GIS組合電器故障診斷技術研究

【摘要】隨著經濟的不斷發展，全國電力總裝機容量不斷增加，電力設備的運行安全關乎國家經濟和人們的日常生活。氣體絕緣組合電器（GIS）具有結構緊湊、可靠性高、安全性好等優點，在電力系統普遍應用。本文主要探究GIS組合電器的故障診斷技術，提出GIS組合電器尖端放電、懸浮放電、顆粒放電等缺陷的故障診斷手段和方法，為提高電力運行的安全性提供技術基礎。

【關鍵詞】GIS；故障診斷；超高頻；超聲波；局部放電

引文

隨著我國經濟的不斷發展，以及可持續發展、綠色發展的理念的提出，電能作為清潔能源已經成為現代社會最重要的能源，電力設備的安全運行已經成為關乎國計民生的大事。氣體絕緣組合電器（GIS）在電力行業中普遍應用，同時在高壓領域、超高壓和特高壓領域內也有應用，采用GIS設備進行封閉和組合，能夠大幅度降低設備的帶電距離，從而減少設備之間的固有安裝距離。本文在分析GIS結構和特征的基礎上，分析GIS在安裝和設計階段主要存在的故障類型和故障原因，重點主要分析GIS設備運行期間存在的局部放電現象，并結合超高頻檢測技術和超聲波檢測技術論述局部放電的檢測原理和局部放電表現特征。

1、GIS的結構及特點

GIS的結構主要包括有：斷路器、隔離開關、母線、電流互感器、電壓互感器、避雷器、接地刀閘以及套管等。GIS結構緊湊、可靠性高、安全性好、安裝方便。GIS內部采用SF6作為絕緣和滅弧介質，SF6是一種無色、無味、不燃、無毒的惰性氣體，具有非常高的穩定性。

2、GIS的設計及安裝故障

SF6氣體泄漏是GIS設備出現頻率最高的故障類型，經常發生在法蘭密封面、壓力表或充氣閥等部位。其發生事故的原因主要是因為產品密封結構設計存在缺陷，橡膠材質選擇合理、GIS設備氣室劃分不合理；在設備安裝階段，密封圈安裝前沒有進行O型圈檢查，造成O型圈存在的表面裂痕和凹凸不平沒有被檢測出來，法蘭密封面在安裝之前沒有處理干凈，對接法蘭連接罐體中心線不對稱。究其原因主要是因為（1）設計方面：沿面爬電距離設計不足，盆式絕緣子兩端電極設計不良；外購零件或者加工件不滿足設計要求。

為了解決GIS設備在設計和安裝階段的故障隱患，首先需要嚴格控制GIS的生產質量，進行出產檢驗，嚴控產品質量。安裝過程中，保證安裝精度，嚴格按照驗收標準對產品進行驗收。對產品進行定時檢測，GIS設備的周期檢測以及運行期間的故障診斷對于保證用電的安全具有重要的作用。

3、GIS設備運行期間的故障診斷

GIS設備在運行期間主要的故障類型為局部放電，是指GIS設備在絕緣在強電場的作用下發生局部范圍內的放電現象。較大的局部放電會造成設備絕緣強度的下降，從而造成設備的損壞。局部放電根據放電原因的不同可以劃分為：尖端放電，懸浮放電和顆粒放電。

（1）尖端放電：GIS的尖端放電是因為在GIS制造、安裝和施工的過程中在高壓導體上存在著尖狀的突出物或者毛刺等缺陷，這些缺陷在強電場的條件下產生高電場，發生尖板電暈放電。尤其是在雷電條件下，或者操作不當，容易產生貫穿性擊穿。此外，尖端放電還容易產生局部放電。

（2）懸浮放電：GIS尤其設備的老化、機械振動或者不當操作，造成屏蔽體與高壓導體之間接觸不良，造成懸浮電極的產生。懸浮電極在GIS內部會釋放出電子，造成了表面正電荷的不斷積累，導致了電場平衡的破壞，最終導致了局部放電。

（3）顆粒放電：GIS內部的SF6氣體非常容易吸附自由電子，產生負離子，削弱了氣體中碰撞電離的過程，影響了電場中有效電離系數。如果GIS中出現金屬顆粒電離，就會造成電場的分布不均，金屬微粒如果處理導電部分的周圍范圍內，就容易發生局部放電現象。

3.1.1 超高頻檢測

針對GIS的局部放電現象，電量會以電磁波的形式向外傳播，根據電磁的傳播特性，在GIS設備內部安裝超高頻傳感器，采集局部放電產生的電磁波來獲取局部放電信息，判斷放電的強弱。

根據超高頻檢測原理，不同的故障類型表現出來的故障特征不同：（1）尖端放電是因為零件或材質存在著突出物，放電只是存在于局部區域內，相對比較穩定，表現出來的放電時間間隔基本相同，幅值大小基本一致，放電的頻率較高。（2）懸浮放電是因為存在著電極的懸浮，表現出來的檢測現象為局部放電脈沖幅值穩定，放電之間的時間間隔一致。（3）顆粒放電是金屬顆粒之間或者金屬顆粒與金屬部件之間的局部放電，顆粒放電是幅值大小不一，具有較大的雜亂性，沒有特定的規律可尋，具有很強的隨機性。

3.1.2超聲波檢測

GIS放電時產生的能量會產生分子的激烈運動，形成氣泡，SF6氣體的溫度劇烈升高產生的能量會以應力波的形式傳播出去。超聲波檢測就是利用了應力波的傳播特性，將超聲波傳感器在耦合劑的作用下緊貼在外殼表面，接收局部放電產生的應力波，通過壓電裝換芯片將應力波轉換為電信號，信號采集裝置采集到電信號進行處理和分析，就能夠對局部放電進行檢測。

根據超聲波檢測的檢測原理不同，不同的故障類型表現的故障特征不同：（1）尖端放電產生的超波檢測特征的幅值譜比較雜亂，參差不齊，放電脈沖主要表現在負半周期。（2）懸浮放電特征放電間隔和放電幅值都比較穩定，放電過程比較均勻，并且呈現出一定的連續性。（3）顆粒放電超聲波檢測的幅值不穩定，規律性較差。

總結

氣體絕緣組合電器在電力系統中應用非常普遍，并且GIS具有眾多的應用優勢，本文主要分析了GIS 的局部放電缺陷，分析了造成該缺陷的主要原因，以及超高頻檢測和超聲波檢測技術，探究了GIS內部尖端放電、懸浮放電和顆粒放電不同的檢測特征，為電力系統的安全運行提供了技術手段。

參考文獻：

[1]喬勝亞，周文俊，王勇，熊俊，鄭宇.典型吸附劑對GIS固體絕緣介質放電特征氣體變化規律影響[J].電工技術學報：1-10[2018-01-07].

[2]丁登偉，唐誠，高文勝，劉衛東，姚森敬，趙宇明.GIS中典型局部放電的頻譜特征及傳播特性[J].高電壓技術，2014，40（10）：3243-3251.

[3]湯何美子. 基于特高頻法的GIS局部放電典型缺陷類型放電特性的研究[D].山東大學，2013.