淺談GIS變電站絕緣保護問題

摘 要：隨著GIS變電站的廣泛應用，GIS電氣設備不斷普及，其絕緣問題也逐漸受到重視。優化變電站結構設計和安裝細節，可有效地提高GIS變電站的絕緣強度，從而保證GIS變電站安全穩定運行。

關鍵詞：GIS變電站，結構設計，安裝細節

中圖分類號：TM452 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 24-0000-02

一、GIS的概述和技術簡介

近年來，電力工程建設如火如荼，速度不斷加快，變電站數量快速增加，而變電站的征地難度卻越來越大。在經濟相對發達地區，變電站的位置基本上規劃在偏遠山區或山坡位置，加上變電技術的發展，設備越來越先進，變電站面積越來越小。此時GIS孕育而生，它滿足了現代變電站的大多需求。

GIS全部或部分采用氣體而不采用處于大氣壓下的空氣作為絕緣質的金屬封閉開關設備。GIS采用的是絕緣性能和滅弧性能優異的六氟化硫氣體作為絕緣和滅弧介質，并將所有高壓電器元件密封在接地金屬筒中，GIS具有占地面積小、元件全部密封不受環境干擾、運行可靠性高、運行因此與傳統敞開式配電裝置相比較為方便、檢修周期長、維護工作量小、安裝迅速、運行費用低、無電磁干擾等優點。

擁有優良電氣特性的GIS，主要是由于采用了具有優異的絕緣性能和滅弧能力的絕緣介質SF6，而影響SF6氣體間隙電場強度的主要因素有以下幾個。

（1）電場的均勻度與氣壓。在均勻電場中，SF6氣體的絕緣性能十分優良，在一定的氣壓范圍內，SF6氣體間隙的放電特性符合巴申定律。在均勻電場中，SF6氣體臨界擊穿場強E與氣壓p的壁紙E/p約為88.5KV/mm ·MPα，而空氣中約為29.4 KV/mm ·MPα。可見，在均勻電場中，SF6氣體間隙的擊穿場強大約是同等空氣間隙的2.5 3倍。3個大氣壓的SF6的耐電強度相當于變壓器油的耐電強度。但是隨著電場不均勻程度的提高，SF6氣體間隙擊穿電壓與空氣間隙擊穿電壓的差值逐漸縮小。SF6的擊穿電壓隨著氣壓的增加也會趨于飽和。當壓力增大到約3MPa以上時，擊穿電壓已達到飽和，壓力再增加擊穿電壓也不會再增加，在實際GIS中一般采用0.5MPa左右的氣壓。

（2）局部放電。在均勻電場中，SF6氣體間隙的局部放電其實電壓與間隙擊穿電壓很接近，而相同條件下空氣間隙的局部放電起始電壓比間隙擊穿電壓低很多。根據這一特點，在設計GIS絕緣結構時，應使試驗電壓下的最大場強值低于局部放電起始電壓。

（3）電極表面狀態。在SF6氣體中，電極電暈起始電壓主要受電極表面狀態（形狀和表面粗糙度）的影響，受電極距離的影響次之。電極表面粗糙度值得增大和凸起部分曲率半徑的減小均會導致間隙擊穿電壓的降低。此外，導電微粒附著在電極表面相當于增大了電極表面粗糙度值，也會導致擊穿電壓的降低。

二、GIS變電站絕緣結構簡介

分析上述影響SF6氣體間隙場強的因素，可從GIS絕緣結構設計和安裝工藝來提高GIS的絕緣性能。GIS設備絕緣介質是SF6氣體，因此GIS設備絕緣的擊穿電壓與電場的均勻程度、極性、間隙距離、氣體的壓力諸因素有關。在加大極間距離、提高工作電壓的同時，要盡量使其電場均勻，一般為稍不均勻場。因此在設計GIS設備的絕緣時，帶電體與外殼之間使用同軸圓柱體的結構。即稍不均勻電場結構。在GIS中，SF6絕緣結構大致可分為以下幾種類型：

（1）SF6氣體間隙絕緣：這是GIS中的主要絕緣結構，要求電場盡可能均勻，可采用同軸結構，所有轉角處，都要呈弧形，不能有棱角。為了達到電場盡量均勻和擊穿電壓最高這一目的，可選擇外殼直徑與帶電體直徑之比e=2.718倍的設計。

（2）SF6一固體介質絕緣：在GIS中，為固定高壓導體需要采用的絕緣支持物。要注意固體介質對電場的影響，避免固體介質表面的沿面放電。

（3）出線絕緣：指GIS設備高壓引線出線的絕緣。高壓導體與接地外殼之間用SF6作為絕緣介質，并用瓷套將SF6與其他介質隔離。

（4）SF6一薄膜絕緣組合：主要用于SF6絕緣的變壓器和互感器中，作為導線的匝間和層間絕緣。

三、安裝時注意事項

然而在GIS建設過程中，人們往往只重視GIS的設計和制造的重要性，卻忽略了GIS在安裝時的一些細節也是極為重要的。從GIS設備工作原理分析可知，GIS的清潔度、密封性和含水量都很大程度決定了它的絕緣性能。

（1）保證GIS安裝和現場安裝中的清潔度。大量的實踐表明，GIS的清潔對于GIS的安全運行起著極為重要的作用。因此，加強GIS安裝環境清潔是GIS安裝現場重要環節。國內的安裝現場的場地情況較差，應在安裝時灑水打掃干凈，待空氣靜止48h后方可進行安裝。由于產品在加工過程難免會產生表面毛刺和碎屑，而這會在GIS運行過程中發生放電。因此要特別注意儀器設備、線路的光滑程度，避免留下清潔死角。另一方面在安裝前要求廠家人員增加清潔的新手段，盡量把空心體內部死角的殘留物清理出來，或者對安裝前的導體做類似局部放電試驗以檢查出殘留的鋁屑和金屬絲，降低尖端放電的可能性。

（2）密封性檢查。GIS設備的密封性是保證設備高效率安全運行的重要環節。SIS使用O形圈和氣體密封膠實現SF6氣體與大氣隔絕的，要結合經常檢查SF6壓力表讀數來作為密封性的檢查。氣密性積累時間通常取24h較為方便。密封主要取決于殼體焊接質量，其次是密封圈的制造、安裝調整狀況。運行人員應檢查并確認沒有刻傷痕跡和灰塵。按照O形圈的壓縮量（應小于20%）和修整的圓度；在清理罐體密封面的密封槽時，要用細砂紙，法蘭邊緣可以用銼刀、砂紙修磨。要可靠的放置規定尺寸和材料的O形圈，確保O形圈不被擠出。運行人員在確認法蘭面無任何清洗溶劑的沉淀物，O形圈及密封槽清潔無損傷后應監督廠家專業人員在外部空氣側的整個法蘭面上薄薄地涂敷一層氣體密封膠，用以阻止將來運行中雨水的侵入和防銹。

（3）SF6氣體中水分造成的危害一方面是高溫下發生化學反應產生HFn等腐蝕性的劇毒物，另一方面使絕緣件表面出現凝露降低絕緣性能，產生放電。固體絕緣介質表面吸附水膜時會使沿面電壓分布不均勻，降低了閃絡電壓容易發生電擊穿，而且腐蝕后使介質表面粗糙，也會使電場分布畸變，也會使得閃絡電壓降低，在高壓時易發生凝露現象，表現更為明顯。GIS設備充氣前抽真空是控制SF6含水量的重要保證措施，它不僅能減少SF6氣體本身的水分，也減少了罐內其他物質（絕緣體、密封體等）內所含的水分，一般要求在充氣之前真空度應達到133Pa（即lmmHg）還應繼續抽真空1小時以上，以便使有機絕緣材料零部件中的水分有足夠的時間排出。如果將SF6露點的允許值控制在較低值，則在溫度變化時絕緣體表面凝結的不是水而是冰晶，它對絕緣性能幾乎沒有影響。通常充入GIS的新氣體在額定密度下其露點不應超過-5℃。

四、絕緣故障及其處理

當GIS設備出現氣體泄漏事故時，外部的水氣會向室內滲透，造成內部氣體含量過高，最終導致絕緣件和絕緣子的閃絡故障。在運輸過程中出現嚴重碰撞現象、內部產生粉塵、絕緣件質量不高等原因也可能導致局部放電故障，這一故障會導致內部電場發生改變，進而引發絕緣故障的發生。絕緣故障是最容易發生且影響較大的一種常見故障，而GIS設備內部的絕緣子使用場強參數應控制在6KV/mm以內，否則就會產生絕緣擊穿故障。因此必須結合生產實踐和理論知識，努力優化設計方案，嚴格遵照工藝流程制造GIS設備，采用符合設計要求質量的材料，從源頭掐滅GIS故障。

當GIS設備內部的水分含量超過規定值時，如果任其發展，那么就可能導致絕緣故障的發生。對此，若是SF6氣體的含水量過高，應立即采用氣體處理車來進行干燥和過濾處理；若是吸附劑的含水量過高，應采用抽真空氮氣置換工藝來更換新的吸附劑，淘汰掉含水量過高的吸附劑。

五、加強日常維護監測管理

在GIS設備的運行中，雷電過電壓可能給設備帶來前文所闡述的種種故障，出現接地開關損壞、外殼閃絡現象等，必須做好設備的日常維護管理工作，提高設備的抗雷電水平，使其在雷雨天氣依然能保持正常運行。

在設備運行的第一年，做好設備的日常維護、檢測和維修管理工作，加強日常巡視工作，派遣專業人員仔細認真的巡查關鍵元器件的運行狀況，觀測閉鎖裝置、觸頭接觸、信號燈、指示燈、壓力表等是都正常，檢測設備是否存在漏油、漏氣、發熱、銹蝕等問題。為GIS設備安裝在線監測裝置，實現實時的動態檢測，早日檢測出設備的局部放線等故障，并及時采取合適措施將故障掐滅在萌芽狀態。為設備制定詳細的檢修計劃，在3-5年的小修周期內，做好壓力表溫度計的校驗、液壓油的更換、不良固件的更換、氣體干燥等；在8-10年的大修周期內，做好磨損件、導電觸頭、絕緣件、密封元件等的更換，做好氣體分解物、粉末、微粒等的清除工作。

六、結束語

建設GIS變電站，在設計、安裝方面，都必須針對GIS設備的工作原理和特殊結構，來提高GIS變電站設備的絕緣性能，以確保GIS變電站安全可靠靈活運行。

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[作者簡介]麥照和（1974-），男，海南昌江黎族自治縣人，專責，助理工程師。