毕业论文-GIS绝缘在线监测系统的研究

1、PAGE II- -哈尔滨理工大学毕业设计（论文）任务书学生姓名： 学号学 院：电气与电子工程学院 专业：电气工程及其自动化任务起止时间：2012 年 2月 27 日至 2012年 6 月 24 日毕业设计（论文）题目：GIS绝缘在线监测系统的研究毕业设计工作内容：查阅国内外相关参考文献，要求阅读40篇以上文献，其中必须有20篇以上为外文文献，要将其中1篇外文文献译成中文，不少于3000汉字。综述局部放电在线监测技术研究意义及现状； 加深理解电磁场、有限元分析的相关理论知识；利用ANSYS软件进行GIS内部四种局部放电模型的模拟；设计了一种联合在线监测系统，包括硬件系统重要模块的介绍和软件系统

2、功能的设计等进行总结，撰写毕业论文； 提交毕业论文，进行毕业答辩。资料：张洪信.赵清海.ANSYS有限元分析完全自学手册.机械工业出版社，2008杨月英，张琳.Auto CAD 2006 绘制机械图.中国建材出版社，2006方可行.断路器故障与检测.中国电力出版社.2003陈家斌.SF6断路器使用技术.中国水利水电出版社.2004李景禄.高压电气设备试验与状态诊断.中国水利水电出版社.2008指导教师意见：签名：年 月 日系主任意见：签名：年 月 日教务处制表哈尔滨理工大学学士学位论文- PAGE IV -GIS绝缘在线监测系统的研究摘要日前，对GIS的投运前的检修工作已经作的十分完善，但是对

3、于GIS在运行过程中的绝缘情况的监测方面却作的不够，因此不能够实时了解其内部的绝缘情况，进而不能及时排除隐患，阻止事故的发生。众所周知，GIS中绝缘的老化的一个重要因素是因为局部放电。所以，检测GIS内部局部放电的特征现象，发展一套新的诊断方法十分重要。本文在对GIS绝缘在线监测系统研究的的过程中，本论文先对GIS中局部放电在线监测的研究意义及现状进行了简单综述，然后对GIS内部绝缘故障类型及成因进行了说明。根绝GIS内绝缘故障的特点构建了四种绝缘故障局部放电模型并仿真。最后通过对所列举的几种在线监测方法优缺点的比较后，设计了一种联合在线监测系统，其中对硬件系统重要模块和软件系统功能进行了介绍

4、。 本文所设计的在线监测系统采用已经比较成熟的UHF法检测技术和近年来新兴的SF6特征气体法分析GIS内部故障技术相结合的方式，对GIS进行在线监测。当GIS内部发生异常放电时，该系统能快速分析故障类型及放电位置，大大减少因为人工分析GIS故障停电时间过长而造成的损失。关键词 GIS；局部放电；在线监测；虚拟仪器技术The research on GIS online insulation monitoring systemAbstractCurrently, many methods which are effective enough can be available for examin

5、ing the GIS before running，but its insulation condition monitoring hasnt been well done during operation，so we cant know the insulation condition in time，and therefore we cant eliminate the potential danger and prevent a breakdownAs is known to a11, partial discharge (PD) is a symptom of an insulati

6、on breakdown occurring in GIS. So its very important to develop a new diagnostic technique to detect a characteristic symptom when PD occurringFirst, this paper summarizes present the status and significance of partial discharge on-line monitoring system in GIS, and expounds the cause of the insulat

7、ion fault type. Second, constructing and simulating the four partial discharge models. Finally, A cooperation online monitoring system is designed, including hardware system and software system after comparing the advantages and disadvantages of several methods of on-line insulation monitoring.Onlin

8、e monitoring system designed in this paper is already quite mature, the UHF detection technology and in recent years, emerging SF6 characteristics of gas analysis of a combination of GIS internal fault-line monitoring of GIS. GIS within the abnormal discharge, the system can quickly analyze the faul

9、t type and the discharge location, greatly reducing the losses caused by manual analysis of GIS failures long black out time.Keywords Gas Insulated Switchgears; Partial Discharge; On-line Monitoring; Virtual Instruments Technology目录摘要 = 1 * ROMAN IAbstract = 2 * ROMAN II TOC o 1-3 u 第1章 绪论 PAGEREF _

10、Toc328550103 h 11.1 局部放电在线监测技术研究的意义 PAGEREF _Toc328550104 h 11.2 GIS绝缘在线监测技术应用现状 PAGEREF _Toc328550105 h 21.3 本文研究内容 PAGEREF _Toc328550106 h 4第2章 GIS绝缘故障分析 PAGEREF _Toc328550107 h 52.1 GIS绝缘故障类型及成因 PAGEREF _Toc328550108 h 52.1.1 GIS的常见故障及原因 PAGEREF _Toc328550109 h 52.1.2 GIS的局部放电类型 PAGEREF _Toc32855

11、0110 h 72.2 GIS绝缘故障物理模型的构建 PAGEREF _Toc328550111 h 82.2.1高压导体突出物 PAGEREF _Toc328550112 h 102.2.2自由导电微粒 PAGEREF _Toc328550113 h 102.2.3 绝缘子表面金属污染 PAGEREF _Toc328550114 h 112.2.4 绝缘子外气隙 PAGEREF _Toc328550115 h 122.3 GIS绝缘故障物理模型的仿真 PAGEREF _Toc328550116 h 132.3.1 N 类绝缘缺陷 PAGEREF _Toc328550117 h 132.3.2

12、 P 类绝缘缺陷 PAGEREF _Toc328550118 h 142.3.3 M类绝缘缺陷 PAGEREF _Toc328550119 h 152.3.4 GE类绝缘缺陷 PAGEREF _Toc328550120 h 162.4 本章小结 PAGEREF _Toc328550121 h 17第3章 GIS绝缘在线监测系统的方案 PAGEREF _Toc328550122 h 183.1 GIS在线监测方法 PAGEREF _Toc328550123 h 183.1.1脉冲电流(ERA)法 PAGEREF _Toc328550124 h 183.1.2超声波检测法 PAGEREF _Toc

13、328550125 h 193.1.3特高频（UHF）检测 PAGEREF _Toc328550126 h 193.1.4分析SF6分解物检测法 PAGEREF _Toc328550127 h 203.2 本文设计的GIS在线监测系统的概述 PAGEREF _Toc328550128 h 233.3 硬件系统 PAGEREF _Toc328550129 h 243.3.1 传感器（天线）单元 PAGEREF _Toc328550130 h 243.3.2红外吸收光谱法检测器和光声光谱法检测器 PAGEREF _Toc328550131 h 253.3.3信号处理单元 PAGEREF _Toc3

14、28550132 h 273.3.4数据传输环节 PAGEREF _Toc328550133 h 293.4 系统软件设计 PAGEREF _Toc328550134 h 303.4.1监测功能 PAGEREF _Toc328550135 h 303.4.2参数设置功能 PAGEREF _Toc328550136 h 303.4.3数据分析储存 PAGEREF _Toc328550137 h 303.4.4报警系统 PAGEREF _Toc328550138 h 303.4.5人机交互系统 PAGEREF _Toc328550139 h 323.5 本章小结 PAGEREF _Toc32855

15、0140 h 32结论 PAGEREF _Toc328550141 h 33致谢 PAGEREF _Toc328550142 h 34参考文献 PAGEREF _Toc328550143 h 35附录A PAGEREF _Toc328550144 h 39TOC o 1-3 h u - PAGE 60 -绪论局部放电在线监测技术研究的意义随着电力体制改革的深入，在电力市场，电力系统需要进一步提高电力设备的可靠性。保证运行可靠性和维修经济性成为输电、发电企业适应市场竞争的迫切需要，用状态检修模式取代需要的计划检修模式和事后检修模式，是电力工业发展的趋势。根据国家电力公司发布实施火力发电厂实施设备

16、状态检修的指导意见1的要求，电力公司应根据自身设备的实际及人员、资金情况，选择一些适合实施转台检修的设备，现在一定范围内开展工作。550kV、220kV、110kV高压开关、场地高压开关都已经被列入实时状态监测的范畴。在线监测（online monitor），通过装在生产线和设备上的各类监测仪表，对生产及设备状况进行连续自动检测，称在线监测，可以实时监测被测装置时时状态。高压电气设备的基本结构由导电、绝缘和支撑(或外壳)3部分组成。其中绝缘部分是薄弱环节, 最容易被损坏。运行中绝缘还会发生老化, 使电气强度降低。为了掌握运行中高压电气设备的绝缘状况,有关标准和规程2,3,4规定, 必须定期对电

17、气设备进行绝缘试验和监督, 根据试验结果分析、评估被试设备的绝缘状态确定是继续运行还是需要检修以及检修的时间。电气设备的绝缘故障具有随机性、阶段性、隐蔽性、连锁性,为了避免电气设备的绝缘发生故障和事故扩展,及时获取绝缘状态的信息,及时对设备的绝缘进行诊断、报警, 做到防患于未然十分必要。所谓绝缘在线监测是指在电气设备不停电、不脱离系统的运行状态下, 利用技术手段对设备绝缘状况进行自动化的、连续的或定时的绝缘特性检测和监督, 目的是了解和掌握被监测设备是否处于正常运行状态, 以便确定该设备是否需要检修, 如何检修。尽管绝缘在线监测所反映的许多参数和变量是相对值或预防试验规定项目中的一部分,但绝缘

18、在线监测是一种实时监测方法,它能及时反映被监测参数的变化情况或变化趋势,对电气设备早期绝缘故障的诊断、报警和2次预防试验之间突发性绝缘故障的诊断、报警起着十分重要的作用,这是离线的预防试验难以做到的。预防性试验是20世纪40年代提出的，又称电气检修，其要求是预先制定检修计划，周期性地电器进行停电后的远方实验，根据实验结果进一步确定检修内容，这种方式要求设备“到期必修”，并不考虑设备的具体运行状况，造成许多不必要的停电损失和人力、物力上的浪费；在维修的过程中，运行状态良好的设备可能因拆卸、试验过多而被损坏；同时，这种检修方式也无法及时了解两次定期检修间的设备运行状态，所以在这种检修维护的方式下，

19、突发性绝缘事故时有发生。而事后检修方式的维护方式更是无法与在线状态检测的优点相比，在设备损坏之后采取检查、维修，其造成的设备损坏和停电损失是无法想象的。所以开展绝缘在线监测对及时获取运行设备的绝缘信息, 评价其绝缘状态, 特别是对早期性绝缘故障进行诊断, 实施状态检修, 提高设备不停电率和运行管理水平和增加系统的经济效益等方面都将发挥重大作用5。GIS绝缘在线监测技术应用现状目前，国内和国际上GIS的局部放电在线监测技术正在蓬勃发展，不论从硬件的监测装置，还是软件的监测方法，都有很多专家和学者们做出了很好地的成绩，例如：清华大学1995-1997年相继研制和开发出基于UHF法的便携式局部放电检

20、测仪和330kVGIS局部放电在线检测系统，均采用外部传感器监测，具有较强的实用性，且便于放电源的定位。但是该设备对于采集到信号的分析处理不够完整，目前还在进一步的完善过程中。西安交通大学的电力设备电气绝缘国家重点实验室于1998年研制的一种超宽频带局部放电传感器，并经网络分析仪（HP720C，扫频带宽20GHz）对其频率响应特性进行测量证实效果较好6。英国Strathclyde大学与NGC和Scottish Power plc联合开发了一套UHF监测系统。为防止断路器工作时产生快速暂态过电压（VFTO），对监测系统应采取相应的保护，在耦合器输出处和UHF信号调节出安装钳位二极管。该系统采取3

21、种工作模式：在线、事故和历史模式，便于日常的监测和出现事故之后的情况分析。该系统不是采用UHF局部放电信号进行分析，因此检测系统的精度不能加以保证。瑞士Zurich大学的Neuhold开发出一种结合宽带和窄带的多通道、实时响应的GIS局部放电测量系统。每个测量通道包括一个低噪声宽带传感器，带有自动高压暂态保护。适宜于开发过程中的实验室测试和GIS的长期监测，装置能初步实现对故障源的监测、定位和识别，但是精度不能得到保证，需要进一步的研究。挪威TransiNor As公司的Schei研制出一种超声波绝缘分析器。针对自由移动微粒、固定微粒和突出物以及漂浮物引起的局部放电，该设备能够对其进行监测、定

22、位和模式识别，他特别适用于普通的检修人员而非超声波方面的专家使用7。但是该装置智能识别某些绝缘缺陷的类型，不具有广泛性。2001年日本名古屋大学的Toshihiro Hoshino提出一种新的GIS中有局部放电引起的电磁场的监测技术相位门极控制法。它是通过分析在SF6气体中局部放电和电压相位角之间关系的不同而作为判断依据8，该方法目前还处于研究阶段。俄罗斯科学家Arakelian于2000提出一种新的物理化学诊断方法，它的基本原理是：由于SF6中包含一些杂质（O2、N2、CF4等），因此当局部放电发生时，在温度和严厉的作用下，密度、温度和酸碱度的一些参数会发生变化。根据产生化合物的种类和密度，

23、可以判断出局部放电的程度。化学检测法对于GIS内部出现的绝缘缺陷，比较适用于做辅助分析绝缘故障时使用9。日本大阪大学的Kawada 于2000年提出一种用于宽带电磁波（E-M）动态频谱分析的小波方法。种种非接触式监测故障征兆方法使用由高斯函数产生的Gabor函数的实部作为母小波，对电磁波信号进行小波变换。文中指出经小波变化后的局部放电信号能够与其他干扰波（FM广播信号）清晰地分辨出来，并得出以下结论：当放电量很低时，电磁波的主要部分在高频段（120：200MHz）；当放电量增加时，主要部分转换到低频段（2080MHz），并且低频段的耐压值上升10。该方法理论上研究较多，但实际应用时遇到了一些问

24、题。2002年日本Kawada有提出一种用于监测局部放电源的超宽频带UHF的无线电抗干扰系统（UEB-VURIS）。该系统跟聚在不同频率下提取的两个净福利也变化后的E-M信号之间的相位差来判断局部放电程度，并计算从局部放电源发射出来的电磁波方向11。这种方法是基于硬件条件完好和软件算法精确的基础上，目前还不能完全达到精度要求，需要进一步的研究工作。2000年英国Strathclyde大学的Judd提出一种用于分析电磁场的有限时域差分（FDTD）方法。他将电场E和磁场H在空间和时间上都去离散表达形式，这样对任意位置的放电信号（即使在快速暂态量）都能确切地用数学变量表达。在整个结构非常复杂的电场模

25、型下，放电信号的位置和特性都变化很大，在这种情况下用该方法分析问题是较有效的12。随着现代化学分析技术的发展，气体组分检测也有了长足发展，以气体分解物作为诊断GIS设备缺陷的特征参量很快成为国内外的研究热点13-16。Schumb 等人最早研究了 SF6气体的分解情况，实验在 20kV 以下产生一次交流电弧放电，电弧放电产生的副产物部分被碱液吸收，没被吸收的部分经验证具有氧化特性17。实验者认为产物可能是低氟硫化物，但没有对此做进一步探究。Van Brunt 等人对电晕放电进行了更为系统的研究18-22。他们建立的 PD 模型是一个高度局部化、小电流的不锈钢针-板放电模型，电离区在针电极尖端附

26、近，直流电晕放电电流为 1.564A，相应的能量损耗为 0.0544.3W，气压为100kPa300kPa，采用气相色谱-质谱联用法（GC/MS）分析气体组分和分解速率。研究发现：电晕放电中生成最多的氟氧化物是 SOF2（氟化亚硫酰）、SO2F2（氟化硫酰）和 SOF4，且含量与检测到的 O2和 H2O 在一个数量级。研究还发现是氟氧化物的产生速率在大多数环境中均以因数 5或者更大的倍数增长。尽管试验的测量系统很灵敏，但是没有检测到 S2F10和 S2FChu 等人研究了针-板电晕放电下 SOF2和 SO2F2的产气速率23。试验中使用铝电极，电源为 60Hz 交流电源，电晕放电的能量等级为

27、103pC，重复率是 2Hz。检测发现 SOF2与 SO2F2的含量非常相近，分别为 0.6 和 1.4nmol/L。Kusumoto24在模拟针-板电晕放电试验中检测到了 HF，采用气体通入碱液的方法来测定 H+的量，利用红外吸收光谱测定 F-的含量。结果显示：HF 的含量与放电量有关，而与 SF虽然现阶段的传统局部放电在线监测技术已经得到了较大的提高和发展，同时新的在线监测技术也被提出，但是由于每一种技术都存在这监测方面的不足，所以现阶段单一的在线监测技术并不能完全满足人们对在线监测准确性、快速性的期望。本文研究内容 （1）结合真是GIS设备结构和材料及实际故障类型，设计四种GIS典型绝缘

28、缺陷PD物理模型（高压导体突出物、自由导电微粒、绝缘子金属污染、绝缘子外气隙绝缘缺陷），利用ANSYS有限元分析软件对所设计的四种绝缘缺陷模型进行电场仿真分析，以评估模型的可行性；（2）通过阐述绝缘在线监测技术的研究现状及分析其各技术的优缺点，提出使用单一的监测方法不能解决各监测技术自身存在监测短板问题，应该多种方法综合应用，才能最大限度的提升绝缘状态监测的准确性，根据以上结论设计出一种联合监测系统并对其硬件系统和软件系统作出介绍。GIS绝缘故障分析 GIS绝缘故障类型及成因一般说来，GIS是运行可靠性高、维护工作量小、维修周期长的高压电气设备25。因为几乎所有的开关、测量及过电压防护装置密封

29、在压力容器之中，而且使用的气体介质为绝缘性能和导热性能优良的SF6气体，因而设备内部几乎不受大气的影响。此外，在制造厂对GIS均进行过充分的性能验证试验，然后以组件的形式出厂，再在现场对设备进行拼装，这些都对GIS的安全可靠运行创造了有利条件。但是，由于GIS在设备设计中造成的设计缺陷，生产制造工艺不过关，运输安装过程中实施人员的疏漏以及运行维护的不到位都会不可避免的造成GIS设备故障。GIS的故障可分为两大类型，即与常规设备性质相同的故障（如操动机构的故障等）和GIS的特有故障（如GIS绝缘系统的故障等）。第一类故障的故障率大致与常规电气设备相同；第二类故障的重大故障率为0.10.2次/站年

30、。一般认为，GIS的故障率比常规变电站低一个数量级，但GIS的事故后平均停电检修时间则比常规变电站长。运行经验表明，GIS的内部闪络故障通常发生在安装或大修后投入运行的最初数月之中。2.1.1 GIS的常见故障及原因（1）气体泄漏。这种故障在我国较为常见。轻者是GIS不得不经常补气；重者使GIS被迫停止运行。泄露通常发生在密封面、焊缝和管路接头处；内部泄露常发生在盆式绝缘子裂缝和SF6气体与油的交界面。（2）水分。SF6气体含水量太高引起的故障几乎都是绝缘子或其他绝缘件闪络，表面闪络的绝缘子或其他绝缘件闪络，表面闪络的绝缘子需要彻底清洗或更换。这种故障常发生在气温突变时或设备补气之后。（3）导

31、电微粒。消除导电微粒影响的一项有效办法，就是GIS安装完毕后，采用低能电源施加高于运行电压的交流电压。如果导电微粒很小，他可能在放电中烧毁；如果导电微粒很大，在交流电压作用下它会运动到低场强区。在GIS运行中，如果闪络多次重复发生，通常是由自由导电微粒引起的，特别是在母线的水平与垂直部分的交叉处更是如此。这类故障的修理工作不外乎是清扫或者更换受影响的部件。（4）电接触不良。在GIS内部有些金属部件是用来改变电场的，在实际运行中，这些部件并无负荷电流通过。这些部件经常使用的是铝制的弹性触头与外壳或高压导体进行电气连接，运行中可能会因松动而导致接触不良。这些接触不良的部件的电位取决于它与导体间的耦

32、合电容，这样，该部件与外壳或导体间的微小间隙便会很快击穿。多次放电不仅侵蚀触头弹簧，也产生金属微粒、氟化铝及其他杂质等，最终会导致GIS的内部闪络。 对于50Hz或60Hz交流系统，这种故障的放电频率为100次/s或120次/s，从设备的外部可以听到“嗡嗡”声，因而发现这类故障并不难。（5）绝缘子使用场强太高。GIS中绝缘子的使用场强是一个重要的设计参数。目前，环氧树脂浇注绝缘子的使用场强可高达6kV/mm,而不致发生问题。如果使用场强高达10kV/mm，起初可能没有局部放电现象，但运行几年后就可能会击穿。（6）插接式触头未完全插入触座。如果插接式触头未完全插入触座，可能会造成故障。一旦该出头

33、有问题，大多可能导致相对地击穿。（7）安装和检修工作中的错误。经验表明，GIS刚投入运行就发生闪络，很可能是因为安装或检修过程中工具遗留在GIS内部或GIS未充入SF6气体所致。因此，安装和检修过程重要多加小心。但是，改进GIS的设计从而使现场安装程序简化、减少使用工具、延长检修周期，也将有利于防止这类故障的发生。（8）误操作。在GIS运行中，操作不当引起的故障是多方面的，例如将接地刀闸合到带电相上，如果故障电流很大，即使是快速接地刀闸也会损坏。因此，出现这类误操作后应检查一下触头，如果需要，应更换某些部件。低速接地刀闸开断距离不够或带负荷拉闸，电弧可能持续到断路器断开为止。如果故障电流很大（

34、10kA以上），损坏部件就不仅仅限于触头部分，而是整台接地刀闸都需要更换或彻底维修。所以为了避免误操作，应采取必要的连锁装置，在操作程序方面也要特别小心。（9）过电压。雷电过电压造成的闪络常常发生在绝缘水平比较低的部件内部和易于造成波反射而形成高电位的部件（如母线）内部。GIS中隔离开关的操作也会产生操作过电压，其波头很陡。此外，直流累积电荷也是产生过电压的因素。（10）灾难性故障。火灾、地震等灾难也会给GIS的运行带来危害。例如变电站内变压器起火很容易使瓷套破碎和GIS的铝外壳融化。总的看来，GIS产品无论是国内的还是国外的，液压机构的渗油、气动机构的漏气、内部闪络等故障几率较高，从而构成了

35、GIS产品质量的通病。2.1.2 GIS的局部放电类型局部放电，是由于电气设备绝缘内部存在的弱点，在一定外施电压下发生局部的和重复的击穿和熄灭现象。这种局部放电发生在一个或几个很小的空间内（如电极表面突起附近或绝缘内部的气隙和气泡）,放电的能量很小，虽然它的存在并不影响电气设备的短视绝缘强度，但如果一个电气设备在运行电压下存在局部放电，这些微弱的放电能量和由此产生的一些不良效应，可以慢慢损坏绝缘，日积月累，最后会导致整个绝缘被击穿，也就是说，一台存在内部弱点的电气设备，尽管它通过了出厂时的工频耐压试验，但在长期运行中可能在正常电压下发生击穿。GIS由于它的结构特点，局部放电的机率高，根据放电过

36、程中释放能量的多少可划分为火花放电、电晕放电和微粒放电。（1）电弧放电26GIS 中的电弧放电有两种形式：一种是由断路器开断引起的电弧放电，其中心温度可达20000摄氏度，电弧电流大小从几十kA到几百kA，放电能量取决于电弧电流大小,范围为 105107J。SF6在高温电弧作用下分解产生等离子区，但随着放电故障的消失复合率很高。在水、金属原子等杂质影响下，分解反应会进一步发展，分解产物含量将会增加。此外，GIS 运行故障也会引起电弧放电，主要表现在 GIS 主气室内发生短路故障时，除了不存在由于气体流动引起的冷却过程以及电极材料是铝而不是铜合金外,和断路器中的电弧放电非常类似，只是重复率明显低

37、于由断路器开断引起的电弧放电。在操作故障及其他故障存在时，将会产生大量的有毒分解气体，由于铝易融化和蒸发，故障过程中会放出大量热量并生成微小的 AlF3颗粒。（2）火花放电27,28火花放电是指持续时间很短（通常为级）的气体间隙的容性放电，主要发生在一些开关装置中。GIS中每次火花放电能量在10-1 102J之间。火花放电通道比电弧通道窄，温度分布高度集中。采用谐振试验装置对电力设备进行耐压试验时，其能量储存于电感和设备电容之中，这时试品的闪络可归属于这类放电。SF6气体绝缘设备中隔离开关操作时，当出头断开或合上瞬间，触头间产生的电弧也属于此类，。除快速开关外，隔离开关中电弧持续时间通常为0.

38、51.5s，因开关设计不同而异。操作过程中，隔离开关触头间电弧会出现多次重燃，每次重燃会持续几十微秒。由于这种放电具有容性特点，因而每次重燃可算作一次火花放电。在典型的隔离开关操作工程中，放电释放的能量可达500J。（3）电晕放电在SF6绝缘设备中，如有某些部件处于悬浮电位，则会导致电场强度局部升高，进而产生电晕放电。GIS中金属杂质和绝缘子中气泡的存在都会导致电晕放电或局部放电的产生。局部放电使SF6气体逐渐分解，大量的SF6气体分解产物在设备内部慢慢积累起来。局部放电的两只通常用每个脉冲的pC值表示，每个脉冲所释放的能量在范围内。因为局部放电是一个持续过程，因而SF6气体分解产物的浓度是时

39、间的函数。假如局部放电脉冲重复频率为100Hz，在一段时间内总的放电能量可达40kJ，这样在设备内部会积累相当可观的SF6气体分解物。（4）微粒放电在GIS的各种气室中，由于制造、装配、运输和安装、调整等各个环节的种种因素，都可能使GIS各气室中出现微尘颗粒；在GIS的每次开断过程中由于电弧的作用也会分解出微小颗粒，如润滑剂分解后的粘胶微粒、金属和绝缘物分解成的金属微粒和固体微粒等。这些微粒在强电场作用下会形成放电通道。微粒放电已经在事故校验和实验室中得到验证。微粒放电的存在，唯一的是对GIS的20年免检修和5000次操作寿命的保证提出的严峻挑战，对于微粒放电的特点，有待于深入的探讨和研究。综

40、上所述，GIS中放电形式29及其特点如表2-1表2-1 GIS中放电形式及其特点放电形式放电特点电弧（电流开断，闪络故障）3100kA、50150ms 105107J 火花放电（容性放电、试验中击穿）短时瞬变电流，级10-1102J电晕放电（场强太高，处于悬浮电位部件、导电杂质）10103pC,102104Hz,10-310-2J/脉冲微粒放电（粘胶微粒，金属微粒绝缘物分解物）周期的重复，103104Hz ns级GIS绝缘故障物理模型的构建随着GIS运行年限的延长，因其内异物碎屑在开关操作震动和静电力作用下的移动或是绝缘的老化等可能产生局部的放电现象。据报道，GIS 中各种缺陷在运行中导致的故

41、障分布情况如图2-1所示30。其中，自由导电颗粒或外来异物产生的故障占20%，这些微粒异物可能是制造或装配过程中未清洗干净而产生的遗留物，也可能是机械装置动作过程中金属磨擦而产生的金属粉末，再有是现场试验后产生的，如触头磨损、屏蔽罩松动等。在电场力或机械振动作用下，异物会在GIS中移动，如果没有设陷阱，异物将可能移动到绝缘子表面，在VFTO（英文全称：Very Fast Transient Overvoltage中文：特快速暂态过电压31。由气体绝缘变电站开关操作产生的一种陡波前过电压，它的直接入侵会对变压器绕组的纵绝缘造成极大危害。隔离开关触头运动速度较低，一次操作过程中有可能发生数十次甚至

42、数百次重击穿过程。类似的特快速瞬态过程也可在GIS隔离开关合小电容电流时产生。 VFTO一般不超过2.0p.u.，有的可达图2-1各种缺陷引发 GIS 故障的比例2.5p.u.，极少达到3.0 p.u.）作用下引发击穿；因接触不良而产生的故障占总故障的29%，常在安装后出现，而且在现场测试或绝缘诊断中无法发现，但在运行中会随电弧作用、触头烧损和金属颗粒放电逐渐发展成故障；由于潮湿引起的故障占7%，目前尚无法用PD在线检测和故障诊断技术来探测该类型故障。此类故障常产生于正常操作条件下，在GIS装配时控制湿度可防止该类事故发生；由于屏蔽罩或电接触产生的故障占18%，这种缺陷并不常在安装后立即出现，

43、而是随运行时间的延续而发展（如短路电流或断路器操作的振动作用），最终威胁GIS设备的绝缘性能；因高压导体上的尖刺导致的故障占5%，由于现场试验包括雷电冲击或PD测量，该故障率相对较低；因隔离开关操作引起的绝缘配合故障常出现在420kV以上的电压等级中，占总故障的10%，IEC1259新标准的制定将使这种故障不再出现。绝缘子上发生的击穿平均约占故障总数的10%，这种类型的故障在不同的运行单位出现的次数出入很大，相对较多的是由于早期的125kVGIS绝缘子空穴问题造成的。现在由于制造质量的提高，绝缘子故障已降低到5%以下。根据GIS设备绝缘缺陷放电形式和特点，设计了4种GIS模拟装置内PD物理模型

44、：金属突出物缺陷；自由金属微粒缺陷；绝缘子表面固定金属微粒缺陷：气隙缺陷。各种缺现在GIS内部的示意如图2-232。目前应用广泛应用的 110kV GIS 装置，其外壳多采用不锈钢材料，高压导电杆为铝，盆式绝缘子为环氧树脂，一些开关类的金属部件多采用黄铜。为了更为真实的模拟 GIS 绝缘缺陷 PD 故障，本文所设计的绝缘缺陷物理模型金属材料采用不锈钢、铝和黄铜，固体绝缘材料采用环氧树脂。图2-2 GIS内部绝缘缺陷类型示意图2.2.1高压导体突出物高压导体突出物绝缘缺陷，简称N（Needle）类缺陷。指GIS在装配过程中留下的焊疤或较大的毛刺等，在净化试验中无法清除，便在气室内留下异常突起点。

45、此类缺陷危害较大，在稳态交流电压下，其突出部位分布在电场中形成局部高场强区，当局部电场强度大于气体的绝缘强度时，就会引发PD。由于放电只是发生在局部区域而没有贯穿整个电极之间，因此这种电晕有时显得较为稳定。本文采用针-板电极模拟N类缺陷，如图2-3所示，针电极用以模拟高压导体上的异常突起点，板电极模拟GIS金属外壳。为了得到稳定的PD，设计针尖端部曲率半径约为0.3mm，锥尖角30，接地板电极直径为120mm、厚度为10mm的Bruce电极。针电极与地电极材料分别为铝和不锈钢，电极表面均进行良好的抛光处理。图2-3 N类绝缘缺陷模型图 图2-4 N类缺陷实物图2.2.2自由导电微粒自由导电微粒

46、绝缘缺陷，简称P（Particle）类缺陷，是SF6气体绝缘装置中最常见的绝缘缺陷，是导致GIS绝缘故障的主要原因。导电微粒的形状有粉末状、片状或大尺寸固体颗粒等，它们在电场作用下获得电荷并受静电力的作用发生跳动或位移。如果电场足够强，导电微粒获得的能量足够大，就完全有可能越过外壳和高压导体之间的间隙或移动到有损绝缘的地方。导电微粒运动的程度既取决于材料、形状和外施电压高低，又取决外电场的强度和作用时间以及微粒在GIS腔体内所处的位置等因素。当金属微粒接近而未接触到高压导体时，最容易表现的电气特征是产生PD。实际GIS设备一半采用带电体和外壳之间使用同轴圆柱体的结构，即稍不均匀电场结构。为了使

47、电场尽量均匀、耐受电压高，通常选择外壳直径与带电体直径之比e=2.718倍的设计，如图2-5所示。为了有效模拟真实GIS内部同轴圆柱体稍不均匀电场结构，本文选用如图2-6所示的球-碗电极，上下电极直径比例约为1:2.7，碗电极由不锈钢空心球体进行二分之一切割得到。作者采用微小尺寸的金属铜屑模拟自由导电微粒，并考虑到铜屑在强电场下，会发生无规则跳动，为保证PD实验持续稳定进行，有必要对金属铜屑的跳动范围进行限制。设计高压端球电极直径为44mm，接地碗口径为120mm，微粒最大跳动范围可至40mm。图2-5 GIS绝缘结构图2-6 P类绝缘缺陷类型图 图2-7 P类绝缘缺陷实物图2.2.3 绝缘子

48、表面金属污染绝缘子金属污染绝缘缺陷，简称 M（Metal）类缺陷，是指 GIS 气室内不可避免残留的金属微粒受静电力作用吸附于盆式绝缘子上，使盆式绝缘子表面电场发生畸变，从而引起 PD。绝缘子表面吸附的固体金属微粒，在某些情况下会长期地固定在绝缘子表面，作用类似于金属突起物，但具有以下几个不同特征：(1) 绝缘子上有些金属微粒可能起初并不危险，但在机械振动和静电力作用下会有轻微的运动，并最终朝着危险的方向发展；(2) 绝缘子表面的金属微粒会形成表面电荷聚集，从而加大了故障的可能性；(3) 微粒放电会导致绝缘子表面损伤，在工频场下产生表面树痕，一旦形成放电通道，即会引发严重的绝缘事故。本文针对实

49、际检修时发现的盆式绝缘子表面金属污染的特征，并考虑模拟试验的稳定性和规律性，采用圆柱形绝缘子表面粘贴一定尺寸长方形(518mm)的铜屑模拟 M 类绝缘缺陷，上下电极与圆柱形绝缘子的接触面抛光沾接，以避免接触面可能出现气隙放电。模型结构如图2-8所示，上下板电极采用上述的Bruce 电极，极板直径为 120mm，高压端电极材料为铝，接地板电极材料为不锈钢，圆柱形绝缘子直径为 60mm，厚 25mm，材料为环氧树脂。 图 2-8 M 类绝缘缺陷模型 图 22.2.4 绝缘子外气隙气隙缺陷主要包括绝缘子外气隙缺陷（External Gap，简称GE类缺陷）和绝缘子内部气隙缺陷（Internal Ga

50、p，简称 GI类缺陷）。G 类缺陷常常是在制造过程中形成但又难以检测到的缺陷，如环氧树脂在固化过程中的收缩、环氧树脂和金属电极热膨胀系数不同而导致的内部空隙和层离以及装配误差使得导体的机械运动产生的气隙缺陷。气隙放电的机理比较复杂，一般认为气隙中的放电可能有三种途径：一是贯穿性放电；二是沿气隙上下底面的沿面放电；三是沿气隙壁的表面放电。另外，也有可能存在着多个气隙放电的相互影响，相互叠加，此时放电机理更为复杂。本文 GE类缺陷模型如图 2-10 所示，圆柱形绝缘子与接地电极采用环氧树脂胶紧密黏贴，确保两者之前没有缝隙或气泡存在，高压板电极与绝缘子上表面交界处气隙大小约 13mm，极板电极结构和

51、材料同 M 类缺陷。为了反映真实的气隙情况，绝缘子上表面中心处略微内凹，气隙边缘呈弧线形。 图 2-10 GE类绝缘缺陷模型 图 2-11 GE类绝缘缺陷实物图GIS绝缘故障物理模型的仿真本文采用ANSYS有限元分析对四种绝缘缺陷模型的电场分布进行仿真分析，参照仿真结果评估模型的可行性，为下面的PD试验提供初步的数据参考。仿真中用圆柱腔体来模拟SF6放电气室，计算区域仿照实际气室大小设置，求解域设为SF6，边界条件为接地，仿真模型的具体技术参数和各部分材料的相对介电常数如表2-2、表2-3表2-2 模型技术参数腔体高度/mm腔体直径/mm板电极直径/mm板电极厚度/mm针曲率半径/mm锥针尖/

52、绝缘子直径/mm绝缘子厚度/mm200180120100.3306025/20表2-3 各部分材料的相对介电常数材料SF6铝不锈钢悬浮微粒环氧树脂相对介电常数1.0021.01.080003.82.3.1 N 类绝缘缺陷图 2-12 为 N 类绝缘缺陷的仿真模型，高压端针电极电位设为 25kV，板电极同腔体外壳边界设为接地，针-板间距设为 10mm。N 类绝缘缺陷的电场仿真结果如图 2-13 所示，可知针-板间电场分布极不均匀，针电极尖端部位电场值较高。由图 2.13b 针电极上的电场分布曲线可知，针电极尖端处电场畸变最为严重，场强达35.54kV/cm。由仿真结果分析，N 类绝缘缺陷外施电压

53、在 20kV 以内，针电极尖端处便会发生气体局部击穿现象。图2-12 N类绝缘缺陷仿真模型图2-13 N类绝缘缺陷仿真输出2.3.2 P 类绝缘缺陷图2-14 为 P 类绝缘缺陷仿真模型，高压端球电极电位设为 30kV，碗电极同腔体外壳电位边界设为接地，球-碗间距设为 38mm，碗电极内放置直径约为 2mm 的金属微粒，对悬浮微粒的处理采用虚拟大介电常数法。P 类绝缘缺陷的电场仿真结果如图 2-15 所示，金属微粒导致极间电场发生畸变，当电场力大于金属微粒的重力时，微粒在电场力的作用下会产生移动甚至跳跃。由仿真结果可知，高压端附近的金属微粒表面电场值较高，处于碗电极底部的金属微粒表面电场很低。

54、由仿真图可以看出，图2-14 P类绝缘缺陷仿真模型图2-15 P类绝缘缺陷仿真输出2.3.3 M图 2-16 为 M 类绝缘缺陷仿真模型，高压端板电极电位设为 30kV，下板电极同腔体外壳边界设为接地，圆柱形绝缘子厚度 设为 25mm，其表面粘贴范围约为518mm 的金属铜屑。M 类缺陷电场仿真结果如图2-17 所示，绝缘子表面金属污染物所在处电场发生了畸变，形成极不均匀场，最高场强达 69.09kV/cm，而绝缘子其它部位电场相对均匀。由仿真结果分析，在绝缘子闪络之前，绝缘子表面金属污染会首先引发 PD。 图2-16 图2-172.3.4 GE类绝缘缺陷图 2-18 为 GE类绝缘缺陷仿真模

55、型，高压板电极电位设为 40kV，下板电极同腔体外壳边界设为接地，绝缘子上表面中心略微凹陷，平均厚度为 20mm，与高压板电极之间呈弧线形气隙，气隙最大处为 2mm。GE类绝缘缺陷电场电场仿真结果如图 2-19 所示，高场强区主要集中在高压导体与绝缘子气隙拐角处，最高场强为23.83kV/cm。从仿真结果分析，GE类绝缘缺陷起始放电在外施电压在 20kV以上，气隙就有可能引发 PD。图2-18 GE类绝缘缺陷仿真模型图2-19 GE类绝缘缺陷仿真输出本章小结（1）本章先对GIS内绝缘故障的类型和成因进行了阐述和分析，然后将GIS内局部放电故障划分为四种放电形式：电弧放电、火花放电、电晕放电和微

56、粒放电；（2）通过对内部局部放电形式的归纳构建了四种绝缘缺陷模型，然后ANSYS软件对四种局部放电类型进行仿真计算。仿真结果表明，四种绝缘缺陷均在预定部位产生了严重的电场畸变，在接受的电压与之内，缺陷处会首先引发PD。GIS绝缘在线监测系统的方案GIS在线监测方法近几年电力系统的迅速发展，对电力设备的状态监测日益重要。关注电力设备的运行状态可及时安排设备检修，避免出现故障，造成损失。局部放电检测是电力设备，监测重要手段之一，其明显优于电力其他状态检测方法33,34。局部放电与电力设备的可靠性紧密相连，长期以来是众多研究者的研究重点，其中包括局部放电检测，识别和定位，以及风险评估35。目前用于局

57、部放电检测的方法有很多种，包括超声波法36、脉冲电流法37、宽带脉冲电流法38、特高频法39、光学法40等。下面我们来介绍一下几种检测GIS常用的方法。3.1.1脉冲电流(ERA)法每一次局部放电都发生正负电荷中和,伴随有一个陡的电流脉冲,测量此脉冲电流的方法称为脉冲电流法,该方法通过测量阻抗在耦合电容侧或通过Rogowski 线圈从电力设备的中性点或接地点测取局部放电所引起的脉冲电流,获得视在放电量、放电相位等放电信息。检测变压器局部放电脉冲的电流传感器通常用Rogowski 线圈制成。与非电测量方法相比,脉冲电流法具有不少优点: 放电电流脉冲信息含量丰富; 对于突变信号反应灵敏,易于准确及

58、时地发现故障; 具有较有效的校准方法、易于定量,因而得到广泛的应用。IEC 对此制定了专门的标准。脉冲电流法是检测局部放电最常用的方法,也是目前唯一具有国际标准(IEC 60270)的定量检测方法，该方法通过测量局部放电所产生的脉冲电流在检测阻抗两端响应的脉冲电压进行检测,其特点是可以在很宽的频率范围内保持良好的传输特性，并具有灵敏度高、放电量可以标定等诸多优点.然而研究表明41脉冲电流法虽然是国际上公认的检测局放的手段, 但因其只能检测试品的视在放电量, 对试品元件内的实际局放量无法进行直接测量, 而对产品绝缘材料造成老化的主要原因是元件内的实际局放量; 再就是其检测灵敏度随着试品电容增加而

59、下降等, 使得对局放检测工作本意而言, 脉冲电流法也并非是一种最理想的检测手段。同时缺点还有测量频率较低、易受电磁干扰、无法有效适用于现场检测等。所以在现代在线监测领域内已逐渐被淘汰。3.1.2超声波检测法传统的脉冲电流法检测局放时, 其灵敏度随着电气设备电容的增加而下降, 有时甚至下降到无法进行检测。在这种情况下, 一种新型的检测手段出现了,即超声波法。超声波法由于其具有对试验电源、环境的要求相对较低, 其检测灵敏度也不随着试品电容的变化而变化等优点, 所以在大容量电气设备局放检测中得到了广泛应用。超声波信号频率通常为20kHz以上至数百kHz。当放生局部放电时，绝缘薄弱点分子的激烈撞击发出

60、声波，随着放电的发展，伴随着爆裂状的声发射，产生超声波，且很快向四周介质传播，此时放电源如同一个声源，向外发出超声信号平42。其工作原理是：当电气设备内部发生局部放电时，在放电处产生超声波向四周传播，一直达到电气设备容器的表面。在设备外壁装上压电元件，在超声波作用下，压电元件两个端面上产生交变的束缚电荷，引起端部金属电极上电荷变化或在外回路上产生交变电流。因此，可以检测此电信号来判断设备内部是否发生局放。同时在箱壁上不同位置安装多个超声波传感器，并比较分析各信号的时延可实现局部放电源的定位。超声波探测器检测的特点是抗干扰性较强、使用方便，可以在运行中和耐压试验时检测绝缘内部的放电，传感器与设备