红外SF6分解物检测技术及其应用研究工作报告

文件编号：起讫时间：2015年12月—2016年10月报告日期：2016年10月项目负责人：工作人员：编写人员：审核：批准：摘要近年来，随着系统短路容量的增大、高载能用户设备的频繁故障及部分厂家所生产变压器自身抗短路能力较差等原因，内蒙古电网公司所属主变压器因受短路冲击而导致绕组变形变压器损坏的严重事故已发生多起；事故原因分析结果表明短路故障所占比重尤其突出。基于变压器短路冲击损坏故障频发、严重影响系统稳定和经济运行，本项目对网内在运110kV及以上主变压器因短路冲击发生绕组变形的程度进行了研究，并对主变压器抗短路进行了评估分级；依据评估结果对预防主变压器绕组变形提出切实可行的建议和措施，为针对性的开展管理工作和制定有效地预防变压器绕组变形措施提供依据，确保电力系统的安全稳定运行。关键词主变压器；绕组变形；短路冲击目录1工作概况............................................................................................................................12SF6红外分解物检测仪的研制及其性能研究.........................................................42.1红外SF6分解物检测仪的研制.........................................................................................42.2SO2红外传感器零位温度漂移特性...................................................................................62.3红外和电化学传感器的性能对比.....................................................................................82.4不同CF4和SF6体积比例下传感器的测量性能...........................................................103SF6分解物检测仪对比试验........................................................................................124局部放电与SF6分解物演化关系的研究..............................................................165技术难点与创新点........................................................................................................206社会与经济效益............................................................................................................22附录1关于开展SF6分解物检测仪对比试验的通知........................................................23红外SF6分解物检测技术及其应用研究工作报告1红外SF6分解物检测技术及其应用研究工作报告1工作概况《红外SF6分解物检测技术及其应用研究》项目的工作分为三大部分：（1）SF6红外分解物检测仪的研制及其性能研究GIS、SF6断路器等以SF6作为绝缘和灭弧介质的电力设备在电力系统中占有举足轻重的位置，该类设备的运行状态直接关系着系统的安全稳定性。在众多GIS、SF6断路器运行状态的检测手段中，分解物检测法因其受现场电磁干扰小、可以准确定位缺陷或故障气室等优势，而得到了广泛的应用。SF6分解物检测仪检测机理有电化学法、红外法、紫外法、气相色谱法和气体检测管法等诸多原理，各类检测仪因其研制机理不同而各具优缺，检测时需要依据检测对象及其环境进行选择；其中，红外法在多种化合物的组成检测中具有明显优势，因而具有一定的研究意义和实用价值。该部分主要工作有：研制一台利用红外原理检测SO2、CO气体含量和SF6气体纯度的红外分解物检测仪，并依托此台红外检测仪开展了SO2红外传感器的性能、红外传感器和电化学传感器性能对比以及不同CF4和SF6体积比例下传感器的测量性能等方面的研究。该部分的试验研究借助中国计量院校验合格的四通道MF-5B多组分动态配气系统，将以SF6、CF4和N2为底气的标准气体配比至指定浓度，用于测试传感器稳定性、响应速度和测量重复性等性能。试验平台如图1所示。（2）SF6分解物检测仪对比试验SF6气体分解物检测仪的校准方法缺乏相应的标准，使得仪器性能参差不齐，标准不统一，造成检测结果混乱，难以进行故障判断，给现场工作带来很大的困扰。所以，该项目针对以上情况特开展SF6气体分解物检测仪比对试验工作，将各供单位所有的SF6分解物检测仪汇集于高压试验室，依次通入指定浓度的标准气体对此测量性能进行了测试。如图2所示的对比试验测试平台，专项监督检测文件见附录。在熟悉传感器性能的基础之上（该项目工作第一项内容），借助电科院现有的三台使用情况不一的检测仪，探寻了可以有效评估检测仪测量性能的方法。在明晰试验方法后，针对网内分属于8个供电单位的13台分解物检测仪开展了对比试验。SF6气体分解物检测仪校验标准当前国内并未公开出版相关规程或者标准，业内多以国家电网公司部门文件生变电（2011）50号《关于开展SF6气体分解物检测仪检验工作的通知》（简称50号文）作为参考标准使用。项目该部分综合了传感器测量性能和50红外SF6分解物检测技术及其应用研究工作报告2号文中对测量误差的规定，形成一套打分机制——对比试验中的检测仪依据试验测试结果逐项打分、划分评估等级（A、B、C和D共计四级），并针对各等级的检测仪提出切实可行的整改建议。图1分解物测量性能研究试验平台图2分解物测量性能研究试验平台红外SF6分解物检测技术及其应用研究工作报告3（3）局部放电与SF6分解物演化关系的研究试验前期的调研工作结果表明，局部放电（partialdischargePD）与其分解物存在一定关系，但是由于局部放电放电能量较小、借助局部放电生成分解物较难，多通过长时间能量积累实现，相应试验施压时长以8-10h起。所以，试验前期需明确模型的放电特性，再此基础上确定试验模型间距、外施电压值、恒压法或升压法下的试验步长、取样气的时间点等；即根据放电模型的特性及试验研究要点，通过一周左右的探索性试验，通过调整上述试验控制参量得到一个较为理想的试验过程，以研究局部放电与SF6分解物演化关系。如图3所示，试验利用GIS模拟腔体，借助电脉冲法、特高频法和分解物检测法对腔体内置的悬浮模型局部放电发展过程进行了研究。通过对局部放电发展过程中放电特征量变化趋势的分析，总结了腔体内分解气体的纯度、水分含量、SO2、CO和H2S气体含量、脉冲法放电量、放电形式等特征量与局部放电发展过程之间的演化关系。在明确了局部放电发展过程中各放电特征量的变化情况的基础之上，项目总结归纳各放电特征量的演化特点，为推进SF6气体分解、扩散和气体自恢复方面的理论研究和GIS、SF6断路器现场局部放电的分解物检测方法及其标准的制定，提供有价值试验数据与结论。图3局部放电和分解物演化关系试验平台红外SF6分解物检测技术及其应用研究工作报告42SF6分解气体传感器的性能研究2.1红外SF6分解物检测仪的研制依托项目，项目工作人员和厦门加华电气公司联合研制了一台红外SF6分解物检测仪。仪器具有检测SF6气体纯度、水分含量和分解物含量三项功能，用于检测分解物浓度的传感器有SO2小量程红外、SO2大量程电化学、CO红外、H2S电化学四个传感器。该检测仪可在线检测SF6断路器、GIS等SF6充气设备中绝缘气体纯度、水分含量及其气体组分和含量。如图4所示的红外SF6分解物检测仪。图4红外SF6分解物检测仪本报告以50号文中对各检测分解物组分的重复性及其允许误差的相关规定作为依据（见表1），利用中国计量院校验合格的四通道MF-5B多组分动态配气系统和标准气体对所研制检测仪上述三项检测功能的正确性及其准确性进行试验测试。表1各检测分解物组分含量及其允许误差（来源：50号文）检测组分含量（μL/L）允许差SO2和H2S0~100.3μL/L10~1003%CO0~501.5μL/L50~5003%红外SF6分解物检测技术及其应用研究工作报告550号文规定：SO2和H2S配气浓度≤10μL/L，CO配气浓度≤50μL/L时，以绝对偏差Cg表示重复性，利用式（1）的计算公式进行计算；SO2和H2S配气浓度＞10μL/L，CO配气浓度＞50μL/L时，以相对偏差Cv表示重复性，利用式（2）的计算公式进行计算；要求取6次试验数据进行计算。maxgiCCC（1）2()1100%ivCCnCC（2）其中iC—表示各次示值的算数平均值；C—第i次检测的仪器示值；n—检测次数。根据上述计算方法，本项目对分解物检测仪的纯度、水分和SO2小量程红外、SO2大量程电化学、CO红外、H2S电化学等传感器的性能进行了试验。表2、3为分解气体传感器单组份和多组分测试试验用表。图5为试验人员进行分解物检测仪性能研究时的照片。表2单组份气体测试试验表（CO气体）标气（μL/L）仪器示数（μL/L）误差（max）02050100200300502表3多组份气体测试试验表试验次数标气及含量（μL/L）示数1（μL/L）示数2（μL/L）示数3（μL/L）第一组SO210H2S2CO100红外SF6分解物检测技术及其应用研究工作报告6第二组SO22H2S10CO100第三组SO25H2S5CO200图5红外分解物检测仪性能研究试验照片2.2SO2红外传感器零位漂移特性试验人员在SF6分解物检测仪的研制过程中发现，检测仪使用时长不同、待机时长不同都会引起SO2红外传感器自身温度变化，而该温度变化直接影响传感器测量结果的准确性。那么，仪器使用工作环境不同、温度条件不同，SO2红外传感器所体现出测量示数波动较大、零位漂移等问题是否存在可循规律，该规律是否具有通过性等问题均是本项目研究的重点。针对上述问题，本项目对SO2红外传感器的零位稳定性、零漂特性曲线和测量特性等进行了试验探究。该部分试验将SO2红外传感器、传感器变送板及气路置于恒温箱内，调节恒温箱至指定温度，然后利用四通道MF-5B多组分动态配气系统配置试验用指定浓度的气体，通过导气管将气体导入传感器后逐点测试。测试记录表如表4所示。红外SF6分解物检测技术及其应用研究工作报告7表4各试验温度下零位偏移量的测试值温度(℃)-10-50510131415零位偏移量（μL/L）温度(℃)1617181920212223零位偏移量（μL/L）温度(℃)24252627303540零位偏移量（μL/L）根据表4所示绘制图6所示的零漂特性曲线。绘制该曲线的意义在于，当标定时的环境温度和实际测试的环境温度有差异时，亦或检测仪所处测试环境不方便标定时，红外传感器的零位变化值便可查阅上表或者图6的零漂特性曲线便可进行零位漂移修正。135014001450150015501600165017001750-15-5515253545温度(℃)零位偏移量(μL/L)图6SO2红外传感器零位温漂特性曲线明确零位漂移特性后，传感器在某一温度下当SO2气体浓度不同时其测量值是否会发生变化，是本文需明晰的又一内容。于是，本项目利用表5所示的试验内容对SO2红外传感器的测量特性进行了研究。表5试验温度下不同SO2气体浓度时测量偏移量及其偏差