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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,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,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
2、绝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,绝缘故障的严重危害要求发展绝缘在线监测 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。 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,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 从经济的角度看，英国人P.J.达夫勒认为只有60%的维修费用是应该花
3、的，90%换下来的设备是不应该换下来的； 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； 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,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 可更有效地使用设备，提高设备的利用率； 降低备件的库存量以及更换部件与维修所需费用； 有目标的进行维修，提高维修水平，使设备运行安全、可靠； 可系统地对设备制造部门反馈设备的质量信息，
4、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,状态维修和在线监测的经济效益 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； 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%； 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,国外绝缘在线监测的发展历程 1951年美国西屋公司John S. Johnson提出发电机槽放电在线监测； 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（TCG）检测装置（气体继电器中
5、的可燃气体）； 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,国外绝缘在线监测的发展历程 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； 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就把SYPROTEC公司的HYDR
6、AN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,国内绝缘在线监测研究的主要机构 清华大学高电压与绝缘技术研究所 西安交通大学电气绝缘国家重点实验室 西南交通大学铁道电气化铁道部重点实验室 上海交通大学 重庆大学电工电能新技术重点实验室 北京电科院 武汉高电压研究所,绝缘在线监测的技术要求,系统投入和使用不能影响一次设备的正常运行 能自动连续进行监测、数据处理和存储 具有自检和报警功能 具有良好的抗干扰能力和合理的监测灵敏度 监测结果应有较好的重复性和可靠性，以及合理的准确度 具有在线标定的功能 具有电气故障诊断功能，
7、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,按安装场所分类 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； 固定式：可对设备连续监测，功能强，成本高，适合于重要场所； 按监测功能分类 单参数监测 多参数综合监测 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
8、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,常用变电所绝缘在线监测系统结构,主变压器绝缘在线监测,绝缘油中溶解气体在线监测 变压器局部放电在线监测 变压器铁芯接地电流监测 变压器油中含水量在线监测 变压器绝缘套管介质损耗角正切在线监测 变压器内部温升在线监测,变压器油中溶解气体在线监测,绝缘故障与绝缘油中溶解气体的关系 油中
9、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,绝缘故障种类与绝缘油中溶解气体的关系过热故障 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
10、+ 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,绝缘故障种类与绝缘油中溶解气体的关系电弧放电故障 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 ； 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
11、度和故障持续时间有很大关系 ； 固体绝缘材料发生高能量电弧放电时，不仅产生较多CO、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 ； 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,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C2
12、H2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,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,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
13、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,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
14、 系列装置，加拿大骏达国际有限公司的AMS-500 PLUS - Calisto，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
15、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,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,气体检
16、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： H22L/L； C2H20.1L/L；CO5L/L； CH45L/L； C2H45L/L；C2H62L/L； 检测周期24小时,TTMS绝缘油中六组分气体在线监测,变压器油中多组分溶解气体在线监测,TTMS在线监测系统气路结构,变压器油中多组分溶解气体在线监测,TTMS在线监测系统在线油气分离器,a) 外观图 b) 透气膜压板 c) 透气膜衬板 油气分离装置图,油气分离装置安装图,根据Fick第一定律，采用聚四氟乙烯平板膜作为透气膜（厚度0.2mm和孔径10nm）。油室和气室装在直径为55mm的圆筒状指中，为提高膜的抗压能力，用一个布满3mm直径小孔的铜板作为支撑。膜的有效分离面积699.435mm2，气室体积为4.6ml。,变压器油中多组分溶解气体在线监测,TTMS在线监
