化学磨损嵌入物和电气触头磨损的在线监测

1、Weidmann 9/08化学磨损嵌入物和电气触头磨损的在线监测 Nick Dominelli, Ed Hall, Ian Wyle, Dave Casson, Powertech 实验室公司.Bruce Nichols, Nichols Applied Technology, LLCLuke van der Zel, EPRI前言经BC Hydro和西北电力局的beta试验表明，用锂金属作为嵌入材料来检测磨损是非常可靠的。本文旨在研究采用嵌入液体化学跟踪材料的相关内容。 在非油环境中(如空气，SF6或真空，包括真空泡)，锂金属是最可行的。因可见的电弧被油熄灭，且监测仪的光学器必须放在接近电弧

2、触头的地方(如图1和图2 )，所以对含油环境是不可取的，但对除油以外的如下其他环境是可行的。 光纤传感器 Fiber Optic Sensor. 图 1图2此外还可以考虑利用纳米晶(尺寸为纳米级的人造半导体晶体)来研究磨损指标。之所以提出这个评价指标是因为纳米晶在水溶液中具有很强的检测敏感性。 他们在洋流中的应用就是一个例子，这种环境中，他们能够检测到万亿分之一的粒子。但是，这不适用于油环境中，特别是电器设备中的恶劣条件。由于在油中受乙炔和酸的破坏，他们的可见电弧被油熄灭，他们的费用昂贵，且在被破坏后，需要新技术来监测并去油。基于这些发现后，有关纳米晶的研究就没有继续，直到这个行业成熟到这些问

3、题都解决了或减轻了。 摘要之前，我们提出过避免LTC因触头过分磨损而引起故障的方法。这需要离线和在线技术来检测或监测触头磨损。有一种方法是利用嵌入液体化学跟踪材料来检测或监测触头磨损。这也需要在触头铜钨合金处挖一个凹槽，槽的深度与磨损的极限(即需要更换触头的极限点)相对应。触头磨损到凹槽的位置，包含破坏触头的化学材料，和排放到油中的化学物，此时采用DGA的方法来检测。本文基于此，提出一种新的方法，并讨论了一种新的检测发热，碳化和触头磨损的在线监测仪，由EPRI 和POWERTECH 实验室研究。 因正常运行过程中产生的电弧和侵蚀会使电气零部件达到某个极限，因而产生设备故障。过去，这种故障模式被

4、认为是不可能的，因为维护的间隔时间要么根据操作次数，要么根据运行时间来确定。 随着先进的诊断工具和技术应用，这种情况已经改变很多年了。其他的考虑还有持续使用滤油装置，设计新的转换开关，有更大的额定电流和更高的可靠性。因此，在很多情况下，维护的间隔时间多少与操作次数和运行时间关系很小或者根本没有关系 。某些情况下，触头磨损影响设备故障并没有被认为是一个很重要的因素，因为很多LTC开关碰到的问题是在更换弧触头之前本身就需要很多的维护。这种情况下，有很多的机会可以查看触头的磨损程度，确定是否更换。但是，这种情况需要的维护频率比较高。理想的情况是在正好需要更换弧触头时做维护，这就需要更改设计，提高开关

5、的运行可靠性，还要找到一种方法来检测触头磨损到需要更换的程度。ABB TRES 近期宣布了一种为现有LTC设计的新系列转换开关，具有更大的电流和最小的发热和碳化。 结合持续的油过滤和较短的DGA间隔时间，这将为LTC的维护带来很大变化。还可以在更大程度上延长维护的间隔时间, 触头磨损将成为计划维护时间的一个重要考虑。这进一步强调了触头磨损的监测能力的重要性。简介近年来，LTC是大量诊断研究的对象 1, 2. 据估计约有三分之一的变压器断电均来自LTC的故障。 不同大小的变压器，由于断电会引起巨大的费用和损失。 通常LTC的故障包括以下：机械故障，触头电阻加大，局部热应力，绝缘油碳化,触头磨损，

6、不当的设计或高负荷。如果可以监测到触头磨损的程度，则可以避免因过度的触头磨损而引起故障。而且用户还可以更精确地控制维护活动或取消更换零件库存。本研究的目的是找到更好的嵌入材料用来跟踪，并研究离线或在线监测的技术。 诊断方法如 DGA和粒子分析法均被证明对识别热、碳化和异常运行情况等非常有用。不过这些方法不能判断触头磨损是否达到极限点，因此磨损将会继续。此外，典型的抽样间隔时间(12 months) 也显示出单单采用油分析法是不能监测到什么时候触头磨损到极限。 这些方法的成功之处在于将维护的间隔时间延长到触头磨损已经成为一个主要的顾虑。在线滤油技术持续提高油的质量，在某种程度上减少识别磨损标记的

7、能力。直到现在，这并没有被当做很重要的问题，因为大部分电力公司仍然使用操作时间和次数来确定维护时间。到目前位置，最好的解决方法是提供一种特定的推进/不推进系统来识别触头磨损是否达到某个特定的极限点。原理和方法 别的文献中对原理都做了详细的描述4,6,7. 简而言之，就是在磨损的极限位置处嵌入一种跟踪材料，在此处可以更换触头。 在触头正常切换中，电弧和机械运动都会带来触头的磨损，并最终 破坏凹槽，凹槽中含化学物。凹槽的破坏会使低速跟踪材料渗入到油中，由此通过DGA方法或如下提到的新在线监测仪可以检测到。 现有的方法包括使用一个带小直径管的外置槽(图3)，管会碰到触头。这会减少触头铜钨合金材料的损

8、失，并保证原先的机械和电气性能。 图3全氟碳化合物跟踪技术(PET)PFT 技术是所有非辐射跟踪技术中最灵敏的，可测量万亿分之一的浓度 。自从1980年代，PFTs 已被广泛应用于研究空气运动和泄露监测。Brookhaven 国家实验室利PFTs 来研究大气运动和局部，区域和国家范围内的分散。PFC 的灵敏度是独一无二的，并被用来测试和监测核中的污物和危险废物储存设施 5; Con Edison和英国国家电网利用它来判断地下线漏电的位置3. PFC 气体是凹槽中跟踪化学材料分解后产生的气体。化学物具有高蒸汽压，因此易挥发。 它被认为是最好的跟踪材料。因为利用DGA方法中很大一部分可监测的气体会

9、留在油中至少12个月，而在线监测仪部分可监测的其他会蒸发到LTC油室的头部，在那里也可以检测到。触头和化学槽设计 触头拉弧部分(铜钨合金)的设计中很关键的一点是包含化学跟踪材料的凹槽。主要是考虑要移除多少铜钨合金材料以生成内部凹槽的几何形状。需要多少量的化学跟踪材料来确保可靠的监测取决于LTC或断路器的油量。比如，有些LTC开关有1200 加仑油，需要的凹槽大小为 1/3 cu. 因此，很明显最好的方法就是采用外置凹槽，然后加一根小直径的管作为导体 (如图3).液体化学跟踪材料放在外置的凹槽中，带一根不锈钢管，管延伸到触头，延伸的深度要达到可预见的可能磨损极限点。这种方法的好处是跟踪材料最大程

10、度地减少触头的质量。这可以保证结构完整性和载流能力。根据每个触头的几何形状和磨损特点可以分别设计不同的凹槽。根据触头构造和电弧特性可以考虑是否增加电弧遮蔽功能。图4和 5 是两种不同的设计，FPE TC525和 McGraw Edison 550B LTC开关的弧触头。 图 4FPE TC525 图 5 McGraw Edison 550BBETA试验所有地区的样品 beta试验中，通过DGA和实验室分析方法得到的结果证明当被排到油中，PFC 可以很容易被检测到。最小的检测量为400 ppb。实际上，化学材料(六氟苯)碰到的唯一问题是污物 ，这是因其低速导致的。基于此，加上要在内部设凹槽需要减

11、少质量, 所以采用外置不锈钢凹槽是比较合理的。 使用激光和微TIG 焊接技术来加工凹槽，在嵌入前，需要做Helium 试漏试验。 在线监测监测LTC开关的运行情况需要不定期的DGA分析，热图像分析和温度分析。1990年代中期开始在线监测，当时称为基于运行情况的维护 (CBM). LTC的DGA方法还没有达到变压器诊断的程度，因为LTC中的油的化学成分远比普通诊断来得复杂。DGA 通常是分析油中的乙炔和乙烯气体浓度。来自变压器油中的乙炔也是LTC的一个顾虑，一定的浓度是非常正常的。乙烯通常是油过热的一个标志，对LTC开关来说就说明触头碳化。 LTC开关发生故障最先的一个信号之一是乙烯浓度的增加。

12、从化学的角度上看，通常是油过热导致的。LTC开关故障中40%的目测现象都是由碳化引起的。过热通常是由于触头碳化，使触头表面间的碳化物累积到一定程度使电阻变大。在这之前，通常乙炔的浓度会下降，这可能是因为碳化过程沉积物的形成需要消耗乙炔2，虽然不是所有情况下都会观察到乙炔浓度下降，但这个现象在很多LTC开关触头碳化后都会出现。图6 就是一个例子。乙烯浓度增加的前6个月，乙炔就开始慢慢消耗。所以在乙炔消耗时，通过气体乙烯和乙炔的浓度比例 (C2H4/ C2H2),可以很容易就检测到。油中的浓度(ppmv)LTC运行过程中，采用乙烯和乙炔的浓度比例作为指标是很常见的。这个比例增加了，说明比正常的电弧

13、模式(这种模式下，一般产生电弧气体氢和乙炔)有更多的热或碳化. 从电弧模式到热模式的巨大变化是非常明显的，通常马上会进行内部检测，因为油抽样频繁，所以通常很快就被发现。采用特定的在线监测技术，可以实现LTC故障情况的实时监测。在线监测在检测这个比例变化上很有优势，更重要的是，可以更早发现比例的变化 。时间/日期图 6乙炔消耗 在之前的一个 EPRI 项目中6, Powertech 实验室公司设计和建立 一种LTC故障气体分析仪并做试验，旨在实现移动式的现场应用和在线使用。在油的上方检测特定气体的浓度可以观察到其变化。为了有效诊断，在线监测必须能够独立检测关键的气体，乙烯和乙炔，不受其他气体和成

14、分的干扰。 这里我们讨论一种二代LTC在线监测仪。LTC头部的乙炔和乙烯的气体浓度由比率来定。此外，还研究了用来检测特殊化学触头磨损指标的方法。气体抽样泵通过监测仪来循环油上方的气体，测量乙烯和乙炔的浓度，然后确定触头磨损指标。 试验性研究发现，监测仪对乙炔和乙烯的响应构成一条校正的曲线，其受其他在LTC中产生的气体干扰较小。下图7为实际乙炔浓度(气相色谱法)和用监测仪获得的乙炔浓度关联样条线。 虚线为二者最完美的关联。修正后的乙炔监测仪响应(计算的PPMV)乙炔浓度(ppmv)图 7监测仪对乙炔的响应校正曲线以下样条线 (图 8)为监测仪对乙烯的响应。Figure 8Ethylene Det

15、ector Response Correlation化学触头磨损指标需要在远比乙炔和乙烯低得多的浓度下监测，由监测仪优化此参数。在理想的实验室条件下，最初实验测量到的浓度极限接近0.5 ppmv. 接下来的工作就是降低电子噪音，寻找另一种具有较少干扰度的化学触头磨损指标。图9 所示为最初实验中监测仪对磨损指标的响应 图9 LTC监测仪对触头磨损指标的响应总结建立了LTC样机的故障气体和触头磨损监测系统，正进行进一步的实验室试验以模拟故障条件。监测仪的正面如图10所示，显示器上有日期，时间，温度和气体浓度，包括乙炔(气体1)和 乙烯(气体2)。乙烯和乙炔的比例 C2H4/ C2H2为热指数。触头

16、磨损的指标为是或否。监测仪包括一个内部微处理器，且装有闪存卡以记录数据。通讯可以定制为包括LAN连接或单元调制调节器。系统是密封的，能屏蔽电，能作为固定的在线监测仪或手提检测仪。 时间：时时/分分/秒秒下一次扫描时间-时时:分分/IP触头磨损指数-yes 或 No抽样温度- 日期：年年/月月/日日气体1 浓度-ppmv气体2浓度- ppmv热指数LTC开关故障气体和触头磨损监测图 10LTC样机在线监测 参考文献1. G. Spence, A.C. Hall, “用户经验和展望”, IEEE 欧洲研讨会，OLTC现有经验和未来发展, Regensburg,德国， 1995年

17、11月 9日。2. M. Lau, W. Horn, and B. Ward, “LTC触头磨损检测”, 输配电世界3. Brookhaven 国家实验室. "泄露监测: Brookhaven, Con Edison, EPRI 研究地下线漏电的新方法." 每日科学， 1999年1月 22日4. Ward, B., "变压器的LTC管理，诊断，触头弹簧和在线滤油", EPRI, Palo Alto CA: 2001. 10066545. John Heiser, Terry Sullivan, “Brookhaven 国家实验室氟碳 跟踪技术: 一种节约有效的方法来检测墙，底板，帽子和罩子系统 ” 用于核废物储存设施，美国能源部，2002年3月11日.6. Ward, B., "LTC开关气体在线监测技术", EPRI, Palo Alto CA: 2004. 10088117. N. Dominelli et al, “采用化学跟踪材料来监测 LTC开关和断路器触头的磨损程度- 最新的”, EPRI 变电站设备诊断会议 XIII, 20058. N. Dominelli, E. Hall, B. Nichols, J. Pr