1、本科毕业论文（20 届）GIS 绝缘在线监测系统的研究所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文- I -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 G
2、IS 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。 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 G
3、IS；局部放电；在线监测；虚拟仪器技术哈尔滨理工大学学士学位论文- II -The research on GIS online insulation monitoring systemAbstractCurrently, many methods which are effective enough can be available for examining the GIS before running，but its insulation condition monitoring hasnt been well done during operation，so we cant know
4、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 insulation breakdown occurring in GIS. So its very important to develop a new diagnostic technique to detect a characteristic sym
5、ptom 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 insulation fault type. Second, constructing and simulating the four partial discharge models. Finally, A cooperation online moni
6、toring system is designed, including hardware system and software system after comparing the advantages and disadvantages of several methods of on-line insulation monitoring.Online monitoring system designed in this paper is already quite mature, the UHF detection technology and in recent years, eme
7、rging 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 fault type and the discharge location, greatly reducing the losses caused by manual analysis of GIS failures long black out t
8、ime.Keywords Gas Insulated Switchgears; Partial Discharge; On-line Monitoring; Virtual Instruments Technology哈尔滨理工大学学士学位论文- III -目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 局部放电在线监测技术研究的意义 .11.2 GIS 绝缘在线监测技术应用现状 .21.3 本文研究内容 .4第 2 章 GIS 绝缘故障分析 .52.1 GIS 绝缘故障类型及成因 .52.1.1 GIS 的常见故障及原因 .52.1.2 GIS 的局部放电类型 .72.2
9、GIS 绝缘故障物理模型的构建 .82.2.1 高压导体突出物 .102.2.2 自由导电微粒 .102.2.3 绝缘子表面金属污染 .112.2.4 绝缘子外气隙 .122.3 GIS 绝缘故障物理模型的仿真 .132.3.1 N 类绝缘缺陷 .132.3.2 P 类绝缘缺陷 .142.3.3 M 类绝缘缺陷 .152.3.4 GE 类绝缘缺陷 .162.4 本章小结 .17第 3 章 GIS 绝缘在线监测系统的方案 .183.1 GIS 在线监测方法 .183.1.1 脉冲电流(ERA) 法 .183.1.2 超声波检测法 .193.1.3 特高频（UHF）检测 .193.1.4 分析 S
10、F6 分解物检测法 .203.2 本文设计的 GIS 在线监测系统的概述 .233.3 硬件系统 .243.3.1 传感器（天线）单元 .243.3.2 红外吸收光谱法检测器和光声光谱法检测器 .253.3.3 信号处理单元 .273.3.4 数据传输环节 .293.4 系统软件设计 .30哈尔滨理工大学学士学位论文- IV -3.4.1 监测功能 .303.4.2 参数设置功能 .303.4.3 数据分析储存 .303.4.4 报警系统 .303.4.5 人机交互系统 .323.5 本章小结 .32结论 .33致谢 .34参考文献 .35附录 A .39哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第
11、 1 章 绪论1.1 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
12、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
13、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
14、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，突发性绝缘事故哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -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
15、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。1.2 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
16、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 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
17、 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
18、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。哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -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（O 2、N 2、CF 4 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，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
19、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题。2002 年日本 Kawada 有提
20、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型下，
21、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
22、极尖端附近，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） 、SO 2F2（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。尽管试验的测哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -量系统很灵敏，但是没有检测到 S2F10 和 S2F10O。Chu 等人研究了针-板电晕放电下 SOF2 和 SO2F2 的产气速率 23
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 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 SF6 气体的压力和电极材料无关。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
24、确性、快速性的期望。1.3 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。哈尔滨理工大学学士学位论文- 5 -第 2
25、章 GIS 绝缘故障分析2.1 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
26、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。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
27、生在盆式绝缘子裂缝和 SF6 气体与油的交界面。（2）水分。SF 6 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
