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SF6断路器的状态监测与故障诊断

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2007/12/18 1:35:12   

 关键词:  sf6断路器 断路器 sf6

摘要:对铁路牵引变电所SF6断路器的检修、状态监测和故障诊断技术进行了初步的研究和探讨,对SF6气体特性、压力监督及含水量的监督和测量等进行了阐述,并对SF6断路器状态监测和故障诊断进行了展望。

要害词:SF6断路器;检修;状态监测;故障诊断

中图分类号:TM561.2文献标志码:B文章编号:1003-0867(2007)02-0026-03

SF6断路器由于具有灭弧能力强、介质强度高、维护周期长等优点,已广泛应用在铁路电力牵引供电系统中。SF6断路器,是利用SF6气体作为绝缘介质和灭弧介质的高压断路器。SF6气体是无色、无臭、不燃、无毒的惰性气体,化学性能稳定。在电晕和电弧放电中,SF6被分解为硫和氟原子。电弧消失后,可重新结合成SF6。但在电极四周,由于金属蒸气参加了反应,生成金属氟化物和低氟化物,当气体内含有水分时,就可生成腐蚀性很大的氢氟酸(HF)。氢氟酸对绝缘材料、金属材料都有很大的腐蚀性,不能使用含硅的绝缘材料。因此应严格控制装入断路器中SF6气体所含水分,并且进行必要的测量和状态监测,及时发现可能出现的异常和故障预兆并进行检修,保证设备的正常运行,保证网络的可靠供电。

因此水分是SF6气体中危害最大的杂质。SF6气体含水量过高会危及电力设备的安全运行,主要表现在:

•水分的存在影响气体分解物的生成;

•水与酸性杂质在一起时,会使材料腐蚀,导致机械操作失灵;

•水分在低温下会在固体绝缘表面凝露,使沿面闪络电压急剧下降,导致事故。

1SF6断路器的故障及检修

1.1SF6断路器故障分布

SF6断路器机械故障因素占70,辅助和控制电路占19,主要电路的电气因素故障占11。

在未闭合或未断开的操作上占主要故障的48。

断路器的主要的故障可认为是:

•操作故障,包括驱动和操作故障;

•绝缘故障,包括主触头。

1.2检修策略

为了追求更好的检修方法和出路,提出了状态检修。状态检修是根据先进的状态监测和诊断技术提供的设备状态信息,判定设备的异常,预知设备的故障,在故障发生前进行维修的方式,即根据设备的健康状态来安排维修计划,实施设备维修。

但对于SF6高压断路器,要真正做到状态检修仍很困难。高压断路器发生的故障,只有一部分是具有渐变的过程,而很多故障是突发性的,至少在目前根本无法事先预知可能发生的故障,例如机械受力部件的失效等。就是对于渐变的一些元器件的老化过程,也没有揭示出具体的时间进程。因此,当前要完全做到状态检修还不太现实。但是,无论制造业还是运行单位,朝这个目标探索和努力的进程正在加快。

目前行业上还没有制定出比较合理的检修周期和检修项目,相应的维护检修经验比较匮乏。根据SF6断路器的实际状况,目前可推荐策略如下。

“坚持日常监护,做好定期预试,立足于状态检修”。以定期离线试验和在线监测的手段为基础,贯彻状态检修的方法,对已暴露和发现的故障及其潜伏性缺陷及时安排检修,这种状态检修包括了预知检修和后知检修。

状态检测要基于离线试验和在线监测两种方法,坚持定期的试验检查,发展在线监测手段,有把握地延长定期试验的周期。坚持监控断路器的实际运行状况,认真分析断路器的实际状况,及时发现已有的或潜伏的缺陷和故障,进行有针对性的局部性检修。对于带有共性的问题,宜安排扩大性检修。

2SF6气体的状态监测

2.1SF6气体的压力监督

SF6断路器设备投运后,其绝缘性能和灭弧能力在很大程度上决定于SF6气体的状态,通常应监督气体密度和气体纯度两个参数。

对于常规SF6断路器设备,监控SF6气体密度的方法是装设气体压力表和密度继电器。鉴于气体参数可测量性、使用习惯和安全规程相应的规定等实际情况,经常给出SF6气体的压力参数。由于SF6的气体特性与理想气体不同,在说明其压力的同时必须说明是在什么温度条件下才有意义。制造厂出厂时表明的气体压力参数均指标准条件,即对应于200℃环境温度,也就是用200℃温度下的气体压力来代替气体的密度。

如不考虑泄漏,其密度保持不变,而压力随温度的变化而变化,评定不同环境温度条件下的气体压力是否正常可采用多种方法。常用的有气体压力温度特性曲线法和经验公式计算法,还可采用温度补偿的压力表。

2.2SF6气体的含水量监督

SF6气体中难免会含有一些水分和空气等杂质,水分是以水蒸汽形式存在。水分的危害比较大,所以得到极大的重视和关注。当温度下降时,过量的水蒸汽可能凝聚成水附着在绝缘件表面,从而潜伏着发生绝缘事故的危险。另一方面,在电弧高温作用下分解后,由于水分存在而可能产生有毒物质,影响到设备寿命和人身的安全。所以,对SF6断路器设备中的气体含水量有比较严格的要求。

3SF6断路器状态监测和故障诊断展望

3.1开断性能

高压断路器应能开断各种性质的电流,多数情况下是开断负载电流,这是有功小电流的范畴,开断条件较宽松,开断易成功。另一类是开断较小的容性和感性电流,开断后可能会伴随发生不同大小的过电压,甚至可能导致开断失败。典型的如开断空载长线时可能发生击穿,从而产生过电压,威胁到绝缘。较受关注的是开断短路电流,在长期运行中,可能会开断大小不等的各种短路电流。对于SF6断路器来说,一方面是灭弧室的结构要可靠,要保证开断过程中的运动特性,即压气和吹弧功能;同时断路器的机械动作要正确,不答应发生慢动作或运动中停滞的现象。假如发生这种问题,即使开断小电流也会导致事故发生,这种不正常动作的情况是极其罕见的。假如设备结构不合理、选材不良和现场操作处理不当,也有可能发生,但目前还没有办法来进行监测。实际运行经验表明,SF6断路器的开断性能比较可靠,机械运动特性能得到保证。从必要性和现实情况看,在线监测断路器的运动特性和压气功能还很困难,监测SF6气体的压力(推算密度)是当前在线监测的一个项目。

3.2绝缘性能监测

高压断路器的外绝缘主要是瓷套管,而且是承压部件,其质量好坏影响到断路器的正常运行。要求其外绝缘有足够的防污闪能力,其外绝缘的爬电距离应满足安装地点污秽等级的要求,伞裙结构和爬电系数等均应符合IEC600815标准规定。现在,绝大多数高压SF6断路器的外绝缘都能满足Ⅲ级污秽区的要求,有效爬电比距达到2.5cm/kV以上。对断口间的爬电距离,按有关行业标准的规定,要求达到对地爬电距离(按污秽区等级计算)的1.15~1.20倍。瓷套管的老化相当缓慢,目前还没有开发出实用的在线监测的手段和方法。瓷套内壁的处理方法会影响到SF6气体的含水量,有些国产LW6-220型断路器就曾发生因含水量严重超标的缺陷。

高压断路器的内绝缘主要是SF6气体绝缘、绝缘拉杆以及瓷套内表面的绝缘,因为绝缘拉杆处在全密封的SF6气体内,只要SF6气体的状态正常、绝缘拉杆的质量可靠,其绝缘性能通常就可得到保证。但有报道,户外瓷柱式SF6断路器发生过多次绝缘拉杆断裂故障。这种机械性能的问题,究竟是小概率事件,应由制造厂保证。故希望改进制造工艺及加强出厂试验检测,开发绝缘拉杆断裂缺陷的检测方法。而绝缘性能在线监测的重点应该是SF6气体的状态。

3.3导电回路的监控

在高压断路器的长期运行中,导电回路异常是发生概率相对较高的一种缺陷。其原因是很多断路器触头系统的设计和结构不良,触头弹簧质量低劣,制造工艺落后,造成导电回路接触不良,逐步发展成故障甚至事故。例如,触头弹簧失效使接触压力降低,触头插入深度不够或对中不正确导致接触面积过小,电弧烧损主导电触头等。虽然运行单位选择开关设备时,额定电流要高1、2个等级,但这类问题仍可能发生。

现代高压SF6断路器的导电回路结构有了极大的改进,额定电流参数都比较高,达到3150A或4000A。此外,采用红外测温技术对导电回路的状态进行监测,可望大大提高其可靠性。

3.4操动机构及二次回路监控

分析高压断路器各种类型的故障表明:操动机构的故障排在第一位,其次是辅助和二次回路问题,占总故障的70%。

不同型式的机构也有不同形式的缺陷。例如,对液压机构,可能发生的问题是渗漏油及渗漏气、压力开关及油泵故障等。对于弹簧操动机构,主要有元器件锈蚀、弹簧疲惫、滑润失效、储能电机以及锁扣的稳定性问题。由于二次回路是串联结构,只要一个元件或一环节发生问题,就会导致拒动或误动故障。因此,二次回路各元件的质量及其稳定性、二次线连接是否可靠等都是影响安全运行的重要因素。

对操动机构的所有状况进行在线监测,因为要监测的元件很多,并要开发出相应的各种传感器,因此很困难。目前,操动机构包括辅助和二次回路元器件的质量在不断提高,制造厂家正在研制和开发免维护、免检修产品,有很多元件的可靠性可以满足长期运行的要求。从某种意义上说,这也是提高设备整体可靠性的最好方法。

目前,对合、分闸二次回路导通是否良好的监测,已有比较实用的方法,但对诸如辅助开关的状态监测还比较困难。

对液压操动机构已有压力参数的在线监测和报警装置,压力参数监测也反映了液压油系统的密封状态;对油质监测的必要性还得不到认同,对弹簧操动机构的监测方法有待开发。

由于试验设备和传感器的局限性,设备的很多状态还不可能测量和监视,有些状态参数还要依靠离线监测来获取和证实。

要获得和判定设备的真实情况,除了分析预防性试验的结果、运行中的巡视记录、操动机构及其压力参数等记录外,还应开发多种有效的诊断方法和手段。当前的高压断路器都还不具备操作特性的在线监测功能,必须配合离线监测来综合评判其实际状态。

3.5高压SF6断路器在线监测展望

高压SF6断路器的在线监测技术将会进一步发展,尤其是随着二次控制技术的提高,将会开发更实用和有效的在线监测方法。通过必要的连续监测可以较确切地判定和把握断路器的运行状况,通过趋势分析,尽可能地识别存在的潜伏故障及时采取必要的防范措施,从而提高设备的利用率和安全运行水平,同时将降低和节省检修费用。考虑到高压SF6断路器技术的提高,应根据高压电网的实际需要,研制和开发少维护和免检修的高质量产品。

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