GIS變電站序言隨著國民社會經濟的開展，城鎮規模的擴大，用電量日益增加，從而加速了大型火電、水電、及核電的開展和建設。這些大型電站往往遠離負荷中心，使得電力系統向大容量、長距離、超高壓方向開展。絕緣介質超高壓輸電線路的開展是以高壓電氣設備的不斷開展和更新為根底，而高壓電氣設備的開展那么是以新型絕緣介質和滅弧介質的發現和應用為前提。目前空氣、絕緣油和SF6氣體是應用最為廣泛的三大電介質。絕緣介質絕緣強度優缺點空氣均勻場強下大約3kV/mm以自然存在的形態提供使用，不產生任何有害健康的副產品。補充、更新費用低。但是壓縮空氣斷路器結構復雜、價格昂貴，需要配置空壓機和管路系統，維護工作量大。絕緣油在試油杯中大約30kV/mm絕緣強度高，受熱后具有相對流動性。具有良好的滅弧性。絕緣油最大的弱點就是可燃性，可能引起火災。SF6均勻場強下為空氣的2.5倍。當氣體壓力為0.2MPa時，絕緣強度相當于絕緣油。具有良好的絕緣和滅弧性。GIS結構緊湊，220kV占地面積為常規變電站10%。安裝簡便。不受污染及雨、鹽霧等周圍環境影響。SF6氣體絕緣變電站〔GIS〕一、GIS結構GIS通常為積木式結構，元件可隨意組合。因此，制造廠不同，用戶的需要不同，GIS總體結構也不相同。它可分為：斷路器、隔離開關、接地開關、負荷開關、電壓互感器、電流互感器、避雷器等。二、額定參數1、GIS。投入運行的GIS額定電壓為72.5～765kV。額定電流通常為2000～4000A，最高可達8000A。2、斷路器。斷路器的額定開斷電流為20～70kA，最常用的范圍為50～63kV。斷路器中氣體壓力一般為0.5～0.7MPa。3、作為絕緣介質的SF6氣體壓力通常為0.3～0.5MPa，當氣體壓力降為0.1MPa時，一般仍能耐受相電壓。三、SF6氣體質量標準SF6氣體是GIS和其它氣體絕緣設備的主要絕緣介質和滅弧介質。因此，氣體絕緣設備的絕緣性能和滅弧性能取決于SF6的質量和密度。在SF6氣體的制備和充裝過程中，可能混入少量的空氣、水分和礦物油等。為了保證SF6氣體的純度和質量，IEC-376和我國制定了SF6氣體的質量標準GB12022-89。SF6氣體質量標準雜質名稱雜質含量〔質量比〕標準代號IEC-376GB12022-89空氣〔氮、氧〕≤0.05%〔質量分數〕≤0.05%〔質量分數〕CF4≤0.05%〔質量分數〕≤0.05%〔質量分數〕水分≤15ug/g≤8ug/g游離酸(HF)≤0.3ug/g≤0.3ug/g可分解氟化物≤1.0ug/g≤1.0ug/g礦物油≤10ug/g≤10ug/gSF6氣體純度≥99.8%〔質量分數〕≥99.8%〔質量分數〕生物毒性試驗無毒無毒運行中的SF6氣體純度不低于95%四、GIS現場試驗GIS在生產、運輸、組裝過程中，都有可能由于技術原因和管理問題而發生問題，所以GIS在運行之前，要作嚴格試驗。國際電工委員會〔IEC〕和我國國家標準GB7674-87，對GIS的現場試驗作了明確的規定。GIS現場試驗工程：主回路耐壓試驗〔包括局部放電測量〕輔助回路耐壓主回路電阻測量密封性試驗投運試驗〔斷路器開斷空載變壓器、開斷空載線路、隔離開關切空載母線等〕SF6氣體含水量測量等現場試驗屬于檢查性而不是鑒定性質。在條件具備的情況下，盡可能多做一些工程試驗。五、GIS中的放電及其常見形式局部放電概念在絕緣體中發生局部放電時絕緣體上施加電壓的兩端出現的脈動電荷稱之為視在放電電荷。視在放電電荷的大小可以這樣測定：將模擬實際放電的瞬變電荷注入被試品兩端〔也就是施加電壓的兩端〕，在此兩端出現的脈沖電壓與局部放電時所產生的脈沖電壓相同，那么注入電荷量即為視在放電電荷量。單位用pC表示。在一個被試品中可能出現大小不同的視在放電電荷，通常以穩定出現的最大的視在放電電荷量作為該試品的放電量。放電頻率在測量的時間內，每秒鐘出現放電次數的平均值為放電頻率，單位是次/s，實際受到測試系統靈敏度和分辨率的影響，所測得的放電次數只能是視在放電電荷大于一定值時，放電間隔時間足夠大的放電脈沖次數。放電形式根據放電過程中釋放能量的多少可劃分為三種主要的放電形式：電弧、火花放電和電暈放電。電弧放電能量公式：W=式中U〔t〕------電弧電壓〔數百伏〕I〔t〕------電弧電流〔數千伏～100kA〕t-------電弧持續時間〔典型值50～150ms〕斷路器開斷時所產生的電弧放電，電弧釋放的能量一般為～J，軸線上的溫度可達20000K。相對地擊穿時所產生的電弧與斷路器中斷電弧非常類似，只是故障電弧發生的頻次少得多。火花放電火花放電是指持續時間很短〔通常為us級〕的氣體間隙的容性放電。每次火花放電的能量在～J之間。火花放電通道比電弧通道窄，溫度分布高度集中。電暈放電在SF6絕緣設備中，如有某些部件處于懸浮電位，那么會導致電場強度局部升高，進而產生電暈放電。電暈放電的原因很多種，大概可分為以下幾類：載流導體外表缺陷。如有毛刺、尖角、設計不合理、導體外表的電場強度過高等；絕緣體與導體的交界面上存在氣隙，這種氣隙可能是在產品制造時殘留的，也可能是在使用中熱脹冷縮形成的。氣隙中分配的場強高，而氣隙本身的擊穿場強又低，于是在氣隙中首先產生放電；澆注絕緣體中的缺陷，如氣泡、裂縫；在SF6中導電微粒在強電場下產生的放電；導體局部接觸不良。電暈放電是以脈沖形式，每個脈沖所釋放的能量在uJ～mJ范圍內。它是一個持續積累的過程。綜上所述，GIS中放電形式和特點可參考下表：放電形式放電特點電弧〔電流開斷、閃絡故障〕3～100kA，50～150ms，～J火花放電〔容性放電、試驗中擊穿、隔離開關開斷〕短時瞬變電流，～J電暈放電〔場強過高，處于懸浮電位部件、導電雜質〕～J/脈沖SF6氣體在放電中的化學變化SF6分解產物的生成機理比擬復雜。它包括兩個主要過程：SF6分解產生低氟化物；低氟化物與電極材料、絕緣材料、SF6中的氣體雜質反響生成SF6分解產物。促成SF6分解主要是電、熱、和光的作用。在高壓氣體絕緣設備中，電和熱的過程占主導地位。一般情況下，分解了的SF6氣體很快會復合，然而由于氣體中含有氧氣、水分、金屬蒸氣等雜質，所以一些化學反響較強烈的低氟化物與這些雜質可反響成氟氧化物、氫氟酸和金屬氟化物。電弧放電中SF6的化學反響如第五節所述，電弧放電能量大，溫度最高能到達20000K，在此溫度范圍內，SF6氣體幾乎全是正離子和電子。當電弧冷卻后，離解的氣體迅速復合，大局部SF6恢復原狀。局部離解氣體與金屬蒸氣發生反響，生成少量的低氟化物和固態粉末。主要化學公式如下：SF6+Cu=SF4+CuF23SF6+W=WF6+3SF4其中，CuF2為褐色的固態粉末，WF6為氣態產物。這些化合物與水共存時可產生水解，方程式如下：SF4+H2O=SOF2+2HFWF6+3H2O=WO3+6HFGIS導體和外殼可能由鋁制成，發生閃絡時，其方程式分別如下：AL+3F=ALF3其中ALF3為白色粉末。2、火花放電中SF6的化學反響火花放電持續時間短，能量也足以使局部加熱溫升。其化學生成物與電弧放電中的情況類似。方程式如下：SF6SF4+2FSF4+H2O=SOF2+2HF其余化學反響可參照電弧放電。3、電暈放電中的SF6的化學反響電暈放電中的SF6分解過程不同于以上兩種，電子碰撞與捕獲在過程中占主導地位。其方程式如下：e+SF6=SFx+(6-x)Fx<5e+SFx=SF(x-1)+F經過屢次分解后形成SF4、SF3的低氟化物，其方程式如下：SF5+O=SOF4+FSF4+O=SOF4SF4+H2O=SOF2+2HFSF3+O2=SO2F2+FSF2+O2=SO2F2在電暈放電中，SOF2是主要分解產物。SF6氣體的主要分解產物及根本性質分解物化學式特點氟化亞硫酸SOF2無色氣體，有強烈惡心臭味，劇毒氣體氟化硫酰SO2F2無色無嗅氣體，痙攣性化合物，會引起肺出血四氟化亞硫酰SOF4無色氣體，有刺激性臭味，對肺有侵蝕作用四氟化硫SF4常溫下無色氣體，有刺激性臭味，對肺有侵蝕作用，影響呼吸系統二氟化硫SF2極不穩定，易發生化學反響。有毒氟化硫S2F2常溫下無色氣體，有劇毒十氟化二硫一氧S2F10O劇毒物質氟化氫HF無色氣體或液體，有強烈的刺激性臭味。對皮膚、粘膜有強烈作用，引起肺水腫、肺炎。三氟化鋁ALF3白色粉末，有強烈腐蝕性和毒性氟化銅CuF2藍色粉末，有毒性七、GIS局部放電的檢測方法局部放電的過程，除了伴隨著電荷的轉移和電能的損耗，同時還產生各種非電信息，包括聲波、發光、發熱、電磁波以及GIS內部新的化學生成物等等。通過測量這些信號的量值，可以判定局部放電。1、電測法目前電測法以脈沖電流法的運用為主。其根本原理是：產生局部放電時，被試品兩端產生一個瞬時的電壓變化U，經過一個耦合電容到一個檢測阻抗上，回路中就會產生一個脈沖電流I，如下列圖，將脈沖電流I經檢測阻抗產生的脈沖電壓加以采集、放大和顯示等處理，就可測量局部放電的一些根本量。MM～～SIS---試驗電源---被試品---耦合電容---檢測阻抗M---儀器脈沖電流法主要利用局部放電頻譜中的較低頻段局部。一般為數kHz到數百kHz，以防止無線電干擾。一般均配有脈沖峰值表指示脈沖峰值，并有脈沖管顯示脈沖大小、個數和相位。用電荷量的脈沖注入校正定量，從而可測出放電量q。以pC為單位。電測法必須與被試品回路相連接，容易受被試回路電氣干擾，影響測量結果。而現場電氣干擾更加復雜，所以在現場局放檢測中一般不使用電測法。2、光測法局部放電的過程會放出光子而發光，各種放電發出的光波長不同，能量比擬弱小的電暈放電，發出的光波長較短，不超過400nm，大局部屬于紫外范圍。較強的火花放電和電弧放電，波長可超過700nm，大局部屬于可見光范圍。光測法主要是采用光電倍增管。光電倍增管是一個由許多倍增電極組成的一個電子管，各電極間施加一定的直流電壓，陰極在光的照射下發射出電子，在各個電極的加速下，這些電子不斷撞擊而產生新的電子，這樣到達陽極的電子，可以增加到好幾個數量級，在陽極就可測出輸出的電流或電壓。各種光電管都有一定的光譜范圍，局部放電所產生的光，多在幾百nm以內，所以光電倍增管的光譜可以選擇在此范圍。檢測放電時是利用GIS上的視窗來觀察GIS內部的放電，測試局部放電時的光輸出理應是所有診斷技術中最敏感的，因為一個光電倍增管可以測到甚至一個光子的發射，但由于射線會被SF6氣體、絕緣子等強烈地吸收，而且會有“死角〞出現。同時由于光電倍增管過于敏感，甚至只能在黑暗的環境使用，稍微強烈的光線都有可能燒毀，所以影響了光測法的使用效果。熱成像法局部放電產生的熱可能會使局部區域的溫度升高。紅外測溫裝置一般由紅外熱成像系統、紅外電視和紅外測溫儀組成，另外有的還配有紅外掃描器、紅外觀察器、紅外CD成像器及紅外光纖監視器等。在GIS現場測試中，環境溫度可能高達37℃以上，而能量較小的放電很難使局部有明顯溫升，并且現場環境中引起被試設備溫升的原因很多，所以溫升靈敏度和排除干擾的問題有待進一步解決。化學檢測法GIS內部閃絡會導致SF6氣體分解〔可參考第六章--SF6氣體在放電中的化學變化〕，因此，SF6電弧分解產物的存在是內部電弧放電的一個標志。化學測試管是現場檢測SF6分解產物生成情況的常用工具。化學測試管內裝有靈敏指示劑，它們與SO2和HF互相作用就會改變顏色。采用化學測試管可以檢測分解產物濃度達幾百～幾萬ppmV的電弧放電。此外，化學測試管還能鑒別出SO2和SOF2，從而可以判斷GIS內部閃絡故障是發生在氣體間隙中還是絕緣子附近，因為在絕緣子附近發生閃絡時，通常SO2的濃度要高很多。此外化學測試管還可以配合氣相色譜儀使用，能夠到達更理想的效果。化學檢測法對于小氣室中的大電流電弧放電是一項很實用的方法，但是對于大氣室小能量放電那么靈敏度不夠，因為小能量放電不一定能夠產生足夠的化學分解物。同時由于GIS內部有吸附劑和枯燥劑，也可能嚴重影響化學檢測結果。化學檢測法可以判定SF6的分解物濃度，但是無法判定是否存在絕緣缺陷，因為GIS中的斷路器動作所產生的電弧同樣會引起氣體的化學變化。5、聲測法通過測量局部放電產生的聲波，來檢測局部放電的大小及位置的方法，稱為聲測法。聲波的產生聲波是一種機械振動波。當局部放電發生時，在放電的區域中，分子間產生劇烈的碰撞，這種撞擊在宏觀上就產生了一種壓力，由于放電是一連串的脈沖形成，由此產生的壓力波也是脈沖形成的，它含有各種頻率分量，也是頻帶很寬的聲波。聲波的頻譜局部放電產生的是一個聲脈沖，它的頻譜分布很廣，～Hz數量級范圍。聲波的傳播GIS的局部放電通常是發生在設備的內部，而用于測量聲波的接收器一般只能安放在設備的外殼上，聲波要從放電源傳播到測量點才能被檢測到。不同類型、不同頻率的聲波，在不同的溫度下，通過不同的媒質的速度都不相同。在20℃時縱波在幾種媒質中傳播的速度〔m/s〕媒質速度媒質速度媒質速度氫1280油紙1420鋁6400空氣330油紙板2300鋼6000SF6140聚四氟乙烯1350銅4700礦物油1400聚乙烯2000鉛2170水1483有機玻璃2640～2820鑄鐵3500～5600瓷料5600～6200聚苯乙烯2320不銹鋼5660～7390天然橡膠1546環氧樹脂2400～2900由上表可知，聲波在SF6氣體中傳播速度很慢，衰減也很大，而且隨著頻率的增高而增大。在金屬外殼中分縱波和橫波兩種形式。縱波速度較快，衰減也快。橫波的速度較慢，約為縱波的一半，而且衰減也小。因此貼在GIS外殼的聲波接收器測得的聲波，往往是沿著金屬材料最近的方向傳到金屬體后，以橫波的形式傳播到聲波接收器。聲波的檢測用于局部放電測量的超聲波檢測系統，一般包括四個局部，傳感器、電信號放大、抑制干擾、信號顯示。傳感器也可稱為換能器，在超聲波信號的接收中，是把機械能轉換成電能。在局部放電測量中，一般采用壓電傳感器。放大器按照頻率的特性劃分，可分為兩類，如下兩圖：A圖B圖A圖為寬頻放大器，頻帶的下限頻率為幾kHz，上限頻率為幾百kHz甚至幾MHz，寬帶放大器容易受外界噪音干擾，限制了它的廣泛運用。B圖為調諧放大器，它是選擇一個中心頻率，以避開干擾大的頻域。故有實用價值。在GIS中，除了局部放電產生的聲波以外，還存在機械振動噪聲(<10kHz)，另外現場還存在強烈的電磁輻射干擾，而且局部放電本身也會輻射電磁波，傳感器本身對電磁輻射沒有任何響應，因而主要針對機械振動或其他噪聲作帶通濾波抑制干擾產生。通常可以采用高通濾波器，同時設計了低通濾波器，二者構成非對稱的帶通濾波器。形成通帶的帶通濾波器。使用高運放低噪聲芯片，能夠有效的放大需要的信號，過濾多余的噪聲。超聲波檢測局部放電理論原理框圖：電荷放大中間放大上下通濾波末級放大CPU電荷放大中間放大上下通濾波末級放大CPU壓電傳感器數字顯示數字顯示超聲波測局放的優點：1〕可以不用與高壓設備相接觸。2〕可以在線監測，不用停電。3〕在平安距離的范圍可以準確定位。6、超高頻法〔UHF〕局部放電發生時，會產生頻譜很廣泛的電磁波。從工頻電磁波到上GHz。在高場強的SF6中，局部放電總是在很小的范圍內發生，因此具有擊穿時間短的特征，這種具有快速上升時沿的局部放電脈沖包含有從直流到超過1GHz的頻率成分。GIS的同軸結構是一個良好的波導，超高頻(300～3O00MHz)電磁波可在內部有效地傳播。因此，選擇超高頻段的電磁信號作為檢測信號，可以避開常規電氣測試方法中難以識別的電力系統中的干擾，顯著提高了局部放電檢測的信噪比(S／N)。國外超高頻方法已用于局部放電在線檢測，有內部天線法和外部天線法兩種方法。1)內部天線法由于GIS接地的金屬外殼的屏蔽作用限制了位于GIS外部的天線對局部放電的電磁波信號的接收，一些國家考慮把天線安裝在GIS的內部。例如英國，所有新的GIS都被指定安裝用于超高頻監視的內部耦合器(天線)，在一些場合，已安裝的變電站也在追加安裝天線。內部安裝天線的優點顯而易見：內部電磁信號易于接收而且外部干擾幾乎被完全屏蔽，靈敏度很高。但是，必須考慮GIS內部因引入天線而可能引起的擊穿。因此要在天線的形狀和安裝位置上下功夫，可考慮天線做成盤形、裝于視窗等相對弱場處。2)外部天線法外部天線法是把天線安裝在GIS金屬外殼的絕緣縫隙處，接收GIS內部從此處泄露出來的電磁波信號。日本采用了這樣的做法，這種方法由于不影響運行中的GIS的正常工作，而且安裝使用方便，很適合于GIS局部放電的在線檢測，但由于天線接收的是本身就很微弱而且又絕大局部被屏蔽掉的信號，這就對天線的設計及后續處理提出了很高的要求。天線可設計為一中間開槽的雙環帶。超高頻檢測法可分為幾個局部：超高頻天線、傳輸、信號調理模塊、數據采集、工控機。原理框圖如下：工控機數據采集卡信號調理單元傳輸超高頻天線放電信號工控機數據采集卡信號調理單元傳輸超高頻天線放電信號信號調理單元主要是根據工控機的指令，調節所接收信號的中心頻率和頻寬，這樣可以大局部抑制的現場干擾。工控機的作用主是要通過數據采集卡記錄并處理數據，顯示測量的結果。在現場局部放電檢測中，現場環境干擾強烈，充滿各種頻率的電磁波，一般不允許撥打，所以如何屏蔽是很重要的問題。GIS的檢修GIS的檢修包括定期維修和臨時檢修。1、定期維修工作可2～3年一次，定期維修是GIS處于全部或局部停運狀態下專門組織的維修檢查。定期維修通常在不排放SF6氣體、GIS不解體的情況下進行的，其主要的檢查內容包括：斷