS设备内部器件适用度不高, 但对与GIS连接的电缆触头处的温度监测应用广泛。
(2) 局部放电定位。该方法是利用GIS设备内部各元件局部放电时所具有的声、波、电等信号特征确定局部放电发生位置的技术, 定位准确度较高, 能够有针对性地对设备采取补救措施, 提高工作效率。目前应用中常用的GIS现场带电检测技术主要有超声波法和超高频法。
3.3 气体检测技术
(1) 压力检测。气体压力可以表征断路器的气密性从而间接反映绝缘强度。检测方法主要是使用密度继电器或现场巡视压力表。
(2) 微水含量检测。微水含量较高时会影响设备的绝缘强度, 在发生局部放电、电晕放电等情况下易导致气体分解, 产生有毒有害物质, 腐蚀设备, 影响正常工作, 严重时甚至会造成绝缘击穿。常用检测方法是:使用便携式微水测量仪器。
(3) 分解物检测。气体分子结构稳定, 在设备正常运行时, 能够保持其良好的物理化学性质。然而当温度过高达到200℃以上或者存在电弧放电情况时, 气体分解, 会产生有毒腐蚀性物质。常用检测方法是:气相色谱法、红外谱图法、检测管法、动态离子法等。
4 GIS状态监测技术应用的建议
电力设备状态监测在延长维护检修周期、延长设备使用寿命、减少和预防突发性、破坏性事故、减少停电时间等方面起着极为重要的作用。随着GIS设备状态监测技术的不断发展, GIS状态评估的规范性及准确性也不断提高。结合对现有技术的研究, 提出以下具体建议。
(1) 使用便携式手段对GIS进行定期巡视检查。制定设备维护方案时, 应当在运行维护人员日常巡检的工作内容添加对GIS局部放电的检测, 定期检查设备的绝缘状态。可以使用超声波探测器的盆式绝缘子GIS设备、法兰和其他关键部件进行测试;加强密封的密度继电器检查, 通过观察压力表读数仪器, 判断是否有漏气现象。如果发现不寻常的超声波信号, 利用GIS综合措施准确判断和处理异常部分;如果发现压力表读数偏低, 气体泄漏, 操作维修人员需要及时报告安排停电检修, 如果发现微水水平, 应该检查是否漏气发生在同一时间, 并分析微水位的原因。
(2) 使用综合手段对GIS进行故障诊断。为准确识别GIS设备缺陷的位置, 首先使用超声局部放电检测仪在检测到的异常区域内逐点仔细检测, 找到异常信号最为强烈的点进行初步分析。由于在GIS内部, 异常的超声信号不仅仅是由于局部放电, 设备零件的冲电脉参考性的机械振动同样异常, 信号出现了, 使得单纯依靠高密度局部放电检测仪不能准确判定故障类型, 他通过超高频法对该区域进行检测并确定到底是局部放电是内部崩溃了;最后将探测到的异常信号最为强烈的点和设备内部结构图比对分析, 确定故障位置。为了提高变电站运行可靠性, 针对一些少数重要的设备可考虑在GIS上直接配置局部放电在线监测系统, 持续在线监测GIS局部放电状况。
5 结语
通过对GIS运行状态监测技术的研究, 可以制定合理的设备状态检修和控制策略。长期运行经验积累了大量的现场数据, 通过这些数据制定统一判断标准, 通过对GIS主要监测量的分析判断GIS所处的状态, 及时发现缺陷, 采取有针对性的补救措施, 防止缺陷严重化。对于超过寿命周期但运行状态良好的设备, 也应制定计划进行周期性的检修, 及时更换必要的电器元件, 以消除内在隐患, 提高电网运行的可靠性。应当说明的是, 随着新型传感技术、计算机技术、设备制造工艺水平的进步, 带电设备在线监测技术在故障识别、预防等方面正发挥着越来越重要的作用。
参考文献
[1]邱毓昌.GIS装置及其绝缘技术[M].水利水电出版社, 1994
气体绝缘金属封闭开关 篇3
关键词：气体绝缘金属封闭开关设备(GIS),寿命评估,状态监测,状态检修
气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)是变电站的重要设备,具有占地面积小、元件全部封闭、安装迅速、运行方便、维护工作量少、检修周期长、运行费用低、可靠性高等优点,在全国电力系统中得到了广泛应用。
在国家电网公司开展与推广状态检修策略的要求下,为确保电力设备的安全可靠运行,应跟踪国外先进电力技术发展趋势,结合国内设备实际使用情况,制定一套完备的GIS寿命评估与状态监测体系,合理地确定检修周期、制定检修计划,从而更有效地推进设备的状态检修工作。
1 GIS寿命评估
国内外电力系统中(如美国、德国、新加坡等)GIS寿命评估主要集中于本体密封圈、机构润滑脂、偶合橡胶件和辅助开关等方面,通过实验分析与常年的历史数据相结合得出较为可靠的经验数据结论,从而在实际生产工作中逐步推广使用。以下就GIS寿命评估的理论基础及实际应用进行简单阐述。
1.1 GIS寿命评估的理论基础
GIS寿命评估的理论基础主要根据“基于电网状态评估的风险防范管理体系”等相关理论。通过综合考虑设备的制造工艺、运行环境、负荷、试验、巡检、缺陷和故障记录等,计算得出设备当前及未来的健康指数、故障发生概率和风险值,进而形成一整套适合各种电力设备评估的管理体系,用于协助解决电力部门应对当前管理体制下电网运行管理方面日益增多的挑战。
1.1.1 设备健康指数计算
根据设备的劣化和失效原理,设备的健康状态应该取决于设备本身的制作工艺、产品质量、运行工况以及运行过程中的检修维护状况。健康指数的计算包括劣化健康指数和状态健康指数两个部分。
劣化健康指数取决于理论劣化过程,根据理论参数计算得到,由设备的设计使用寿命、运行年限、负荷水平及周围环境共同决定,通过运用设备的劣化理论模型,计算得出设备在理论条件下在当前所处的理论劣化阶段。
状态健康指数取决于运行工况、试验检修及缺陷故障情况,根据实际运行参数计算得到,由设备在实际运行过程当中所表现出来的各种运行工况、外观、试验结果及缺陷故障记录共同决定,通过对设备不同状态量的取值和量化,赋予一定的计算权重,以加权求和等方式最终获得设备的状态健康指数。
设备最终的健康指数应该为劣化健康指数与状态健康指数的综合体现。
1.1.2 设备故障发生概率分析
对输变电设备的故障调查和统计表明,当设备尚未进入劣化期之前,设备的故障主要取决于偶然或突然事件,与设备本身的健康状态关系较小,设备故障发生概率与设备健康状态之间存在着类指数曲线的规律。
1.2 GIS寿命评估的实际应用
由GIS寿命评估的理论基础可以得出,确定GIS的健康运行寿命将成为寿命评估的重点。以下将对GIS的本体密封圈、机构润滑脂、偶合橡胶件和辅助开关等做详细分析。
1.2.1 本体密封圈(O形密封圈)的劣化分析
1)材料特性分析。
对本体密封圈(O形密封圈)使用材料的化学特性进行分析,从其软硬度、耐用性、可塑性、溶解性等方面做出合理的评估。本体密封圈(O形密封圈)劣化的主要因素取决于所使用的材质,随着材料化工科技水平的不断提高,大量新型材料的使用使得本体密封圈(O形密封圈)的寿命大大延长。
2)环境温度测量。
主要对设备所处环境的历史数据进行统计分析,从平均干湿度、每日平均温差、每日平均温度等方面分析与其标准运行条件下的差异性。从历史运行经验看,环境温度对本体密封圈(O形密封圈)的寿命也起到了很大的影响。
3)当前状态测量。
主要集中于形变情况、发热情况、密封性能等方面的测量。
4)加速劣化试验。
以一定的标准条件测试不同类型的本体密封圈(O形密封圈);在不同状态条件下所表现出的不同劣化现象,从而得到模拟分析数据。
综合上述劣化分析得到寿命评估结论:本体密封圈(O形密封圈)的健康运行寿命一般为12 a,材料特性较好的本体密封圈(O形密封圈)可适当延长2～3 a。
1.2.2 机构润滑脂的劣化分析
1)新润滑脂材料化学分析。
主要对机构润滑脂在常温条件下,与金属材料、硬质塑料的化学反应情况,以及是否存在腐蚀、溶解等现象。
2)新润滑脂初始特性分析。
从稠度分析、氧化分析、分离度分析等方面开展,掌握新润滑脂材料的物理特性。
3)润滑脂现场采样特性分析。
从已使用的GIS上采取以不同年份、环境划分的样品,得到现场使用的经验数据。
4)历史使用情况汇总分析。
对于不同机构中使用的不同类型的机构润滑脂在不同的环境温度条件下的历史使用情况的比较分析,区分出不同型号机构润滑脂之间的优劣。
综合上述劣化分析得到寿命评估结论:机构润滑脂的健康运行寿命一般为6～8 a,运行时间超过8 a以上的机构润滑脂将造成油脂硬化、润滑件锈蚀等现象。
1.2.3 偶合橡胶件的劣化分析
1)材料化学分析。
主要对偶合橡胶件的软硬程度、脆化速度等进行分析。
2)损坏根本原因。
造成损坏的根本原因主要由GIS分合动作中所产生的机械力对偶合橡胶件的影响因素和偶合橡胶件本身材质上所产生的影响因素这两个方面组成。
3)家族型缺陷分析。
有些缺陷因素是某种类型或某种系列开关所特有的,需要有针对性地对其偶合橡胶件进行分析及反措。
综合上述劣化分析得到寿命评估结论:偶合橡胶件的健康运行寿命一般为10 a,运行时间超过10 a以上的偶合橡胶件容易发生脆化现象。
1.2.4 辅助开关的劣化分析
对辅助开关的劣化常采用接触电阻法与氧化物分析的方法进行综合分析。在运行时间较长的辅助开关周围常产生白色粉末,其为磷酸化合物,具有较强的导电能力,散落在线圈上可导致线圈短路。接触电阻的测量也没有统一的标准,一般都靠历史经验数据制定,参考标准如表1所示。
从上述劣化分析得到寿命评估结论:辅助开关的种类、型号较多,无法制定统一的标准,应结合停电检修对发现有接触电阻过大、白色粉末较多的辅助开关予以更换。
2 GIS状态监测技术
国内外对GIS状态监测技术都开展了一定深度的研究,但限于技术、价格原因,没有广泛推广应用。但需要明确的是,对GIS的状态监测应有所选择,是对重要关键部件、故障多发部件进行监测。因此,对GIS故障的梳理与汇总,将帮助电力企业明确GIS状态监测所需要做的重点监测项目,从而推动GIS状态监测技术的发展。
2.1 GIS典型故障梳理
GIS的主要故障类型包括机械故障、电气故障、绝缘故障、SF6气体故障。绝缘故障和SF6气体故障占GIS故障总数较大的比重。
1)机械故障。
主要发生在GIS的一次机械部分,故障多发生在机构内的辅助开关、分合闸挚子、连杆轴销、接地隔离开关的转动部分、储能电机的齿轮链条等部分,主要现象包括开关拒分、开关拒合、机构内连杆弯曲、咬合部分磨损、接地隔离开关拒动等故障。
2)电气故障。
主要发生在GIS的电气二次部分,故障集中于分合闸线圈、储能电机、继电器、闭锁线圈、行程开关、转换开关等部分,主要现象包括开关红绿灯不亮、接地隔离开关闭锁、储能电机常转或不转等故障。
3)绝缘故障。
主要由以下几个原因引起:①盆式绝缘子表面爬电(局部放电)直至沿面闪络或绝缘击穿;②由于动静触头机械磨损、动静触头灭弧等在GIS内部残留金属屑末(或称导电微粒)引起放电;③密封气室内高压导体表面的毛刺与绝缘外壳之间小距离引起的电晕放电;④ 由于电缆接头处相间距离过小或内部松动、绝缘击穿可以导致运行中出现异响,或者产生悬浮电位而引起强烈的局部放电。
4)SF6气体故障。
主要分为SF6气体泄漏故障与SF6气体微水超标。GIS的SF6气体泄漏故障通常发生在组合电器的密封面、焊接点和管路接头处,主要原因是由于密封圈(垫)劣化,或者焊缝接头出现砂眼。SF6气体泄漏时常伴随SF6气体微水超标现象出现,大气中的水分会通过泄漏点逐渐渗透至设备内部。
2.2 GIS状态监测技术的应用情况
2.2.1 开关动作特性监测
开关动作特性监测主要包括速度特性监测和电流波形监测。
1)速度特性监测。
采用在电流互感器二次回路上加套穿芯式电流互感器,可以得到断路器分合闸时间数据,在动触杆上加装位移传感器得到触头行程,通过计算机综合分析得出断路器分合闸平均速度。
2)电流波形监测。
在电流互感器二次回路上加套穿芯式电流互感器,以一定变比折算得到比较精确的断路器分合闸电流数据,在二次分合闸回路及电机储能回路上加套穿芯式电流互感器,得到分合闸线圈工作电流及储能电机工作电流。
2.2.2 绝缘件绝缘监测
绝缘件绝缘监测主要包括红外测温和局部放电定位。
1)红外测温。
它是接收物体向周围空间散发红外辐射能量,通过光电转换器转变成一定的电信号,从而监测导体表面温度的技术。因GIS外面有金属外壳,屏蔽了内部导体的温度辐射,所以红外测温不适用GIS本体设备,但是非常适用于与GIS连接的电缆接头处巡视与监测。
2)局部放电定位。
通过元件在局部放电中所产生的声、波、电等现象,有针对性地利用其独有的物理特性监测其局部放电位置的技术。目前,用于GIS现场测试的主要有超声(AE)法和超高频(UHF)法。
2.2.3 SF6气体状态监测
SF6气体状态监测主要包括气体成分分析、气体密度检测和微水量检测。
1)气体成分分析。
对GIS气室内的气体成分进行取样分析。确定内部是否存在放电现象。在现行的技术上,主要分析HF、H2S、SO2、CF4、CO、CO2的气体含量,但对气体含量的标准并没有形成统一。
2)气体密度检测。
通过在GIS气室内安装压力表指示报警装置,结合GIS内部二次控制系统,设置报警与闭锁参考压力值,来应对气压降低的各种情况。还需结合定期、定性或定量巡检检查气体泄漏,判断气体是否泄漏。
3)微水量检测。
检测SF6气体中的含水量,通过微水量的监测可以知道SF6气体的纯度,从而进一步得知该GIS的绝缘强度。
3 对GIS状态监测技术应用的建议
对GIS寿命评估与状态监测技术的研究与分析可知,随着GIS状态监测技术的不断发展,GIS寿命评估的规范性及准确性也不断提高。结合GIS寿命评估与状态监测技术的研究,提出以下几点具体建议。
3.1 使用简易手段对GIS进行巡视检查
利用便携的检测设备,将GIS局部放电检测纳入日常巡检的工作内容中,定期进行设备绝缘的例行巡检,巡检时用超声检测仪对GIS所有的盆式绝缘子、法兰和罐体等关键部位进行检测。观察各个压力表的读数,在各个密封面使用便携式SF6检漏仪定性判断是否存在泄漏现象,并定期利用SF6微水检测仪检测每个气室的微水含量是否超标:①如发现超声信号存有异常,需用综合手段对GIS异常部位进行确定性处理;②如发现压力表读数偏低,则证明发生气体泄漏缺陷,及时停电检修处理;③如发现SF6微水含量超标,应检查是否发生气体泄漏,并确定微水含量超标的原因。
3.2 使用综合手段对GIS进行故障诊断
为准确判定GIS缺陷的位置和类型,首先用超声局部放电检测仪在异常区域内逐点仔细检测,确定幅值最大的点,根据幅值及信号与不同频率的相关性进行初步分析。在GIS内部,局部放电产生的电脉冲和部件松动引起的机械振动均能产生幅值异常的超声信号,所以仅靠超声局部放电检测仪不能确定故障类型;需要再利用超高频法对该区域进行检测,确定该故障为内部部件松动还是局部放电;最后将超声幅值最大位置和设备内部结构图进行比对分析,确定故障位置。对于少数重要的大型变电站,可考虑在GIS上直接安装局部放电在线监测系统,持续监测GIS中的局部放电情况。
3.3 充分发挥GIS寿命评估在检修计划、检修策略中的作用
随着电网规模的不断扩大和状态检修的深入推广,通过对GIS几大关键部件的寿命评估,可得到GIS寿命评估中的一些经验数据,GIS检修计划的安排与检修策略的制定都应以寿命评估为依据,检修计划的安排应考虑到各个部件是否已到更换时间需要停电检修,检修策略的制定应根据寿命评估判断设备所处的状态确定合理的检修方式。
4 结语
对GIS寿命评估与状态监测技术研究,可为设备的状态修检策略的进一步推广与应用提供借鉴和思路。通过对GIS状态的监测,凭借所制定的统一标准,加以分析判断GIS所处的状态,有针对性地对需要检修的设备开展检修工作,强调“视设备运行状态而制定检修计划与检修策略”,对于超过GIS使用寿命、但设备运行状态却良好的设备,也应进行周期性的检修,对必要元器件进行检修更换,以防内在隐患的发生,危及到电网安全运行。
参考文献
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[3]邱毓昌.用超高频法对GIS绝缘进行在线监测[J].高压电器,1997,33(4):36-40.
气体绝缘金属封闭开关 篇4
气体绝缘金属封闭开关设备 (GIS) 是将断路器、隔离开关、接地开关、避雷器和连接母线等封闭在金属壳体内,并注入优异灭弧和绝缘性能的SF6气体的封闭式组合电器。其占地面积小,占用空间少,不受外界影响且运行安全可靠,得到了大力发展[1]。GIS母线筒作为连接母线,在整个组合开关设备中起着至关重要的作用。绝缘子是一种特殊的绝缘控件,在线路中起到电绝缘与机械支撑的作用,在GIS母线机械性能分析中需要特别注意。
GIS在安装、运行中会遭受各种载荷的影响, 如自重、电动力、风载等。其中自重属于静载荷, 产生静应力 ;电动力和风载属于动载荷,产生动态应力场。在静载荷作用下,主要考虑支持绝缘子的机械强度,在1 100 k V GIS母线中,导体位于母线中心处。母线正常运行时,壳体环流在导体处产生的电动力合力为零,绝缘子仅承受自重作用。母线发生短路故障或承受机械冲击时,支持绝缘子在外力的作用下产生较大应力,在环氧树脂与铸铝嵌件的粘接面会形成应力集中。若粘接面应力过大,可能导致绝缘子沿粘接面产生裂纹,甚至使绝缘子环氧树脂部分沿粘接面断裂、脱落。在偏心电动力以及高速风载荷的作用下,可能会发生导致母线结构遭到破坏的振动,需要考虑激励与母线筒的共振问题。为研究1 100 k V GIS母线在动、静应力场下的机械性能,针对导体对外壳短路、导体悬臂、运输颠簸三种情况,对母线支持绝缘子进行受力分析, 计算绝缘子在不同受力情况下的应力分布,得到支持绝缘子沿嵌件表面的应力最大值。为分析嵌件半径对绝缘子环氧树脂部分应力集中情况的影响,计算了不同嵌件半径下,绝缘子环氧树脂部分的应力最大值,得出在短路电动力作用下,保证支持绝缘子机械强度的最佳嵌件半径。对GIS母线的振动情况进行分析,对比自振频率,对GIS母线在导体偏心电动力与高速风载荷下的振动进行分析。计算结果已在企业相关设计过程中作为理论参考。
1 研究对象及计算模型
1.1 研究对象
将1 100 k V GIS母线作为研究对象,母线主要由母线筒外壳、中间导体以及支持绝缘子三部分组成,气室的内部结构如图1所示。母线额定电流为6 300 A ;额定峰值耐受电流为171 k A。
1.2 数学模型
1.2.1静力分析
1 100 k V GIS母线在在导体对外壳短路、导体悬臂、运输颠簸三种情况下,计算支持绝缘子在外力作用下的应力大小,属于弹性力学的研究范畴。对支持绝缘子进行有限元分析时,取如图2所示的四面体IJKL为单元。
设微分面LJK的外法线方向为N,方向余弦为l、m、n,微分面LJK的面积为d A,A对应微元高为dh。假定微分面LJK上作用的力在三个坐标轴上的投影分别为Fx、Fy、Fz,x方向的主应力、y平面上平行于x轴的切应力以及z平面上平行于x轴的切应力分别为σx、τyx、τzx。整个物体处于平衡状态, 这个四面体也满足平衡条件[2]。由条件ΣX =0,可得支持绝缘子任一单元载荷与应力的平衡方程 :
式(1)两端同时除以d A,并注意当dh趋于0时, d V≈0。整理方程可得式 (2) 的第一式。同理,由条件ΣY=0、ΣZ =0可得下列方程式的第二式及第三式,联立方程并求解,便可得出支持绝缘子任一点的应力[3]:
由式(2)可得出支持绝缘子任一点的应力状态。在弹性范围内,应力σx、σy、σz与线应变εx、εy、εz 之间的关系可由广义虎克定律表达[4],即 :
式中,E为弹性模量 ;υ为泊松比 ;G为切变模量。三个弹性常数之间有如下关系 :
支持绝缘子在外力作用下,内部各点将沿x、y、z三个坐标的方向发生位移,通过位移便可得出支持绝缘子的变形结果。记各点沿x、y、z方向的位移为u、v、w。弹性体在一般变形情况下,有三个方向的线应变εx、εy、εz及三对剪应变γxy=γyx、γyz=γzy、γzx=γxz。由弹性力学可知,应变与位移间的几何关系如下 :
1.2.2 模态分析
模态分析可以得出母线的自振频率和振型,将母线筒的自振频率与电动力频率以及风载涡旋振动频率进行比较,可以判断该段母线筒的共振情况。模态分析作为一种线性分析,是研究结构自身动力特性一种分析方法,广泛应用于工程振动领域中的系统辨别[5]。对于一个具有n个自由度的线性体系, 其振动方程可表示为 :
式中,M为质量矩阵,C为阻尼矩阵,K为刚度矩阵,U、U、U分别为加速度向量、速度向量、位移向量,F (t ) 为动载荷向量。其中,F (t ) 在实际工程中主要有以下几类[6]:(1) 周期载荷,这类载荷随时间周期性变化 ;(2) 冲击载荷,这类载荷在短时间内发生急剧的变化,各种撞击和爆炸属于此类载荷 ;(3) 随机载荷,载荷值随时间变化且无法确定其数值,称为随机载荷。自然界中的风和地震属于典型的随机载荷。
对GIS母线进行模态分析时F (t )=0。由于母线结构阻尼较小,可忽略结构阻尼对固有频率和振型的影响。母线筒的振动方程为 :
设方程的解具有简谐运动形式,即 :
将式 (8) 代入 (7) 得 :
若要求取U的非零解,需系数行列式为0,即 :
将行列式展开可得到一个关于频率参数ω2的n次代数方程。求出方程的n个根ω21 ,ω22 ,ω23 ,…, ωn 2,即为母线的n个自振频率。
2 三种工况下支持绝缘子应力计算
2.1 导体对外壳短路时支持绝缘子应力计算
为研究支持绝缘子在短路电动力作用下的机械强度,首先对GIS母线在短路情况下壳体的电流分布进行计算,并依据壳体电流分布计算导体所受电动力。在电动力作用下,对母线支持绝缘子进行受力分析,应用有限元思想对绝缘子的应力分布进行计算,计算了GIS母线在短路极限情况下支持绝缘子的应力分布,得到绝缘子沿嵌件表面的应力最大值。支持绝缘子及嵌件建模如图3所示。
2.1.1 母线外壳电流分布计算
GIS导体对壳体短路时,母线外壳电流与导体电流大小相等方向相反。考虑壳体电阻对电流的影响,计算绝缘子受力时,假设两种极端情况 :短路点与接地点均位于母线壳体正上方 ;短路点与接地点均位于支持绝缘子侧。GIS母线短路点与接地点位置如图4所示。
导体对壳体短路时,短路电流在外壳表面的分布关于短路点与接地点对称,因此仅需要对外壳的一半进行分析。
以气室为研究对象,壳体短路点与接地点之间的距离与气室两个支持绝缘子的间距相等,为4 830 mm,壳体峰值电流为171 k A。对母线外壳表面的电流密度分布进行仿真,由于需要得到外壳表面的电流分布,因此选择映射剖分的方式,使每个剖分单元的面积容易求解。
2.1.2 母线电动力的计算分析
在GIS母线中,外壳相当于由多根载流导线组成的导体,导体激发的磁感应强度相当于载流导线激发的磁感应强度的叠加。对于载流导线来说,可以看作许多个电流元I dl。这样,载流导线的磁场中任意一点所激发的磁感应强度B,就是由导线的所有电流元在该点的d B的叠加。通电导线周围任意一点的磁感应强度如图5所示。
在真空中通有电流I的长直导线CD,在其上取一电流元I dz,根据毕奥 - 萨伐尔定律可知,此电流元在点P所激起的磁感应强度d B大小为 :
式中,μ0为介电常数,θ为电流元I dz与矢量r之间的夹角,d B的方向垂直于Idz与r所组成的平面 ( 即yoz平面 ),沿负x轴方向[7]。从图5中可以看出,直导线上各个电流元d B的方向都相同。因此点P的磁感应强度的大小就等于各个电流元的磁感应强度之和,用积分表示,有 :
其中,z、r和θ有如下关系 :
于是式 (12) 可写成 :
根据安培定律可知,二载流导体间相互作用的电动力为 :
式中,I1、I2分别为流经两载流导体电流值 ;Kc 为回路系数,仅与导体回路形状、长度、布置等几何参数有关[8]。
对于两平行有限长直导线,回路系数为 :
其中,l1、l2分别为两导体长度,a为两导体间距,b为两导体端点垂直距离。
基于以上理论分析,对壳体在短路电流作用下的电动力进行数值计算。根据壳体电流密度分布, 计算得母线壳体受到的电动力分布如图6所示,根据力的相互作用可知,导体在外壳电流励磁的作用下,受到的电动力合力为14 054 N,指向导体远离短路点的方向。
2.1.3 支持绝缘子受力分析
母线导体对外壳短路时,计算上述两种极端情况:
(1) 若短路点与接地点均位于GIS壳体正上方, 导体受到的电动力F与导体及支持绝缘子的重力方向相同,支持绝缘子受力示意图如图7 a) 所示, 绝缘子根部所受弯矩为M[9]。计算得支持绝缘子根部受到的弯矩为4 463.5 N·m。(2) 若短路点与接地点均位于支持绝缘子侧,导体受到的电动力为垂直壳体指向导体的拉力。此时导体及支持绝缘子受力情况如图7 b) 所示,进行受力分析,计算得支持绝缘子根部受到的拉力为7 027 N,弯矩为950 N·m。
2.1.4 母线对外壳短路时支持绝缘子应力计算
GIS在不同位置发生短路时,分别对支持绝缘子的剖分模型进行外力加载,计算支持绝缘子环氧树脂部分在各种情况下的最大应力。
GIS导体对外壳短路时,若短路点和接地点均位于GIS外壳顶端,对支持绝缘子根部与嵌件接触的节点施加全约束,并在支持绝缘子顶端沿x轴方向施加8 927 N作用力,绝缘子环氧树脂部分应力最大值出现在环氧树脂与嵌件的粘接面边缘,应力最大值为27.1 MPa。
若短路点与接地点均位于支持绝缘子侧,对支持绝缘子跟部与嵌件接触的节点施加全约束,并在支持绝缘子顶端沿轴方向施加1 900 N作用力,沿y轴方向施加7 027 N作用力,绝缘子环氧树脂部分应力最大值位于环氧树脂与嵌件的粘接面边缘, 应力最大值为11.9 MPa。
GIS母线导体对壳体短路,短路点处于极限位置时,支持绝缘子根部沿嵌件表面的应力分布均为边缘较大,由绝缘子根部形变量最大的位置向四周逐渐减小。短路点位于壳体顶端时,环氧树脂沿嵌件表面产生的应力较大。
为进一步确定绝缘子嵌件半径对绝缘子环氧树脂沿根部嵌件表面应力的影响,确定绝缘子沿嵌件表面应力最小时的嵌件半径,为绝缘子的嵌件优化提供参考,本文计算了当短路点位于GIS壳体顶端时,该支持绝缘子在不同嵌件半径下的应力最大值, 计算结果如表1所示。
嵌件半径较小时,产生的形变较大,绝缘子环氧树脂沿嵌件表面产生的应力最大值较大。当嵌件半径较大时,包围嵌件的环氧树脂较薄,对外力的缓冲作用减弱,环氧树脂沿嵌件表面产生的应力最大值较大。绝缘子在短路电动力的作用下,当嵌件半径为70 mm时,环氧树脂沿嵌件表面的应力最小, 为22.8 MPa。
2.2 导体悬臂时支持绝缘子应力分析
GIS母线在进行现场组装时,采取支持绝缘子直立安装的方式。在安装过程中,如果导体支撑不稳,可能导致导体一端固定在支持绝缘子上,另一端悬空,形成导体悬臂。支持绝缘子安置如图8所示,导体在重力作用下,对支持绝缘子产生的弯矩为7 245 N·m。
依据支持绝缘子在悬臂状态下承受的弯矩,支持绝缘子产生的最大应力为73 MPa,达到该支持绝缘子环氧树脂最大许用应力90 MPa的81.1%,需要特别注意。
2.3 运输颠簸时支持绝缘子应力分析
母线在运输过程中的安装形式如图9所示,在运输过程中,导体由于颠簸作用会在空间各个方向分别产生3g的加速度。其中x方向的加速度对支持绝缘子产生的作用效果为拉力,方向沿x轴正方向,每个支持绝缘子根部所受拉力为6 900 N,y、z方向的加速度对支持绝缘子产生的作用效果为弯矩,合弯矩为4 030.5 N·m。
GIS母线在运输过程中,考虑颠簸最严重的情况。若导体由于颠簸作用在三个方向同时产生3g的加速度,支持绝缘子产生的最大应力为26.4 MPa。
3 GIS母线振动分析
GIS在实际运行中不仅会受到重力等静载荷的作用,还会在电动力、风载荷等动载荷的作用下形成动态应力场。动态载荷具有周期性,需要考虑动态激励与母线筒之间的共振问题。
3.1 GIS母线自振频率计算
对母线筒的自振频率与动态激励频率进行比较,可以判断该段母线筒的共振情况。为避免母线筒共振的发生,提取母线的自振频率成为GIS设备安装前的必要部分。为确定该段母线的自振频率, 对该段母线进行三维模态分析。对壳体端部节点施加全约束,即约束x、y、z三个方向上的平动自由度及围绕这三个方向的旋转自由度,并在壳体端部边线节点上施加沿轴线方向的对称约束[10]。在内部导电杆的两个端面,施加轴线方向的对称约束。求解并采用Block Lanczos提取模型前5阶固有频率,得到母线前5阶自振频率如表2所示。
3.2 导体布置偏心时的振动计算
若导体布置偏心,壳体电流在导体处产生的电动力不再平衡,导体会受到壳体电动力的作用。依据母线壳体环流的计算原理,采用自编程的手段对母线正常运行时流过壳体的环流值进行数值计算。当导体中额定电流为6 300 A时,假设B相导体电流为,计算得三相壳体电流分别为 :
计算B相母线导体布置偏心时的电动力,此时, B相壳体电流超前导体电流90.76°。壳体半径为0.5 m,导体半径为0.12 m,设导体y向偏心1 cm, 母线及壳体布置截面图如图10所示。
壳体A、B段与导体间的电动力作用相互抵消, 导体承受电动力为壳体C、D两段对导体合力。根据壳体及导体半径计算得,C、D壳体对应圆心角为 :
壳体C、D段等效电流为 :
根据毕奥 - 萨伐尔定律得到导体偏心布置时所受电动合力为 :
其中,l为导体长度,RC、RD分别为C、D处对应偏心半径。
计算得 :
整理得 :
如果导体布置偏心,导体所受电动力的频率为100 Hz,高于母线的自振频率,不会引起共振。
3.3 GIS母线风致振动频率计算
风载荷是一种随机载荷,在风载荷作用下, GIS母线可能在共振频率作用下发生结构破坏。风载荷振动是由于母线筒在高速风载荷作用下产生的卡门漩涡引起的,卡门漩涡形成原理如图11所示, 在流体中放置一个对称形状的圆柱体时,在它的下游两侧就会交替出现漩涡,两侧漩涡旋转方向相反, 并交替地从主体上分离出来[11]。
漩涡形成的振动波频率f与柱体附近的流体流速v成正比,与柱体特征尺寸d成反比,即 :
式中,Sr为斯特劳哈尔数,与雷诺数Re及柱体形状有关,圆柱体Sr=0.2[12]。
母线筒可能发生亚临界范围的微风振动和超临界范围的随机振动,本文主要考虑亚临界范围的随机振动。本文研究的GIS所在地的最大风速为34m/s, 而母线筒的直径为1 000 mm。由于横风向旋涡有自我锁定现象,锁定频率范围为 (1 ~ 1.3)f,此时即使增大风速,旋涡脱落频率也不会改变,因此需要确保母线筒的最低阶固有频率大于1.3f =8.84 Hz。对比表2数据可知,导体在高速风载荷下的振动频率低于母线的自振频率,不会引起共振。
4 结论
对1 100 k V GIS母线在不同情况下的机械性能进行分析,分析结果作为企业相关设计的理论依据进行参考,得出如下几点结论 :
(1)GIS导体对外壳短路时,若短路点和接地点都位于GIS外壳顶端,支持绝缘子根部受到的合弯矩为4 463.5 N·m。支持绝缘子根部沿嵌件表面产生的最大应力为27.1 MPa。
(2)GIS导体对外壳短路时,若短路点和接地点都位于GIS外壳侧面,支持绝缘子根部受到的拉力为7 027 N,弯矩为950 N·m,支持绝缘子根部沿嵌件表面产生的最大应力为11.9 MPa。
(3) 当嵌件半径为70 mm时,支持绝缘子在短路电动力的作用下,环氧树脂沿嵌件表面的应力最小,为22.8 MPa,对绝缘子嵌件的结构优化具有一定的参考价值。
(4) 在现场安装过程中,如果导体出现悬臂情况,导体对支持绝缘子的弯矩为7 245 N·m,支持绝缘子产生的最大应力为73 MPa,达到该支持绝缘子环氧树脂最大许用应力的81.1%,需要特别注意。
(5) 母线在运输过程中,受颠簸作用,每个支持绝缘子根部受到的拉力为6 900 N,方向垂直壳体指向导体,每个支持绝缘子根部受到的合弯矩为4 030.5 N·m。支持绝缘子根部产生的最大应力为26.4 MPa。
气体绝缘金属封闭开关 篇5
1 故障原因分析
1.1 放电故障分析
某110 k V变电站的气体绝缘金属封闭开关设备在执行送电操作的过程中, 合上内桥10乙刀闸后, 通过检查发现10乙刀闸B相刀闸观察口存在放电问题, 及时拉开刀闸, 将故障点隔离。将10乙刀闸气室解体后, 经过分析发现, 10乙刀闸的触头已经损坏, 这是因为在安装刀闸的过程中, 触头安装接触不紧密, 导致触头长期处于过热状态, 进而出现了放电故障。
1.2 绝缘故障分析
某110 k V变电站的母线差动保护动作, A三线112开关出现跳闸现象。通过检查和分析该事故的故障录波情况可知, 引发该故障的主要原因是母线气室出现问题, 将母线气室解体后, 经过检查发现, A相母线的1支绝缘台对筒壁存在放电现象, 并且筒壁和母线屏蔽罩上有4处非常严重的放电点。这可能是因为该绝缘台在安装的过程中并没有彻底处理其表面, 导致绝缘台后表面出现严重的放电现象, 进而形成放电通道, 出现对地闪络, 造成绝缘故障。
1.3 绝缘子击穿故障分析
某110 k V变电站的气体绝缘金属封闭开关设备在送电时, 避雷器室的绝缘子被击穿, 更换了绝缘子后解决了该问题。经过分析可知, 引发绝缘子击穿故障的原因可能是该绝缘子的质量不合格, 也可能是在安装的过程中损伤了绝缘子, 导致绝缘子在运行的过程中被击穿。
1.4 开关不能合闸故障分析
某110 k V变电站的气体绝缘金属封闭开关设备的开关不能合闸, 检查和分析了现场的电气回路后, 并没有发现异常, 但是, 依然不能手动合闸, 相关缺陷并没有消除, 致使开关设备不能正常工作。与厂家技术人员联系后, 对气体绝缘金属封闭开关设备的结构进行解体, 经过检查后发现, 原因是卷生机构框架尺寸不合适, 导致操作框架和卷生机构之间的配合错径, 向滚针周抽施加了斜向的压力。更换了卷升机构后, 继续更换合闸弹簧杆处的滚针轴承和卡钩等, 将其重新组装后, 故障消除了。
2 防范措施
2.1 强化安装监督工作
气体绝缘金属封闭开关设备的安装质量在很大程度上影响了其运行质量, 因此, 在气体绝缘金属封闭开关设备安装的过程中, 应该加强对安装过程的监督, 尤其是避雷器和TV等部件的安装, 应该严格按照相关要求做好检验工作, 把好质量关。相关部门还应该编写监造规定或手册, 制订统一的验收和交接标准, 同时开展相应的培训工作, 便于监造人员执行具体的工作。
2.2 调试监督工作
在调试气体绝缘金属封闭开关设备的过程中, 应该严格按照相关的标准监督建设单位、监理单位、安装单位和制造厂家等, 检查其是否按照相关的技术控制措施和标准做好气体绝缘金属封闭开关设备的调试工作, 要确保设备的调试质量。这样做, 对保证气体绝缘金属封闭开关设备的运行质量具有非常重要的作用。
2.3 强化交接和验收工作
在气体绝缘金属封闭开关设备交接和验收阶段, 应该提高验收标准, 并规范其验收流程, 把好投运前的最后一关, 严格根据相关的设备交接和验收规程开展设备的试验项目。此外, 为了防止因为追赶工期而导致设备运行出现缺陷, 应该制订相应的现场监督责任制度。当气体绝缘金属封闭开关设备在运行的过程中出现问题时, 要追究相关部门或人员的责任, 以保证设备的运行质量。
2.4 采用新技术, 强化运行维护工作
采用特高频技术、超声波技术检测气体绝缘金属封闭开关设备的运行状况, 这样不仅能够获得运行资料, 还能够为其运行检测和故障诊断提供可靠的资料。综合红外成像、气体成分分析、分解产物分析等多种技术手段, 能够显著地提高故障诊断的准确性和可靠性。此外, 110 k V变电站和供电局应该强化巡视和维护工作, 制订严格的检测和维护周期, 每三年进行一次动作检查, 通常为解体检修。当设备出现异常时, 应进行临时检修, 尽早发现存在的故障, 并分析导致该故障的原因, 然后及时采取相关的处理措施, 保证设备安全、稳定的运行, 防止其出现故障。
3 结束语
总而言之, 110 k V气体绝缘金属封闭开关设备运行的安全性和可靠性, 对110 k V变电站以及整个电网的稳定运行起着至关重要的作用。因此, 为了防止其在运行过程中出现故障, 应该准确分析出现故障的原因, 并采取相应的、有效的防范措施, 保证设备能够安全、稳定的运行。
参考文献
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气体绝缘金属封闭开关 篇6
高压配电装置的型式有3种: (1) 空气绝缘的常规配电装置, 简称AIS。其母线裸露直接与空气接触, 将带电部分、接地部分分隔一定的距离, 依靠空气绝缘, 断路器可用瓷柱式或罐式。 (2) 混合式配电装置, 简称H-GIS。全称混合型气体绝缘组合开关设备, 是罐式复合开关的一种, 其结构与GIS基本相同, 但不含母线, 是将断路器、隔离开关、接地开关、快速接地开关、电流互感器、电压互感器等元件组合, 并封闭于金属壳内, 充SF6气体绝缘组成的封闭组合电器。H-GIS的优点是运行可靠性高, 不受污秽影响等, 相对AIS设备, 在安装、调试、运行维护上都有较大的优势, 可大大改善设备运行环境, 实现少维护。 (3) SF6气体绝缘全封闭配电装置, 简称GIS或 (F-GIS) , 它适用于人口稠密、场地狭窄、沿海、空气污秽和高海拔等地区。本文主要就气体绝缘金属全封闭组合电器的特点及运行维护和验收工作进行探讨。
1 GIS的主要特点
(1) GIS为组合电器且充SF6气体, 体积小, 占地面积小; (2) GIS的内部绝缘在运行中不受环境影响; (3) 施工工期短, 运行可靠, 安全性强, 维护工作量很小; (4) GIS对通信装置不造成干扰。
2 GIS设备验收
GIS设备新安装和大修后要进行以下验收项目:
(1) 安装牢固, 外表清洁完整, 支架及接地引线无锈蚀和损伤, 瓷件完好清洁, 基础牢固, 水平、垂直误差符合要求;母线伸缩节安装符合厂家说明书要求。
(2) 电气连接可靠且接触良好, 接地良好、牢固。
(3) 各气室内SF6气体的水分和全气体分析报告合格, 气体压力符合要求, 无泄漏, 压力表 (或密度计) 应有有机玻璃护盖并有防雨罩;各密封管路阀门位置正确, 连通阀门均开启, 取气阀应关闭。
(4) 液压机构油位符合要求, 无渗漏油, 压力值符合规定;弹簧机构储能正常;机构电机运转正常;机构加热器正常。
(5) 开关、刀闸、接地刀闸分合操作动作正常, 现场机械指示、汇控柜、测控屏及监控机显示位置准确、一致;设备检修后验收, 开关、刀闸、接地刀闸位置应与检修前相符。
(6) 本体清洁, 油漆完好, 相色标志、一二次设备名称和位置标识齐全、正确、清晰。
(7) 汇控柜、机构箱及测控屏封堵良好, 内部无受潮、生锈和脏污情况, 二次接线整齐, 无松动。
(8) 汇控柜呼吸孔应有纱网及防尘棉垫, 温、湿度控制器的定值在规定范围内。
(9) GIS室内空气中的含氧量应大于18%或SF6气体浓度不应超过1 000μL/L。
(10) 新投及大修后运行前应按试验规程进行试验并合格, 信号传动正确。
3 GIS日常运行维护
3.1 关于GIS设备的操作规定
(1) GIS设备正常运行时断路器及隔离开关的倒闸操作和事故处理必须在控制室, 由运行人员在后台机上进行远方操作, 只有接地刀闸可以在开关室汇控柜操作。
(2) 当GIS设备进行正常操作时, 为了防止触电危险, 禁止触及外壳, 并保持一定距离。操作时, 禁止在设备外壳上进行任何工作。手动操作刀闸或接地刀闸时, 操作人员必须戴绝缘手套。
(3) 在保护室相应测控屏上允许进行的操作:1) 监控系统后台机发生故障, 不能进行操作时, 运行人员需要进行设备操作;2) 设备停电, 保护人员进行保护调试工作, 办理第一种工作票后, 经当值值班长同意, 可以在调试工作中操作。
(4) 紧急情况时在汇控柜上操作断路器及隔离开关, 必须在得到相关领导同意后, 才能到就地汇控柜上进行操作。
(5) GIS的断路器、隔离开关、接地刀闸一般情况下禁止手动操作, 只有在检修、调试时经上级领导同意方能使用手动操作, 操作时必须有专业人员在现场进行指导。
(6) 设备正常运行时不得将汇控柜上的“联锁、解锁”开关倒至“解锁”位置, 因为这个方式开关倒至“解锁”位置后所有的电气闭锁将失效, 极易导致误操作。
(7) 当GIS设备某一间隔发出“闭锁”或“隔离”信号时, 应结合设备异常信号和设备位置状态, 查明原因, 在原因没有分析清楚前, 禁止操作此间隔任何设备;同时迅速向调度和工区汇报情况, 通知检修人员处理, 待处理正常后方可操作。
(8) GIS设备操作后的检查。由于GIS设备是全封闭的, 所以没有明显断开点。操作后的检查依据是以下3点发生对应变化:1) 运行人员工作站主接线图上该设备的状态变化;2) 事件记录的报文;3) 现场位置指示器的状态。
3.2 GIS设备的日常巡视和检查
(1) 进入SF6气体设备场所须先开排风扇通风, 检查防爆盘时速度要快, 不准在防爆盘前停留, 若GIS破裂, SF6气体外泄, 应及时打开排风扇通风, 进入电缆沟内或低凹处工作时, 应测含氧量及SF6气体浓度, 确认空气中含氧量不小于18%, 空气中SF6浓度不大于1 000μL/L后方可进入, 禁止攀爬到GIS设备上面或站在不稳定的平台上进行工作。
(2) GIS汇控柜上各类控制信号、照明、电源空气开关在“合”位, 保护屏无掉牌, 指示灯正常, 电流表、电压表指示正常且三相平衡。
(3) 检查断路器、隔离开关、接地刀闸的现场位置指示正确。
(4) 检查断路器、保护各种信号灯指示正确, 综自设备显示正常。
(5) 检查断路器、隔离开关、电缆气室的各个SF6气体密度表计指示应在正常区域内。
(6) 设备外观无异常, 本体无变形, 各阀门管路良好无变形, 设备无异常声响, 无异常气味, 设备外壳无锈蚀。
(7) 接地端子是否有过热现象。
(8) 外壳接地完好 (接地铜排良好) 。
(9) 定期对GIS设备接头、壳体及二次盘柜接线进行红外测温。
(10) 检查操作机构传动机构良好、断路器电机良好、机构和本体无渗漏。
4 GIS设备的日常维护
(1) 变电站现场规程中应明确本站GIS设备各气室的额定、报警和闭锁压力。机构箱、汇控柜内的驱潮器应长期投入, 加热器按照规程要求投入。采用温湿度控制器控制的加热器, 需常年投入。
(2) 运行中的GIS设备对于运行、维修人员易触及的部位, 在正常情况下, 其外壳及构架上的感应电压不应超过36 V, 其温升不应超过30 K。如果外壳可触及, 但在正常操作时无需触及, 其温升极限可增加到40 K。
(3) 为防止异物进入和带来潮气, GIS室门应关闭严密, 进出时应随手关闭。
(4) 每日巡视检查按规定项目进行设备巡视, 重点检查各气室SF6气体压力良好, 在规定范围。
(5) 监盘人员注意监视GIS设备各回路三相电流平衡;每旬和高峰负荷对GIS设备接头、GIS壳体及二次盘柜进行红外测温。
(6) 每周日按设备点检规定对GIS设备及就地控制箱进行点检巡视。
(7) 每月根据变电站月工作计划, 对GIS设备进行盘面清扫工作。
(8) 投运第一年中应测试SF6气体回路的水分及间隔泄露, 如测试合格则今后每年测量一次SF6气体回路的水分含量应在规定指标内 (环境温度20℃时:有电弧产生的气室不大于300μL/L, 其他气室不大于500μL/L) 。
(9) GIS设备的特巡工作:1) 当负荷增大或大负荷增加时应及时对设备进行巡视和测温工作;2) 气候发生变化时, 如气温突降或高温天气、雪、雷雨、冰雹、大风、沙尘暴等, 根据气候情况增加特巡工作, 雷雨天气后及时检查各线路避雷器动作情况;3) 倒闸操作后检查操作机构传动机构良好、断路器电机良好、机构和本体处于良好状态;4) GIS设备发生故障时, 如弹簧未储能、气室压力降低、气室红外测温温度偏高等, 及时进行设备检查, 在故障未消除前, 值班长需制定反事故措施, 落实责任人;5) 事故跳闸故障后, 对相关设备进行特巡检查。
(10) 当巡视发现SF6气室压力突降、SF6气体压力低报警等异常, 值班长必须及时汇报调度和工区领导。
5 结语
随着社会经济的快速发展, 城市用电负荷的不断增长, 对供电可靠性的要求越来越高, 各个城市城市化的进程加快, 许多城区都需要新投变电站, 而城区的土地资源少、大城市的人口密集、个别地区负荷密度极高的矛盾日益突出。GIS设备占地面积小, 运行可靠, 安全性强, 不会对周边居民区环境造成影响, 所以在城区大力推广GIS变电站是切实可行的。运行维护人员对GIS设备的熟悉、了解以及在运行工作中的维护和操作中的注意事项如果不清楚, 就会在设备的操作和事故处理过程中极易造成误操作和扩大事故的后果, 本文就GIS设备运行和维护工作中的注意事项和规定作了详细的分解, 便于业内人士参考借鉴。
参考文献
[1]张宁.供配电企业生产技术标准汇编——送变电卷 (高压开关分册) [M].北京:中国标准出版社, 2001
[2]中国电器工业协会, 《输配电设备手册》编辑委员会编.输配电设备手册 (上册) [M].北京:机械工业出版社, 2000