项目申请建设建议书及投资可研报告投资建设环境温度急剧变化对gisgil运行性能影响.docx
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项目申请建设建议书及投资可研报告投资建设环境温度急剧变化对gisgil运行性能影响
附件1：
编号
重庆市电力公司科学技术项目
建议书
项目名称：
环境温度急剧变化对GIS/GIL运行性能影响机理及对策研究
申请单位（部门）：
重庆市电力公司检修分公司
起止时间：
2013年01月至2013年12月
项目负责人：
熊浩
通信地址：
邮政编码：
联系电话：
传真：
申请日期：
2012年7月
简 表
项目名称
环境温度急剧变化对GIS/GIL运行性能影响机理及对策研究
项目负责 人
姓名
熊浩
单位（部门）
重庆市电力公司检修分公司
性别
男
年龄
专业
职称
项 目
分类
技术
攻关
新技术
开发
新产品
试制
技术引进
消化吸收
应用理论
基础研究
软科学
研究
推广
√
项目组
人数
其中
高级职称
中级职称
研究生
初级职称
协作单位
重庆大学
协作形式
申请金额（万元）
37
研究起止年月
2013年01月至2013年12月
其中
资助
37万元
自 筹
项目内容
、
意义和预期成果摘要
[项目内容]
深入开展环境温度急剧变化对组合电器运行性能影响机理的研究，并在影响机理的基础上提出相应对策，为建立大型电气设备安全运行的实用化技术提供科学依据。
主要从以下几个方面开展研究工作：
1.吸附剂对组合电器内微水含量的影响规律
在SF6气室内放置适量的吸附剂，可以减少气室内微水含量，从而保证设备运行安全。
吸附剂的种类主要有活性炭、活性氧化铝以及分子筛。
然而实际工程中通常是取SF6气体重量的10%-15%的数量作为吸附剂的用量。
为对以上几种吸附剂进行深入分析，研究其吸附剂类型、放置重量以及放置位置等因素对组合电器内微水含量的影响规律是非常有必要的。
2.组合电器在温度急剧变化时气体微水含量及凝露特性研究。
SF6气体中微水含量过多将对组合电器运行及维护产生严重影响。
研究在不同高温天气下的组合电器中SF6气体中水分含量的变化，构建气体微水含量在温度急剧变化下的特性曲线。
同时研究在环境温度急剧变化下的组合电器中SF6气体中水分凝露的特性，通过仿真与实验研究，构建气体凝露在温度急剧变化下的特性曲线。
3.组合电器在高温下的水汽运动规律研究。
组合电器设备由于是分割为若干个独立气室，其气室结构一般分为水平结构和垂直结构。
在长距离的水平结构以及垂直结构下，随着温度的升高，其内部气体的水汽以及SF6产生的分解物具有一定的运动规律。
而一般针对垂直气室结构来说，其检测组合电器内气体状态的取其口一般位于气室下方，这种设计是否能对气室内部的气体状态的真实性进行检测，是否需要对其进行优化设计，本项目构建了组合电器的L型结构，将其分为两个独立的气室，在不同运行温度下，对长气室内的水汽运行规律进行深入细致的研究，建立下方取气口微水含量与气室上方微水含量间对应关系的经验公式。
4.提出在环境温度急剧变化下组合电器的相应监测手段和防护措施。
根据重庆地区夏季天气温度高的情况，针对本地区高温天气下为防止组合电器中气体微水含量过高，在温度急剧变化情况下为防止凝露现象的发生，提出相应的监测手段，如对长距离气室的取气口进行优化设计，对长间隔进行优化布局等。
以及一些防护措施，如吸附剂的位置进行优化设计和对其剂量进行准确计算等工作。
[项目意义]
近年来，由于城市规模不断扩大，土地的使用越来越紧张，在城市中建设开放性变电站也越来越困难，因而，以六氟化硫气体为灭弧介质的气体绝缘组合电器（GasInsulatedSwitchgear，简称GIS）为主的室内变电站成了城市供电的主要形式。
纯净的SF6是一种无色、无臭、无毒、化学性能稳定、不会燃烧的气体。
在电气性质上具有绝缘性能良好、无火灾危险、灭弧性能好等诸多优点。
因此随着电力行业的迅猛发展，以SF6气体为灭弧介质的GIS设备有了非常广泛的应用。
但是如果气室中SF6气体中含水量过多，就会对设备运行及维护产生危害，因此，必须严格控制气室中SF6气体的含水量。
气室中SF6的含水量过多时，产生以下三个方面的危害：
（1）含水量较高时很容易在绝缘材料表面凝露，造成绝缘性能下降，严重时发生闪络击穿。
在电弧作用下生成的酸性物质具有强腐蚀性，对固体有机材料和金属有腐蚀作用，促使绝缘缺陷进一步劣化，最终易导致故障，缩短了设备寿命。
（2）含水量较高的气体在电弧作用下产生的化合物影响SF6气体的纯度，灭弧能力将会受影响。
（3）含水量较高的气体在电弧作用下生成有毒有害物质，直接威胁人体健康。
在压力一定的情况下，当温度变化时，气体中的水分会随温度变化而变化。
GIS内壁、导电杆、绝缘子等随环境温度的升高会向SF6气体中释放水分子，反之则会吸附气体中的水分子。
然而，对于封闭良好的设备，SF6气体中所含水分与设备内腔表面吸附的水分的总和几乎是不变的。
因此环境温度的升降对SF6气体的水分含量有显著的影响。
这种影响是通过水分子的扩散运动在一定时间内完成的。
只有当一定温度下的扩散达到平衡时，SF6气体中水分含量才保持相对稳定。
因此，SF6水分含量的变化滞后于引起其变化的环境温度的变化。
大量GIS故障实例表明，当环境温度缓慢降低，SF6水分被内壁材料逐渐吸收，GIS不容易出现凝露。
但是，当环境温度突然降低时，SF6中水分来不及被内壁材料吸收，出现凝露就很难避免。
2011年9月，500kV陈家桥变电站3#主变GIL连接引线对地短路造成该主变跳闸事故，正是由于某气室内SF6气体微水含量超标，导致该气室套管下端水平盆式绝缘子的触头屏蔽罩沿盆式绝缘子表面对壳体内壁（地）放电击穿，导致GIL对地短路，从而造成该主变保护跳闸。
为查找盆式绝缘子放电原因，在盆式绝缘子上取四种不同类型的样品，通过红外光谱仪对上述四种样品进行测量，并得到各自的红外谱图，如图1所示。
所取样品分别为未发生放电的绝缘子表面物，绝缘子表面发生放电痕迹处表面物，绝缘子表面黑色生成物以及绝缘子放电后脱落的粉末状物质。
图1四种样本的红外对比谱图
为便于比较分析，将放电后粉末与未放电样品的红外谱图进行对比分析，如图2所示。
可以看出，新增的波数为565.8的峰，为Fe3O4峰，有可能是绝缘子在剧烈的沿面放电过程中使屏蔽罩螺帽（主要成分为Fe）和气室内的氧气发生反应生成该物质，说明该气室中可能有氧气或者水分的超标。
图2未放电样品和放电后粉末红外对比谱图
而究其引起水分超标的主要原因，是因为故障前连日均为40℃左右的高温天气，而这种情况下，其地表温度可达到60℃左右，由于GIL由于无任何隔热措施，导致设备内温度大幅升高，则其内壁、导电杆、绝缘子等将向SF6气体中释放大量水分，而在事故前日，气温骤降，由于SF6水分含量的变化滞后于引起其变化的环境温度的变化，多余的水分不能及时被内壁材料吸收，导致SF6气体中水分饱和点降低，在事故日气温进一步下降，导致水分达到饱和状态。
当饱和状态的气体与绝缘子或导体表面接触后，SF6中水汽就易凝结在所接触的导体和绝缘子表面，产生凝露现象。
当凝露附着在盆式绝缘子表面上时，使得造成绝缘子的沿面闪络电压极大地降低，从而导致事故发生。
综上所述，环境温度的急剧变化对GIS气室内的SF6气体的含水量产生严重的影响。
由于重庆地区夏季天气炎热，在环境温度急剧升高的情况下，GIS内壁、导电杆、绝缘子会向SF6气体中释放水分子，导致SF6气体含水量不断升高，当造成其微水含量超标的情况下，GIS就运行在非常危险的状态。
与此同时，由于SF6水分含量的变化滞后于引起其变化的环境温度的变化，当此时由于天气原因，产生气温骤降，由于气体内水分不能通过充分的扩散运动，将有可能产生凝露现象，最终造成放电击穿，破坏GIS的绝缘结构，造成严重事故的发生。
所以，深入开展环境温度急剧变化对组合电器运行性能影响机理的研究，并在影响机理的基础上提出相应对策，具有重要的理论和实际意义。
[预期成果]
深入开展环境温度急剧变化对组合电器运行性能影响机理的研究，并在影响机理的基础上提出相应对策，为建立大型电气设备安全运行的实用化技术提供科学依据。
拟在以下几个方面取得预期的研究结果：
1.深入开展在温度急剧变化下GIS气室内气体微水及凝露特性研究，并提出适合重庆地区夏季温度急剧变化下的GIS防护措施，提供相关理论研究报告一份。
2.在国内外核心刊物或国际会议上发表学术论文2篇。
一、本研究项目的科技依据（包括科技意义和应用前景，国内外研究概况、水平和发展趋势；应用理论基础研究项目应阐述学术思想，立论根据，特色或创新之处，主要参考文献目录及出处；推广项目说明成果成熟程度，适用范围，以及成果的知识产权等问题）
[项目背景]
以六氟化硫（SF6）为绝缘介质的高电压电气设备以其优越性的电气性能，近年来在电力行业得到广泛的应用，如全封闭组合电器（GIS）、高压断路器等，其电压等级也从10kV发展到500kV。
六氟化硫电气设备具有运行可靠、维护量少、节省场地、能适应环境要求、抗盐污等优良特性。
常态下，SF6气体无色无味，纯净SF6气体，在运行中，受电弧放电或高温后，会分解成单体的氟、硫和氟硫化合物，电弧消失后会又化合成稳定的SF6气体。
当气体中含有水分时，出现的氟硫化合物会与水反应生成腐蚀性很强的氢氟酸、硫酸和其他毒性很强的化学物质等，危及维护人员的生命安全，对断路器的绝缘材料或金属材料造成腐蚀，使绝缘劣化，甚至发生设备爆炸。
当气温骤降时，高压设备内SF6气体过量水可能凝结在固体介质表面而发生闪络，严重时造成高压设备发生爆炸事故。
通过对全封闭组合电器SF6气体微水超标原因的分析，在安装过程中，在设备安装过程中就采取相应的预防控制措施，减少SF6气体中的水分，从而对GIS设备进行安全防护。
[应用前景]
解决环境温度急剧变化对组合电器运行性能影响机理，并提出相应的GIS设备防护措施，可以完善丰富GIS在不同状态下的运行维护理论，为实现GIS设备安全运行提供理论基础和技术支持。
开展环境温度急剧变化对组合电器运行性能影响机理及对策研究具有重要的意义，该研究可避免突发性故障导致电网大面积停电事故，提高供电可靠性。
因此，该项目在国内有着良好的推广应用前景。
该研究成果在各电力生产部门推广应用后，可进一步提高电力系统供电的可靠性，避免或减少停电事故的发生，提高设备利用率，降低不必要的大量人力资源浪费，带来巨大的社会经济效益。
本成果适用于电力行业的GIS变电站，蕴含有很高的科技价值和广阔的市场前景，在转化为高新技术产业后，可以发展和带动一些与本成果相关的高新技术企业，展示我国在电气设备在线监测及故障诊断技术领域内的科技创新能力。
[国内外研究概况]
近年来，由于城市规模不断扩大，土地的使用越来越紧张，在城市建设开放性变电站变得越来越困难，因而，以SF6气体作为绝缘介质的气体绝缘组合电器（GasInsulatedSwitchgear，简称GIS）为主的室内变电站成了城市供电的主要形式。
SF6气体是GIS的主要绝缘介质，是世界上目前最优良的绝缘介质和灭弧介质。
它不但具有高耐电强度，还有良好的理化特性。
它无色、无味、无嗅、无毒、不燃烧；在常温常压下，化学性能稳定；与传统绝缘介质相比，其绝缘性能和灭弧性能都要好得多。
我国制定了GB8905《六氟化硫电气设备中气体管理和检测导则》；原能源部制定了SD305-89和SD306-89《六氟化硫气体中水分含量测定法》。
设备中六氟化硫的水分许可含量标准见表1。
国内外现有的关于六氟化硫气体水分含量的标准规定，测量水分含量的环境温度为20℃，而现场测试时的环境温度往往高于20℃。
实验室模拟实验和现场实验结果都表明，环境温度对六氟化硫气体水分含量有显著影响，环境温度升高，六氟化硫气体水分含量上升。
因此要在较高环境温度下判断六氟化硫气体水分含量是否超标，应对环境温度与六氟化硫气体水分含量的关系进行研究。
表1SF6气体湿度允许标准
气室
有电弧分解物的气室
无电弧分解物的气室
交接验收值
≤150μL/L
≤250μL/L
运行允许值
≤300μL/L
≤500（1000）μL/L
法国工业电器实验中心的研究结果指出，SOF2、SO2F2和HF的生成量均随水分含量的增大而增大，他们的化学性能稳定，毒性很大且有腐蚀性。
绝缘表面出现凝露，会使闪络电压大大下降。
在温度骤降时，气体中混杂的水蒸汽冷凝成露水附在绝缘件表面，出现沿面放电事故。
1966年美国500kV断路器因气体中水分含量过大，在三个月内发生了5次绝缘事故。
但如果水蒸汽出现凝结的温度在0℃以下，则露水成冰，对绝缘的影响显著减小。
关于温度对微水检测的影响，通过在寒冷的冬季进行的一些微水检测中发现，某些断路器内SF6气体的微水含量比充气瓶内气体的微水含量低。
为此做了一些实验：
环温18℃时测瓶气的微水为22ppm，环温为28℃时再测此气瓶参数为36ppm。
西安交通大学的王琦等人于2005年以西北电网运行的330kV罐式断路器为模拟对象，对影响环境温度与六氟化硫气体水分含量的关系的因素进行了研究。
分别研究了六氟化硫气体压力、模拟实验的罐体大小、环境温度为20℃时六氟化硫气体的水分含量和断路器罐体内固体材料四个因素对环境温度与六氟化硫气体水分含量的关系的影响。
试验结果表明，前两个因素对环境温度与六氟化硫气体水分含量的关系几乎没有影响，而后两个因素影响较为显著。
哈尔滨电业局试验所的季东魁指出，在测试SF6电器微水含量时，应注意环境温度的影响。
在规程和试验方法中应规定测试时环境温度的范围，或者通过科学实验制定出环境温度变化时的校正方法。
黑龙江省电力科学研究院的李国兴分析了SF6电气设备中气体湿度受运行环境温度影响所遵循的变化规律，得到了SF6电气设备内气体湿度受运行环境温度影响所遵循的变化公式，并通过现场实验得到了验证。
大庆石化公司的李显志提出了六氟化硫气体中的水分对组合电器影响及控制措施。
总之，在目前国内外的研究中，针对环境温度对GIS设备内气体微水含量的影响有一定的研究，但主要集中在不同温度情况下对其微水含量的影响特性而在环境温度急剧变化情况下，气体微水及凝露特性的相关研究较少，特别是针对重庆地区，夏季天气炎热，处于长期高温天气的情况下对于GIS设备内气体含水量的控制，以及温度骤降，导致GIS内气体水分不能及时被设备内壁吸收，造成凝露现象，危机设备安全运行的情况研究较少。
二、研究、推广应用内容和预期成果（说明项目的具体研究、推广内容、技术关键和重点解决的技术问题，预计达到的技术经济指标，预期成果和提供的形式及其依托工程，应用该成果的单位落实情况和可能应用的其它工程或单位及效益。
[项目内容]
深入开展环境温度急剧变化对组合电器运行性能影响机理的研究，并在影响机理的基础上提出相应对策，为建立大型电气设备安全运行的实用化技术提供科学依据。
主要从以下几个方面开展研究工作：
1.吸附剂对组合电器内微水含量的影响规律
在SF6气室内放置适量的吸附剂，可以减少气室内微水含量，从而保证设备运行安全。
吸附剂的种类主要有活性炭、活性氧化铝以及分子筛。
然而实际工程中通常是取SF6气体重量的10%-15%的数量作为吸附剂的用量。
为对以上几种吸附剂进行深入分析，研究其吸附剂类型、放置重量以及放置位置等因素对组合电器内微水含量的影响规律是非常有必要的。
2.组合电器在温度急剧变化时气体微水含量及凝露特性研究。
SF6气体中微水含量过多将对组合电器运行及维护产生严重影响。
研究在不同高温天气下的组合电器中SF6气体中水分含量的变化，构建气体微水含量在温度急剧变化下的特性曲线。
同时研究在环境温度急剧变化下的组合电器中SF6气体中水分凝露的特性，通过仿真与实验研究，构建气体凝露在温度急剧变化下的特性曲线。
3.组合电器在高温下的水汽运动规律研究。
组合电器设备由于是分割为若干个独立气室，其气室结构一般分为水平结构和垂直结构。
在长距离的水平结构以及垂直结构下，随着温度的升高，其内部气体的水汽以及SF6产生的分解物具有一定的运动规律。
而一般针对垂直气室结构来说，其检测组合电器内气体状态的取其口一般位于气室下方，这种设计是否能对气室内部的气体状态的真实性进行检测，是否需要对其进行优化设计，本项目构建了组合电器的L型结构，将其分为两个独立的气室，在不同运行温度下，对长气室内的水汽运行规律进行深入细致的研究，建立下方取气口微水含量与气室上方微水含量间对应关系的经验公式。
4.提出在环境温度急剧变化下组合电器的相应监测手段和防护措施。
根据重庆地区夏季天气温度高的情况，针对本地区高温天气下为防止组合电器中气体微水含量过高，在温度急剧变化情况下为防止凝露现象的发生，提出相应的监测手段，如对长距离气室的取气口进行优化设计，对长间隔进行优化布局等。
以及一些防护措施，如吸附剂的位置进行优化设计和对其剂量进行准确计算等工作。
[技术关键]
为顺利完成本项目，须解决以下技术难题：
1.解决模拟GIS运行的装置
由于GIS内部结构复杂，包括电压互感器、电流互感器、母线、接地开关、隔离开关、断路器、连接管及过渡元件等一系列电气设备。
在此复杂结构下，不利于对其进行仿真与实验研究，故需要对复杂的GIS设备进行简化及等效处理。
如何对其进行简化，使其即能够满足GIS原理要求，又能方便地对其环境温度进行控制是非常重要的。
2.解决对GIS的环境温度控制与调节
对于本项目，在不用环境温度下，进行对GIS运行性能影响机理的研究，必须对GIS的环境温度进行严格的控制，并能对其在20~80℃之间进行平滑调节。
而且由于GIS设备较为庞大，需要较为宽广的空间放置，故如何控制环境温度是本项目的一大难题。
[技术经济指标]
以110kV的GIS变电站为例，在开展环境温度急剧变化对组合电器运行性能影响机理的研究后，实现GIS设备在线监测后，将产生以下效益：
①因减少绝缘预防性试验，每年可节省人工费用y1=30万元。
②因减少机械台班，每年可节省人工费用y2=2万元。
③因减少停电带来的增收为y3，按每年减少X天主变压器（或其它被监测设备）停电时间计算，主变容量为W，电价为P元/度，则，折合增收电费:
y3=X*24*W*P=3×24×（120×103）×0.5=432万元。
④总直接效益y=y1+y2+y3=30+2+432=464万元。
三、拟采取的研究方法和技术路线
[研究方法]
深入开展在环境温度急剧变化对组合电器运行性能影响机理的研究，通过仿真与实验相结合，将绝缘气体各项指标均合格的、充至额定气体压力的GIS模拟装置放置于人工环境实验室内，模拟夏季高温天气情况下的设备内部气体微水含量，对不同高温下的微水含量进行测试与对比分析，构建起特征曲线。
并调节环境温度，进行大量实验，通过技术手段观察内部凝露的特点，研究其在温度急剧变化情况下的凝露特性。
同时，在不同位置设置取其口，研究不同取其口位置处的微水含量检测数据的差异，对取气口进行优化设计。
在L型结构的两个气室内研究气室内水分的运动规律，根据所研究的影响机理，提出相应的预防事故措施，从而有效提高GIS设备的安全、可靠、稳定运行水平。
[技术路线]
本项目拟采用如图3所示的试验接线进行实验。
GIS罐体采用L型结构，分割为垂直与水平两个气室，在垂直气室与水平气室各设置三个取气口，气室内不放入任何固体材料，调节环境温度为20℃时记录SF6气体的水分含量。
向GIS罐体中分别充入六氟化硫气体至表压为0MPa。
改变环境温度，使之从20℃缓慢均匀变化到80℃，记录从这六个取气口所检测到的SF6气体水分含量变化的情况，并通过露点仪采集凝露特征值。
图3模拟实验装置示意图
本项目使用的关键设备之一是如图4所示的可脱卸式柔性加热套。
其采用耐热高低温、防火保温材料制成；是目前一些高档管道、设备保温材料，广泛应用于石油化工、化学工程、纺织、冶金、电力、建筑等领域的热力设备和各种管道、暖通空调及制冷装置，其剖面图如图5所示，分为加热层、内衬、中间保温层、外保护层四层组成，通过在加热层内设置温度传感器、热敏保护装置通过信号线连接至电路控制箱上的温控器来控制加热套的工作温度，其温度可达到-20℃~500℃的范围内。
采用加热套调节环境温度，将加热套包裹于GIS罐体模型上，充入SF6气体，调节加热套温度，记录水分含量情况。
图4加热套实物图
图5加热套剖面图
为研究温度急剧变化下的GIS设备凝露特性，固定起始温度为80℃、60℃两个档次，然后分别以每分钟1℃、2℃、3℃、4℃的频率对加热套温度进行调节，使温度急剧下降，在温度下降的过程中记录水分含量变化，同时直到产生凝露为止，记录此时的凝露值及相应的水分含量。
为研究吸附剂含量对其水分特性的影响，本项目采用了活性氧化铝及分子筛两种吸附剂类型。
添加不同剂量的吸附剂，分别置于取气口1~取气口6的位置，调节环境温度，记录在不同吸附剂类型及含量下的微水量及凝露点。
分析活性氧化铝及分子筛两种吸附剂不同剂量置于不同位置时对各取气口水分含量的影响，从而为实际工程中吸附剂类型及剂量的选择提供科学依据，为优化吸附剂放置位置提供决策。
四、工作总体安排和年度进度
序号
时间段
内容
1
2013.01~2013.03
分析真实GIS内部结构，对GIS装置进行简化设计，构造便于采集GIS内部气室SF6气体含水量以及观察其凝露现象的装置作为GIS绝缘缺陷模型，并对实验装置进行调试。
2
2013.03~2013.06
在标准大气压下，充入SF6气体，利用加热套调节GIS绝缘缺陷模型的环境温度，在20~80℃之间选取5个温度点对GIS内的气体微水含量进行监测，记录实验数据，分析高温下GIS设备内的水分含量特性。
3
2013.06~2013.08
设置一定的高温温度，在一定时间内降低温度，研究气室内含水量的变化规律，观测其凝露点与凝露时间，从而对温度急剧变化下的凝露特性进行研究
4
2013.08~2013.10
结合已研究的不同高温温度下的气室微水含量以及温度急剧变化下的微水特性及凝露特性，提出在该情况下的GIS设备安全预防措施。
5
2013.10~2013.12
总结研究成果，结题。
6
7
8
9
五、实现本项目预期目标已具备的条件（包括过去的研究工作基础，现有的主要仪器设备、研究技术人员及协作条件，从其它渠道已得到、已申请或申请的经费情况及金额等）
[项目负责人]
熊浩，
[已具备的条件]
重庆市电力公司检修分公司具有长期从事GIS/GIL运行维护的相关经验，项目组成员包括了从事仪器、化学等专业的专家和技术人员，具有较强的理论和实践能力，能够满足开展本项目试验的要求。
重庆大学电气工程学院参与完成了“GIS绝缘缺陷诱发突发性故障与绝缘状况评判的基础研究”国家自然科学基金项目、“组合电器中混合绝缘缺陷局部放电机理及模式识别研究”国家自然科学基金项目、“用复小波（包）提取GIS复杂电场中局部放电信号研究”国家自然科学基金项目、“电气设备内绝缘故障机理与特征信息提取及安全评估的基础研究”“973”计划前期研究专项，取得了具有实用价值的研究成果，同时是借助国家重点实验室研究平台，具有较强的科研实力。
六、研究项目组成人员情况
序号
姓名
年
龄
职务
职称
专业
升级会员 