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1、牵引变电所绝缘 在线监测技术周利军 西南交通大学牵引变电所绝缘监测的必要性和迫切性l 提高供电系统可靠性要求发展在线监测 高速铁路供电系统的安全运行决定于牵引供电设备的可靠性，开展电气设备的在线监测及其故障诊断，发现运行设备中的隐患，防止突发性事故，将显著提高其运行可靠性，避免事故造成的直接和间接经济损失，从而带来巨大的经济和社会效益。牵引变电所绝缘监测的必要性和迫切性l 绝缘故障的普遍性要求发展绝缘在线监测 美国对4.8kV配电系统19801989年统计，92%设备因绝缘劣化引起失效 日本日新公司对故障变压器统计结果表明绝缘故障占45% 我国19841990年对110kV主变压故障统计表明绝
2、缘故障造成的事故占总事故的70%以上。 牵引变电所绝缘监测的必要性和迫切性l 绝缘故障的严重危害要求发展绝缘在线监测l 破坏大型设备，造成直接经济损失：如我国一地区1992年发生两起因绝缘故障而导致变压器失火，造成直接经济损失达200万元，间接损失超过500万元。l 破坏供电系统的安全性：2003年8月14日，北美大停电最初的原因就是由于绝缘故障引起的，美国的直接经济损失达40100亿美元，加拿大当月国内生产总值下降0.7%牵引变电所绝缘监测的必要性和迫切性l设备维修体制改革要求实施绝缘在线监测及故障诊断预防性维修体制的局限性l 从经济的角度看，英国人P.J.达夫勒认为只有60%的维修费用是应
3、该花的，90%换下来的设备是不应该换下来的；l 从技术角度看，离线监测的数据不能完全反映绝缘状态，因为试验条件和运行条件有较大的差异。介质损耗测试的试验电压一般为10kV，而工作电压则远远大于这个值，因此离线试验得到的介质损耗一般要比实际损耗小得多；l 从可靠性角度看，由于目前维修质量不高，出现了“不修不出事，一修就出事”的的怪事；牵引变电所绝缘监测的必要性和迫切性l 设备维修体制改革要求实施绝缘在线监测状态维修的优点l 可更有效地使用设备，提高设备的利用率；l 降低备件的库存量以及更换部件与维修所需费用；l 有目标的进行维修，提高维修水平，使设备运行安全、可靠；l 可系统地对设备制造部门反馈
4、设备的质量信息，用以提高产品的可靠性牵引变电所绝缘监测的必要性和迫切性l 状态维修和在线监测的经济效益l 英国中央发电局（CEGB）的统计表明，投运油中气体在线监测以后，变压器的维修费用从1000万英镑降低到200万英镑；l 日本资料表明，监测和诊断技术使每年的维修费用减少25%50%；l 美国一发电厂统计表明，该发电厂投运在线监测设备后每年可获利125万美元。绝缘在线监测的国内外发展概况l 国外绝缘在线监测的发展历程l 1951年美国西屋公司John S. Johnson提出发电机槽放电在线监测；l 20世纪60年代，美国开展了大规模的绝缘在线监测和故障诊断工作，并开发了可燃性气体总量（TC
5、G）检测装置（气体继电器中的可燃气体）；l 1975年Syprotec公司正式研制成功油中气体分析的在线监测装置；绝缘在线监测的国内外发展概况l 国外绝缘在线监测的发展历程l 20世纪70年代，日本绝缘在线监测技术开始起步，着重研究油中气体在线监测和局部放电在线监测；同一时期，前苏联在线监测快速发展，重点研究容性设备绝缘监测和局部放电在线监测；l 20世纪80年代，局部放电在线监测技术得到较大发展，加拿大安大略水局发电机局部放电监测仪，大规模推广应用；德国SIEMENS、瑞士ABB、法国 ALSTOM 、美国GE等欧美电气设 备制造公司与加拿大 SYPROTEC 公司 合作，使电气设备在出厂时
6、 就把SYPROTEC公司的HYDRAN 系列电气设备绝缘油中溶解的故障 气体智能监测装置作为标准附件。 绝缘在线监测的国内外发展概况绝缘在线监测的国内外发展概况l 国内绝缘在线监测研究的主要机构l 清华大学高电压与绝缘技术研究所l 西安交通大学电气绝缘国家重点实验室l 西南交通大学铁道电气化铁道部重点实验室l 上海交通大学l 重庆大学电工电能新技术重点实验室l 北京电科院l 武汉高电压研究所绝缘在线监测的技术要求l 系统投入和使用不能影响一次设备的正常运行l 能自动连续进行监测、数据处理和存储l 具有自检和报警功能l 具有良好的抗干扰能力和合理的监测灵敏度l 监测结果应有较好的重复性和可靠性
7、，以及合理的准确度l 具有在线标定的功能l 具有电气故障诊断功能，包括故障定位、故障性质、故障程度的判断和绝缘寿命的预测等绝缘在线监测系统的组成绝缘在线监测系统的分类l 按安装场所分类l 便携式：通用性强；针对性差，抗干扰性差，灵敏度不高。只能用于在线检测，而不能用于在线监测；l 固定式：可对设备连续监测，功能强，成本高，适合于重要场所；l 按监测功能分类l 单参数监测l 多参数综合监测l 按诊断方式分类：人工诊断与自动诊断电气设备综合在线监测系统普通牵引变电所绝缘在线监测主变压器的绝缘油中溶解气体分析；主变压器的局部放电量监测及定位；容性电气设备的介质损耗、电容电流、电容量的监测；避雷器泄漏
8、电流的监测；瓷绝缘子的污秽泄漏电流的监测；少油开关绝缘拉杆泄漏电流的监测；系统母线电压的监测 在线监测系统主柜变电所绝缘在线系统应具备的功能实现变电站全部一次电气设备（除隔离刀闸）绝缘参数的监测；实现变电站母线电压 测量；一次电气设备绝缘参 数越限自动报警；一次电气设备绝缘参 数的管理和档案存贮 ；绝缘信息的网络化管 理在线监测系统主柜常用变电所绝缘在线监测系统框架远程维护中心监测管理系统用户MIS系统服务器介质损耗在 线监测模块 避雷器在线 监测模块铁芯接地电 流监测模块油色谱在线 监测模块局部放电在 线监测模块检 测 点 1检 测 点 n检 测 点 1检 测 点 n检 测 点 1检 测 点
9、 n检 测 点 1检 测 点 n检 测 点 1检 测 点 n常用变电所绝缘在线监测系统结构32 /I开关主 机显示器办公室计算机数据远传打印机程控放大精密交流放大器 高频放大器高频放大器局放传感器局放传感器电压传感器电流传感器64 /I开关油中气体监测主变压器绝缘在线监测l 绝缘油中溶解气体在线监测l 变压器局部放电在线监测l 变压器铁芯接地电流监测l 变压器油中含水量在线监测l 变压器绝缘套管介质损耗角正切在线监测l 变压器内部温升在线监测变压器油中溶解气体在线监测l 绝缘故障与绝缘油中溶解气体的关系l 油中溶解气体的产生：绝缘故障所产生的能量（热、电、光等）使高分子油纸绝缘裂解产生低分子气
10、体，同时产生其他低分子有机物，如糠醛等；绝缘纸聚合度下降，降低绝缘寿命；故障气体部分溶解于油中，部分集中于气体继电器中。变压器油中溶解气体在线监测l 绝缘故障种类与绝缘油中溶解气体的关系过热故障l 当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和C2H4，他们的总和约占总烃的80%，且C2H4所占比例随着故障点温度的升高而增加；例如78台高温过热（温度高于700）故障变压器的C2H4占总烃的比例平均为62.5%，其次是C2H6和H2。据统计，C2H6一般低于20%；高、中温过热H2占氢烃总量（H2+ C1+ C2）的25%以下，低温过热时一般为30%左右；这是由于烃类气体随温度
11、上升增长较快所致。过热故障一般不产生C2H2，只在严重过热时产生微量的C2H2 ;当故障涉及固体材料时，则还会产生大量的CO和CO2。 油纸绝缘热故障时的产气情况变压器油热分解固体绝缘物受热产生气体变压器油中溶解气体在线监测l 绝缘故障种类与绝缘油中溶解气体的关系电弧放电故障l 当变压器内部发生电弧放电故障时，油中溶解的故障特征气体主要是C2H2、H2，其次是大量的C2H4、CH4 ；l 由于电弧放电故障速度发展很快，往往气体来不及溶解于油中就释放到气体继电器内，因此，油中溶解气体组分含量往往与故障点位置、油流速度和故障持续时间有很大关系 ；l 固体绝缘材料发生高能量电弧放电时，不仅产生较多C
12、O、CO2，而且因放电能量密度高，产生的高速电子流轰击固体绝缘材料，致使其受到严重破坏 ；l 若对电弧放电故障不及时处理，严重时有可能造成变压器的重大损坏或爆炸事故 。变压器油中溶解气体在线监测l 绝缘故障种类与绝缘油中溶解气体的关系火花放电故障 当变压器内部发生火花放电时，油中溶解气体的特征气体以C2H2、H2为主，因故障能量小，一般总烃含量不高，但油中溶解的C2H2在总烃中所占比例可高达25%90%，C2H4含量约占总烃的20%以下，H2占氢烃总量的30%以上。 当H2和CH4的增长不能忽视时，如果接着又出现C2H2的情况，这时可能存在着由低能放电发展成高能放电的危险。因此，当出现这种情况
13、时，即使是C2H2未达到注意值，也应给予高度重视。变压器油中溶解气体在线监测l 绝缘故障种类与绝缘油中溶解气体的关系局部放电故障 当变压器发生局部放电时，油中的气体组分含量随放电能量密度不同而异，一般总烃不高，主要成分是H2，其次CH4。通常H2占氢烃总量的90%以上，CH4占总烃的90%以上。当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%，这是与上述电弧放电和火花放电区别的主要标志。 变压器油中溶解气体在线监测l 绝缘故障种类与绝缘油中溶解气体的关系绝缘受潮 当变压器内部进水受潮时，油中的水分和含湿气的杂质容易形成“小桥”，导致局部放电而产生H2。水分在电场作用下的电解
14、以及水和铁的化学反应均可产生大量的H2。所以受潮设备中，H2在氢烃总量中占比例更高。有时局部放电和绝缘受潮同时存在，并且特征气体基本相同，所以单靠油中气体分析难以区分，必要时根据外部检查和其它试验结果（如局部放电测试结果和油中微量水分分析）加以综合判断。 变压器油中溶解气体在线监测l 变压器油中溶解气体在线监测系统的分类测量可燃性气体含量（TGG），包括H2、CO和各类气体烃类含量的总和，例如日本三菱电力公司研制的TGG监测装置。 测量单种气体浓度，如H2或C2H2，最具典型的装置有加拿大SYPROTEC的HYDRAN 系列装置，加拿大骏达国际有限公司的AMS-500 PLUS - Calis
15、to，由于以检测氢气作为第一特征量，因此只适合用于现场故障的初步诊断，要了解故障的详细信息还需进一步做色谱分析。测量多种气体组分的浓度。如美国GE公司NRPS在线监测装置；美国AVO公司TrueGas；英国凯尔曼公司研制的Tranfix、MINITRANS监测产品等，西南交通大学的TTMS监测产品等。变压器油中溶解气体在线监测 监测对象：氢气； 监测范围：02000L/L； 监测间隔时间：连续监测油中早期故障特征气体 绝缘油中氢气气体在线监测变压器油中溶解氢气在线监测为什么测 H2发现故 障？用什么传感 器，每种传 感器均有什 么优缺点？系统如何组 成变压器油中溶解氢气在线监测总体框架变压器油
16、中溶解氢气在线监测工程布线变压器油中多组分溶解气体在线监测 系统组成与在线监测流程自 动 油 气 分 离自 动 气 体 进 样气 体 浓 度 检 测故 障 诊 断自 动 混 合 气 体 分 离变压器油中多组分溶解气体在线监测l 油气分离技术 顶空脱气法1）静态顶空法；2）动态顶空法注意：顶空法的影响因素 真空脱气法（ 完全脱气法）1）水银真空脱气法2）变颈活塞脱气 高分子半透膜脱气法变压器油中多组分溶解气体在线监测 混合气体分离气相色谱分离柱烃类在异氰酸苯酯多孔硅（HGD-201）上的分离次序 变压器油中多组分溶解气体在线监测l 气体检测技术热导检测器氢焰离子检测器电化学气敏传感器半导体气敏传感器红外气敏传感器接触燃烧式气体传感器变压器油中多组分溶解气体在线监测 监测对象：氢气、一氧化碳、 二氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯 、乙炔 最小灵敏度： H2150L/L或总烃 1
