电气工程及其自动化毕业设计中期报告范本.docx
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电气工程及其自动化毕业设计中期报告范本
电气工程及其自动化毕业设计中期报告
08级电气工程及其自动化专业毕业设计中期报告：
GIS故障诊断研究
学生：
张任驰，电气三班，
指导教师：
马宏忠
1研究背景
GIS指六氟化硫封闭式组合电器，国际上称为GasInsulatedSwitchgear“气体绝缘金属封闭开关设备”它是将变电站中除变压器外的电气设备，包括断路器、隔离开关、接地（快速）开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、母线（三相或单相）、连接管和过渡元件（SF6—电缆头、SF6—空气套管、SF6—油套管）等全部封闭在一个接地的金属外壳内，壳内充以0.34MPa~0.4MPa的SF6气体作为绝缘和灭弧介质。
[1]
由全封闭组合电器组成的气体绝缘变电站与常规敞开式户外变电站相比有如下优点：
（1）占地面积和空间显著降低，且随电压的增加而显著减少。
以国内桥形接线变电站为例，110kV的GIS占地面积仅为常规变电站的7.6%，体积为6.1%，而220kV的GIS则分别为3.7%和1.8%.
（2）带电体和固体绝缘件全部封闭于金属壳内，不受外界环境条件（例如污染）的影响，运行安全可靠。
（3）SF6断路器开断性能好，检修周期长。
（4）安装方便，GIS一般都在工厂装配后以整体形式或分成若干部分运往现场，故可大大缩短现场安装工作量和工程建设周期。
由于上述优点，自20世纪60年代开始，世界上已有上万个间隔投入使用，电压从60kV发展到765kV。
当前国外GIS建设和常规变电站之比约为1:
6。
对进入城市负荷中心的变电站（包括企业内部的变电站），由于地价和协调环境等要求，GIS已有取代常规变电站的趋势。
然而SF6气体中一旦混入水分、杂质、颗粒或者其它原因造成局部场强过于集中，其绝缘性能会急剧下降。
因此对GIS的生产工艺、条件、环境均有较高的要求。
可是在GIS的制造和组装过程中，不可避免会留下缺陷，这就为GIS留下了故障隐患。
[1]
2研究现状
相对分离式敞开设备而言，GIS的故障极少，一般15～20年无故障性的检修。
运行经验表明，GIS设备在制造、装配以及运行过程中，内部可能产生一些缺陷，给系统带来安全隐患。
经过查询近年来相关资料，将GIS的内部故障进行了统计。
图1为GIS设备在运行中存在的各种缺陷，其中颗粒为最常见缺陷。
图1GIS绝缘故障种类
对于GIS的诊断，主要内容有三个:
（1）检测电弧放电，用光电检测器确定电弧在气室的确切位置;
（2）监视SF6气体，用传感器监视温度、压力和密度，及时掌握气体状态;
（3）测量局部放电，检测方法有电磁式、光电式等。
[6]
GIS设备一旦出现内部故障，则会发生局部放电，如果没有有效手段来检测，只有等到局放发展到一定程度，发生内部闪络造成系统事故，才能发现问题。
因此，定期对GIS进行局放检测十分必要。
经过连续检测，确切地了解运行状况，能够经过趋势分析，识别存在的故障，从而采取必要的措施，改以往的“定期检修”为“状态检测”，从而提高设备的利用率和节省检修费用。
[5]
以下简要介绍国内外GIS主要故障类型及诊断方法的发展。
2.1国内外GIS故障的情况
过去普遍认为GIS属于无需检修或检修周期长的设备，但从近40年的运行经验来看[7]，绝缘故障始终是影响GIS可靠性的重要因素之一。
1998年CIGRE统计了国外1967年到1992年间的所有GIS绝缘故障率，这些故障率均超过了GIS绝缘所要求的0.1次/（百间隔年）的指标[8]，且随着电压等级的增高，绝缘故障率增大，如表1所示。
表1GIS绝缘故障统计结果[9]
电压等级kV
间隔数
绝缘故障次数
次/（百间隔年）
125-145
9334
24
0.26
245
6133
41
0.67
420
3351
61
1.8
550
1109
43
3.9
其它电压
17734
165
0.9
上世纪80年代初，GIS设备在中国一些地区就投入了运行，距今已有20多年的历史。
较之西方发达国家，中国在GIS和气体绝缘断路器运行状况检测方面的研究实施较少，缺乏这方面的经验。
例如，1999年北京某220kVGIS变电站发生了严重故障，造成包括一些重要国家机关和医院在内区域的大面积停电，损失严重，影响范围广。
2.2GIS缺陷类型的分析
要深入研究GIS局部放电，首先应将缺陷进行分类，并了解各类缺陷的特征、严重程度及发生的绝缘故障比率，然后针对不同类型的缺陷进行分析研究，从而找到影响绝缘故障的主要因素。
GIS内部故障以绝缘故障的为主，引起绝缘故障主要是由于GIS内部存在着各种缺陷，这些缺陷畸变了GIS内部的电场，使得局部电场集中而产生局部放电。
缺陷的种类包括：
严重的装配错误、自由导电微粒、金属突出物、绝缘子表面与内部缺陷、导体之间电气或机械接触不良和SF6气体中混有水蒸气等（图2为GIS内部故障的主要缺陷）。
图2GIS内部故障的主要缺陷
2.3GIS局部放电在线监测方法
GIS的局部放电在线监测方法大致能够分为两大类型：
电测法和非电测法，其具体主要可分为以下五种方法：
（1）脉冲电流法[10][11]：
又称为耦合电容法，它利用贴在GIS外壳上的电容电极耦合探测由于局部放电而在导体芯上引起的电压变化。
该方法结构简单，监测范围大,灵敏度高,定位准，便于实现。
可是在现场测试时，需要识别与多种噪声混杂在一起的局部放电信号，因此这种方法的使用推广受到了一定的限制；
（2）超高频法[12][13]：
英国Strathclyde大学提出的超高频（UltraHighFrequency，UHF）法当前已经成功应用到GIS生产和运行中，它是一种利用超高频率信号进行局部放电监测的方法。
在UHF法中传感器并非起电容耦合的作用，而是接收UHF信号的天线，因此UHF法的原理与脉冲电流法是不同的。
它最主要的优点是高灵敏度，并能够经过放电源到不同传感器的时间差对放电源进行精确定位。
它对传感器的采集精度和带宽要求很高，因此造价较高；
（3）超声波法[6][14]：
由于GIS内部产生局部放电信号的时候，会产生冲击的振动及声音，因此能够用腔体外壁上安装的超声波传感器来测量局部放电信号。
超声波法是当前使用的除UHF方法之外最成熟的局部放电监测方法。
该方法抗电磁干扰性能好，可是由于声音信号在SF6气体中的传输速率很低（约140m／s），且信号中的高频部分衰减很快，信号经过不同介质的时候传播速率不同，且在不同材料的边界处会产生反射，因此信号模式变得很复杂。
它要求操作人员必须具有丰富经验或者受过良好培训，另外长期监测时需要的传感器比较多，现场使用很不方便；
（4）化学监测法[12]：
经过分析GIS中局部放电所引起的气体生成物的含量来确定局部放电的严重程度，可是GIS中的吸附剂和干燥剂可能会影响化学方法的测量；断路器正常开断时产生的电弧产生的气体生成物，也会产生影响：
脉冲放电产生的分解物会被大量的SF6气体所稀释，因此就局部放电监测而言，化学方法的灵敏度很差；另外，该方法不能作为长期监测的方法来使用；
（5）光学监测法：
光电倍增器能够监测到甚至一个光子的发射，可是由于射线被SF6气体和玻璃强烈地吸收，因此有“死角”出现，该方法对于已知放电源位置的监测比较有效，但不具备对故障的定位能力。
而且由于GIS内壁光滑而引起的反射所带来的影响，造成灵敏度不高。
综上所述，经过对上面五种方法的比较，我们能够得出以下结论：
在对GIS中产生的局部放电信号的监测方法中，脉冲电流法、UHF和超声波法是比较实用可行的方法。
2.4GIS局部放电在线监测国内外发展现状
当前，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。
可是该设备对于采集到信号的分析处理不够完善，当前还正在进一
步的完善过程中。
西安交通大学的电力设备电气绝缘国家重点实验室于1998年研制一种超宽频带局部放电传感器，并经网络分析仪（HP8720C，扫频带宽20GHz）对其频率响应特性进行测量证实效果较好。
英国Strathclyde大学与NGC和ScottishPowerplc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，在耦合器输出处和在UHF信号调节处安装钳位二极管。
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。
瑞士Zurich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，可是精度不能得到保证，需要进一步的研究。
挪威TransiNorAs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，它特别适用于普通的检修人员而非超声波方面的专家使用。
可是该装置只能识别某些绝缘缺陷的类型，不具有广泛性。
日本大阪大学的Kawada于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。
这种非接触式监测故障征兆方法使用由高斯函数产生的Oabor函数的实部作为母小波，对电磁波信号进行小波变换。
文中指出经小波变换后的局部放电信号能够与其它干扰波（例如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（120200MHz）；当放电量增加时，主要部分转换到低频段（20-80MHz），而且低频段的耐压值上升。
该方法在理论上研究较多，可是实际应用时遇到了一些问题。
年日本Kawada又提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（UWBVURIS）。
该系统根据在不同频率下提取的两个经傅立叶变换后的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
的方向。
这种方法是基于硬件条件完好和软件算法精确的基础上，当前还不能完全达到精度要求，需要进一步的研究工作。
3课题研究内容
本课题对GIS故障诊断技术进行研究，首先研究GIS故障的种类及其诊断方法；分析故障机理进行，包括故障原因、故障发展与趋势预测等；分析影响故障特征的因素和故障诊断的方法；提出GIS故障诊断的方案；进行建模仿真，并对仿真结果进行分析。
4现阶段成果
4.1GIS故障种类
国际大电网会议（CIGRE）于1996年向世界范围的用户作调查，并在1998年会议上以23-102号论文，作了“高压GIS运行经验调查报告”。
其调查结果按6个电压等级划分。
这里引用了最重要的3个电压等级:
第l级100kV≤Un<200kV，第2级200kV≤Un<300kV，第3级300kV≤Un<500kV。
对于第1级电压等级，调查了63家用户，609套设备，3817间隔，34060间隔年。
对于第2电压等级，调查36家用户，270套设备，1730间隔，16040间隔年。
对于第3电压等级，调查了21家用户，110套设备，689间隔年。
调查得出了故障数和故障率，对第1电压等级，故障
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