基于GIS 局部放電及震動聲音運行工況的探討探究

張 峰,黎永豪,蔣 維

（廣東電網公司佛山供電局,廣東佛山,528200）

1 概述

氣體絕緣金屬封閉開關設備（GasInsulatedSwitchgear）被稱之為GIS，因為他的結構是全封閉的，一般情況下不受外界環境的影響，其運行的可靠性較高，安裝速度也比較方便快捷，并且其運行的費用比較低，同時它所占使用面積較小，這完全符合城市規劃的審美要求。但是， GIS 設備的內部結構相對較為復雜，并且由于GIS 管理人員對GIS 的工作原理掌握不牢，對運行維護的經驗不夠豐富，在發生故障時候，不能及時對GIS 設備的故障進行準確定位，也很難做到正確的處理故障，這將導致GIS 設備故障逐漸擴大，從而降低GIS 設備運行的可靠性以及安全性。對電網帶來了隱患。一些運行中設備異常聲音及通過檢測儀器檢查的數據尤其值得大家去分析和探討，從而對設備進行正確的診斷，有效預防電力事故的發生。

2 GIS 設備局部放電常用檢測方法

當GIS 電氣設備產生局部放電故障時，很可能會引起GIS 氣室外SF6 絕緣氣體發生氣體分解并且伴隨發光現象，這種現象的產生是在強烈熱效應以及電流較大情況所導致的。因此，局部放電所引起的物理變化以及化學變化的各種特征以及產生的物質，都是作為GIS 局部放電故障檢測的信號來源，通過這些現象及所產生物質可以判斷局部放電的多種特征因素，即通過GIS 局部放電的現象來有效的檢測設備故障時候所產生的異常特征值，這樣就可以準確定位故障點及故障狀態。以前在電力系統的GIS 設備的定期點檢和特殊檢查的工作中，由于缺乏有效可靠的檢測措施及方法，造成設備存在安全隱患。隨著科技的進步，先進的GIS 局放檢測技術得以日益發展，常用的有以下幾種方法：X 光檢測技術、超高頻檢測法、紅外測溫技術、超聲波檢測技術等。而應用最廣泛的檢測技術是X 光檢測技術及超高頻檢測法。

2.1 X 光檢測技術的應用

X 射線成像的原理與醫院、機場等地方所見到的CT、安檢系統射線檢測的工作原理是相同的。在穿透物體的過程中X 射線與物質產生相互作用，通過吸收和散射的強度變化，感光材料能夠接收到這種變化的信號后，上傳至信號處理系統，經處理后形成影像。

一般情況下，用于GIS 檢測的一套完整的檢測系統包括：射線源、感光板、CR 掃描系統、成像顯示系統、現場移動支架、移動工作站等。X 光檢測技術可以應用于檢測GIS 設備局部放電的檢測中，GIS 設備的局部放電故障主要現象是內部結構發生變形或者嚴重損壞，同時由于物理變化和化學變化伴隨一些異常物質產生，如：零件松動脫落、動、靜觸頭發生變形、部件燒損、絕緣拉桿爆裂等現象。由于X 射線成像技術方便快捷、成像質量相當高、成像效果直觀等優點，為此這成為了斷定GIS 設備內部局部放電故障的有效方法，通過X 射線技術便可以很快斷定故障位置及原因。

2.2 超高頻檢測技術的應用

由于GIS 設備內部絕緣體出現故障時，通常會伴隨局部放電現象的產生，為此，通過對局部放電檢測便可以有效檢測出GIS設備發生的故障類型。GIS 設備結構一般具有性能較高的波導體特性，UHF（超高頻電信號）能夠在這些導體進行傳播。為此，我們可以采用超高頻局部放電檢測技術對GIS 故障進行檢測。如果GIS 設備的內部結構中不存在任何故障阻隔情況下，電信號的衰減相對很小，但是如果電信號在通過受阻部位的時候，比如遇到絕緣子、套管轉角等電信號就會很快衰減。當超高頻電信號在通過絕緣子的過程中，它的電信號一般衰減3-6dB。所以，可以通過電信號衰減的成都來準確判斷出GIS 設備局部放電所發生的具體位置。局部放電超高頻檢測法，在故障檢測故障過程中，由于檢測的是高頻信號，而其他干擾信號頻率相對較低，這樣便可以有效避開其他低頻信號的干擾，這樣便可以提高局部放電檢測可靠性以及故障定位的準確性，這種方法是目前國內外比較普遍的檢測方法，并且一些變電站在GIS 設備關鍵部件中已安裝了超高頻局部放電檢測系統，并且這種系統處于實時在線檢測狀態，通過這種方法來確保GIS 設備運行的安全性和可靠性。

3 GIS 局部放電電磁仿真和超高頻檢測對比分析局放形態

在使用SF6 氣體絕緣的GIS 設備中，局部放電發生的時候，信號脈沖持續時間相當短，波長僅僅為幾個ns。通常情況下，為了簡化故障分析，我們把局部放電產生的電流看成是對稱的脈沖，通常用如下的Gaussian 形狀的脈沖模型來展示，本文中仿真所用的局部放電源脈沖的峰值電流為30mA，脈沖寬度為5ns。

可以得出，GIS 設備局部放電產生的電流信號頻段比較寬，通過對252KV 的GIS 設備內部高壓導體上的φ0.05×lcm 固定突起部件發生局部放電來進行模擬試驗，GIS 設備內部高壓導體外直徑為10.2cm，外殼內直徑為29.4cm，長度為4m。模擬中采用1×l×lcm 網格來進行分析，邊界采用與之匹配層(PML)材料進行吸收，在計算過程中選取絕緣子相對介電常數取為3.9。采用IMST Empire 電磁仿真軟件來分別GIS 發生局部放電過程中內部內部1 和外部2(距離GIS 外殼絕緣縫隙10cm)處的信號進行模擬仿真。仿真圖譜以及實測圖譜如圖1 所示。

圖1 仿真圖譜與實測圖譜

通過左側仿真圖譜（a）和（b）以及右側實測圖譜，仿真結果說明了在GIS 設備內部發生局部放電過程中，局部放電脈沖能夠激發上升沿的信號比較陡峭，但是因為設備其內部是不連續波導結構，電磁波在設備內部會引起反射同時會產生復雜諧振現象，頻段成分最高能夠達到數GHz。其次，通過比較內部內部1 和外部外部2 處的結果，內部1 處的電信號的幅值是外部外部2 處的2倍，這表明電信號能夠從絕緣縫隙中泄漏，但是由于受到絕緣子以及縫隙的影響，信號的幅值會有明顯衰減現象，同時由于信號在絕緣縫隙中會發生折射和散射現象，致使外部信號比內部信號要復雜很多。

通過仿真結果得出局部放電頻段比較寬，能夠大道數GHz，信號成分也比較為多，并且以為局部放電的信號比較弱，同時高頻信號在傳播過程中受到很大的衰減，為此在測試系統中需要選用增益大于20dB 的寬帶放大器來對電信號進行放大處理。外部2 處于空氣中，通過實驗對空氣中的局部放電產生的高頻信號衰減特性進行研究分析，可以得出該高頻檢測系統的有效檢測范圍大約為17 米。在外部2 處的檢測結果可以通過檢測工具直觀顯示，將仿真結果與實際檢測圖譜進行比對，可以得出仿真所得出的結果與實測所得的結果基本是一致的。這就說明了超高頻局部放電檢測方法是一種比較有效的GIS 設備局部放電檢測方法。

4 案例綜合分析

4.1 案例一：某企業110kV 高壓斷路器在運行過程中，出現聲音增大現象，為此，對其進行故障排查，進行了超聲波檢測。

測試過程如下：首先在測試斷路器A 相機構連桿處電壓，其測量值為約500mV；其次測量A 相下法蘭處，其測量值為：RMS=100mV；peak=700mV，F1=20mV；F2=60mV；BNC 輸入值等于40db，背景噪聲值為1.5mV。濾波器低端頻率為10kHz；高端頻率100kHz；改變測試參數，采用50kHz 時進行測試，其測量值稍微偏低。

相位測量主要范圍是50Hz-100Hz，從相關來看，100Hz 的比例大于50Hz 的比例，這表明GIS 內部發生了較嚴重的放電，或者存在屏蔽環松動開路現象。從濾波器的頻段相應變化情況分析，50kHz 和100kHz 頻段，他的幅值沒有太大變化，這說明放電位置與導電體接近。從測試點的分布位置來分析，放電衰減的范圍分布面積相對較大，這與導電體放電的傳播特征相符合。這種放電過程是間歇式放電，間隔時間是20 至50 秒，放電持續時間為30到90 秒左右。

停電后對其進行解體并認真檢修，此時發現斷路器上部的瓷套法蘭內部CT 引線的絕緣均壓固定環存在松動現象，這便導致了局部放電現象的發生，并且絕緣部位已經出現比較嚴重電蝕磨損現象。采取更換新絕緣均壓固定環的措施，并對其進行跟蹤測試一定時間，沒有發現異常現象。

4.2 案例二：某站發現GIS 內腔存在異響，在進行GIS 異響檢查性測試，現場可聽聲音判斷GIS 的異響為#1 主變變高101間隔。

4.2.1 現場應用超高頻、超聲波局放測試

使用PDM1000 的超高頻法和超聲測試法進，以及對該GIS 間隔局放測試,其中盆式絕緣子處采用超高頻法測試，GIS 外殼處采用超聲波法測試。兩種測試方法得出的圖譜圖圖2 所示。

圖2 超高頻測試法以及超聲波測試法

對比兩種測試方法得出以下結論：

1）由超高頻圖譜來看由于信號幅值均小于-70dbm，從相位圖沒有看出明顯的放電特征；

2）由超聲圖譜來看由于信號幅值均小于35db，從相位圖沒有看出明顯的放電特征。

通過以上可以得出試驗結論，本次試驗分別用PDM1000 的超聲模式、超高頻模式以及使用PD check 電纜出線處采用高頻脈沖電流法測試試系統對主變變高101 間隔進行了局放測試，均沒有發現局部放電信號；同時，試驗人員還進行了氣體分解物的測量，各類分解物數值均無異常。GIS 外殼表面沒有明顯的發熱現象，可能因為變高101 開關間隔的1011 刀閘連桿部位出現震動情況，當時變高101 開關負荷電流為(A 相：13.6A，B 相12.8A，C 相12.8A)，負荷低，試驗人員初步估計該震動與負荷無關。最終對GIS 設備進行開腔檢查，發現在導向導體的均壓環安裝間隙過大，在運行過程中因電動力作用產出周期性的震動。經調整后恢復正常。

5 結束語

在變電站中，GIS 是其中很重要的設備，已經有很多年的使用歷史，它在設計制造以及安裝調試等方面也取得了巨大的技術性革新。在變電站的GIS 設備使用過程中，需要把實際的使用情況在結合，采取一套比較完善的、系統的GIS 設備使用維護制度，提高對GIS 安裝調試及日常維護過程中所需要的各種技術質量的監督，對GIS 各個關鍵部件進行日常點檢，這樣才能夠及時的發現GIS 存在的質量問題和安全隱患，才能夠采取有效措施對其進行處理，消除故障擴大的可能性，從而確保變電站GIS 設備運行的安全性、可靠性以及穩定性。

[1] 張舵.科技資訊北京.北京國際科技服務中心.2006 年第36 期

[2] 王國來.硅谷網.《變電站室外GIS 故障原因及處理措施 》.北京：中國科學技術協會和中國科技新聞學會 2012年第7 期。

[3] 閆斌，何喜梅，吳童生，王志惠.中國電力.《GIS 設備X 射線可視化檢測技術》，青海：青海電力科學實驗研究院.2010,第7 期。

[4] 《超聲波測定工藝在GIS 設施問題診斷中的效用研討》.中國超聲波網：2011 年7 月16 日。