GIS局部放電故障診斷研究

閆 杰，王天正

（山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原030001）

0 引 言

隨著電力體制改革不斷深入，電力系統內部設備不斷更新。GIS設備因其體積小、可靠性高等優點，被廣泛應用于電力系統中。但是GIS一旦發生事故，修復時間長，對電力系統危害極大。因此，必須要對GIS故障進行診斷，局部放電檢測是一個較為有效的方法。該方法已經成為有關行業的重要研究對象。

1 GIS設備的應用

隨著經濟的發展、社會的進步，人們對電力供應的質量以及可靠性要求不斷提高。在這種形勢下眾多先進的技術以及設備被廣泛應用于電力系統中，包括GIS設備。GIS設備即SF6全封閉組合電器，它是20世紀70年代初期出現的一種先進的高壓電氣配電裝置，國際上稱為Gas Isolated Switcher，簡稱GIS。GIS設備中存在SF6氣體，該氣體穩定性非常高。在設備運行中通過提高該氣體的壓力來確保自身的絕緣性能，從而使得GIS設備的絕緣性能非常好。GIS設備比傳統絕緣開關占地面積小，受外界環境污染影響小，具有較高的可靠性。總之，其具有良好的絕緣性能和高可靠性，能夠保障操作人員的人身安全。

但是，GIS設備也具有一定的缺陷，主要表現在：GIS設備的內部絕緣距離短，長期處于高強度電場下運行，極易發生故障。其屬于全封閉組合設備，發生故障后造成的影響程度深，對電力系統以及人們的用電帶來嚴重的損害。因此，為了充分利用該設備的優勢，使得其更好地服務于電力系統，必須重視GIS設備的生產以及安裝流程，對其進行必要的檢測。此外，由于GIS設備容易發生局部放電現象，會對絕緣材料產生侵蝕，其產生的熱力等還會分解絕緣材料，造成材料的損壞。因此，必須針對局部放電開展必要的檢測。

2 GIS局部放電故障檢測

2.1 局部放電

局部放電是放電現象的一種，是電氣設備中發生的沒有貫穿整個絕緣材料，而是產生于局部的放電，其產生原因主要是由GIS設備局部電場過強造成的。一般地，依據產生原因可以把局部放電簡單地分為內局部放電和外局部放電。內局部放電主要包括氣體中的放電、固體絕緣材料中的放電、液體中的放電；外局部放電包括輝光放電、電暈放電、脈沖放電等。局部放電類型見圖1。關于內部局放的氣體放電，該氣體主要存在于GIS設備固體絕緣材料內部。內部氣體局放是一個綜合的過程，其主要原理是：GIS設備在運行中，由于外部電離、陰極放射等原因會造成設備內部產生原始自由電子，并且這些電子會在電場中高速運轉，容易與其他的分子產生碰撞，從而使得自由電子的數量急劇增加，設備內部電場的強度也急劇增加，當到達一個界限之后，則會產生電子崩現象。這種現象極易造成設備內部絕緣距離被擊穿。GIS設備內部的氣體局放就由此產生。此外，由于該設備中SF6氣體的特性，導致電子崩現象極易發生。因為SF6氣體屬于電負性氣體，在這些具有強絕緣性能的氣體之中，自由電子與氣體分子相結合，導致電場強度持續增加，當強度達到界限值后，設備中氣體的電極間就會發生電子崩現象，此時一旦形成導電通道，則會使得設備中的整個絕緣距離被擊穿。

圖1 局部放電類型

2.2 局部放電故障檢測

局部放電在各電氣設備中均有可能發生，是一種非常普遍的現象。為了確保GIS設備的運行可靠性，必須要對其進行必要的檢測。這就涉及到局部放電檢測技術。GIS局部放電故障檢測起源于20世紀60年代，發展至今已經較為成熟。這種技術是高壓檢測技術一個主要的組成部分，屬于無破壞性的檢測。GIS局部放電故障診斷主要是基于局放產生能量的檢測，通常設備中局部放電現象作用于絕緣材料時，會呈現集中性的特征，而局部放電故障檢測技術正是利用此特征來判斷GIS設備是否存在局部放電，從而為采取必要的措施提供依據。

3 GIS局部放電故障診斷技術

3.1 化學檢測法

該方法又稱氣體分析法，其原理是基于分析局部放電量與GIS內發生局部放電時產生的SF4、S0FZ、HF、SO2等分解氣體量之間的關系。過去，本方法要用氣相識譜儀等對分解氣體進行精密分析，其特點是抗電氣干擾、抗振動干擾性能較優、安裝方便，但檢測靈敏度欠佳。

3.2 超高頻檢測法（UHF法）

超高頻監測法的基本原理是：GIS發生絕緣故障的原因是其內部電場的畸變，往往伴隨著局部放電現象，產生脈沖電流，電流脈沖上升時間及持續時間僅為納秒（ns）級。該電流脈沖將激發出高頻電磁波，其主要頻段為0.3～3GHz。該電磁波可以從GIS上的盤式絕緣子處泄露出來，采用超高頻傳感器（頻段為0.3～3GHz）測量絕緣縫隙處的電磁波，然后根據接收的信號強度來分析局部放電的嚴重程度。這種方法的優點：可以帶電測量，測量方法不改變設備的運行方式；并且可以實現在線連續監測，可有效地抑制背景噪聲，如空氣電暈等產生的電磁干擾頻率一般較低，超高頻方法可對其進行有效抑制。抗干擾能力強。但是利用這種方法只能知道發生了故障，不能對發生故障的點進行準確的定位。

4 UHF局部放電故障診斷系統應用

通過對以上檢測方法的研究，綜合檢測實例，發現超高頻監測是GIS局部放電檢測較為理想的方法。本文結合實踐以及相關分析，采用一套UHF局放檢測系統作為GIS設備局放故障診斷設備。

4.1 系統設備

該系統由SF6氣體絕緣設備、GIS設備中的傳感器、光纖通信設備、中央處理單元、操作單元等設備組成。試驗在某真實GIS中進行，被試設備中裝有5個局放傳感器，如圖2。

圖2 局放檢測系統

試驗用測試變壓器可以使試驗電壓在0～500 kV范圍內變化且自身沒有局部放電。保護電阻安裝在測試變壓器和GIS的導體之間。試驗在不同的SF6氣壓下進行。

4.2 故障診斷

本次試驗目的是得到一套在GIS中不同故障下的局部放電特征圖譜，從而建立GIS中各種缺陷類型的局部放電數據庫。通過各種圖譜的比較，選擇了試驗結果以振幅相位發生率圖（PRPD）（圖1）和短時趨勢圖（STT）兩種圖譜來建立局放特征數據庫。PRPD圖和STT圖較好地表示出典型故障的特點，為故障類型的識別打下了基礎。在測試容器中模擬GIS設備中常見的故障類型：懸浮電位電極（Fp）、高壓側尖端（Ht）、高壓側鈍體（Hb）、粘貼在絕緣體上的顆粒（Pi）、絕緣體上的移動顆粒（Mi）等，。通過系統的檢測，能夠直接轉換為可視化的圖形，為GIS局部放電的故障診斷提供依據。

圖3 局部放電PRPD圖

4.3 系統評價

檢測系統可以通過處理得到兩種圖譜：局放發生率對振幅和相位的分布圖（PRPD）、振幅和局放發生率分布的短時圖。這兩種圖譜可以為故障診斷提供了可視化的實物，檢測人員能夠通過這些圖譜對故障類型進行分析，掌握GIS局部放電情況，采取必要措施處理不合格的GIS設備，從而保障GIS的絕緣性能，提高電力系統的安全可靠性。

5 結束語

局部放電故障診斷是檢查GIS設備缺陷的有效方法，是介質絕緣試驗的有益補充。局部放電故障診斷現已成為制造行業控制絕緣質量的有效措施和電力系統保證自身安全運行的重要手段。有關部門必須予以重視，并從實際出發，科學、有效地對GIS設備進行局部放電故障診斷。

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