GIS設備狀態檢測診斷及檢修處理分析

張 康，李志強，楊 正

（國網新疆電力有限公司阿克蘇供電公司，新疆阿克蘇 843000）

隨著電力工程建設的不斷開展，當前的電網規模越來越大，電網中的GIS 設備也越來越多，受自身構造的影響，GIS 設備比較容易出現各種事故問題，因此如何保證GIS 設備的持續平穩運行是相關運維管理人員考慮的重點問題，目前GIS 設備帶電測試已經得到電力領域的認可與肯定，針對局部放電檢測、SF6氣體檢測等各種帶電檢測技術方法進行有效分析，加強GIS 設備常見故障以及故障診斷的研究探討，可以在保證GIS 設備正常穩定運行的同時，促進電力設備運維管理水平的提高。

1 GIS設備狀態監測對象

1.1 局部放電

GIS 是氣體絕緣金屬封閉開關設備的英文縮寫，它有著比較特殊的自身結構，一旦進入運行狀態，常規條件下一般不再對它開展電氣試驗。這種設備的事故多半是由絕緣因素引起的，而且大多來源于這種設備的內部放電現象。有多種原因可引起這種設備的內部放電，舉例來說，產品不合格，安裝作業不達標，粉塵顆粒物或毛刺污染了載流體表面，抑或SF6達不到原有的氣體絕緣強度等。這種設備無法在現場開展局部放電測試，所以局部放電試驗不會選擇在設備交接時進行。即使在設備交接時實施試驗，常規的耐壓試驗也很難發現局部放電現象，這是由于耐壓試驗過程中只產生很少的局部放電能量，量小到無法引發擊穿事故。而隨著運行的時間越來越長，氣體絕緣金屬封閉開關設備的內部放電現象會越來越嚴重，早晚引發絕緣擊穿。這就要求相關單位必須加強對這種設備的局部放電現象的間接測試，它是最主要的監測對象。

1.2 SF6氣體

SF6中文名字是六氟化硫，在氣體絕緣金屬封閉開關設備中用作絕緣的主要介質，它的物理和化學性能都很穩定，不僅絕緣性能良好，滅弧能力也很強。通常情況下，SF6很難發生性狀改變，但是隨著相關設備年深月久的運行時長，密封件不可避免地會有老化現象，SF6則肯定外泄，同時空氣里面的潮濕氣體也會向設備內部侵入，此時SF6在設備內部的密度就無法達到標準值，同時設備內部會出現氣體微水含量超標，一旦設備內部遭遇溫度太高或放電，就會有分解物質產生。所以，SF6也是主要局部放電監測對象之一。

1.3 GIS溫度

隔離開關以及斷路器是氣體絕緣金屬封閉開關設備內部的接觸性構件，一旦出現接觸不良遇到流通的大電流即產生發熱現象，溫度到達某個閾值，SF6會分解，大幅降低氣體絕緣性能。所以這種設備的內部溫度也可以當做主要監測對象之一。

2 GIS設備狀態監測的帶電測試技術

2.1 局部放電檢測技術

（1）超高頻法。SF6是氣體絕緣金屬封閉開關設備內部的主要絕緣介質，如果這種設備出現內部放電現象，它的脈沖信號也會持續很短的上升時長，以ns 級居多，幾個ns 持續時長而已，這就導致這些脈沖信號里面出現大量超高頻信號，這類信號有極強的穿透力，可經由這種設備的盆式絕緣子外泄，技術人員可把超高頻傳感器放置在盆式絕緣子不遠處，即可實現對設備內部放電進行超高頻信號監測的目的。超高頻傳感器通常有300～1500MHZ 的工作頻帶，而超高頻信號會出現大幅衰減，因此信號到達測試區域時就很弱了，這就要求傳感器必須具備極高的靈敏度。這種方法方便快捷，應用很廣。

（2）超聲波法。一但氣體絕緣金屬封閉開關設備出現內部放電，會同步產生超聲波信號，只要把超聲波傳感器放置在這種設備外面，就會監測到內部放電時的超聲波信號，可對有無內部放電現象做出間接判斷。超聲波傳感器具有接近20～200kHz 的工作頻帶，頻率上升則噪聲下降。它的技術優勢在于很好的抗干擾性能，環境因素的影響程度微乎其微，能精準定位內部放電具體位置。

相關單位可以很輕松地在市場上采購到關于氣體絕緣金屬封閉開關設備內部放電的成熟檢測設備，超高頻和超聲波是它的主要監測手段。一些檢測設備還會附帶局部放電現象的信息技術診斷軟件，可準確判斷監測信號屬性，是否為局部放電信號，極大提升了判斷局部放電的準確率。目前國內在檢測局部放電現象方面已經開始應用超高頻和超聲波信號，也有成功經驗，而且利用帶電測試技術對局部放電進行檢測也在不斷發展，會具備越來越高的安全穩定性。

2.2 SF6氣體檢測技術

（1）壓力檢測。利用SF6的壓力能準確判斷斷路器氣密性，這是對絕緣強度的間接反映。監測SF6壓力有兩種形式。即密度繼電器和相關壓力表的現場查看。

（2）微水含量檢測。當SF6出現微量水含量時，會給絕緣強度帶來很大負面影響，如果出現較高的微水含量，SF6就很容易分解，產生的物質不但有害還有腐蝕性，給周邊區域和滅弧室造成不利影響，積累到一定程度就會導致絕緣擊穿。微水含量的檢測儀器是便攜式的，對SF6進行現場帶電測試，常用的技術原理是露點法，當SF6處于微水含量狀態時，監測它的氣壓或結露溫度，即可對微水含量進行間接判斷。

（3）分解產物檢測。SF6的分子結構極其穩定，如果置于常規運行狀態，即壓力小于0.8MPa，環境溫度為-40～80℃，它不會跟包括鋁，銀，銅，不銹鋼等在內的金屬材料以及包括玻璃或樹脂等在內的有機固體出現化學反應，但是如果SF6受到放電，電弧以及環境溫度超過200℃時，會有分解化學反應產生，生成物包括氣態或固態氟化物或者金屬氟化物。檢測SF6的分解物質的主要方法有4種，即檢測管法，動態離子法，氣相色譜法以及紅外圖譜法，目前以動態離子法最為普遍采用，也很有效。它是把污染過的和純凈的SF6進行動態離子譜圖比對，對它的分解物質進行濃度判斷，也就是SF6污染達到怎樣的程度，以此推定相關設備的缺陷程度。

2.3 紅外測溫技術

紅外測溫技術在帶電測試技術中屬于應用比較成熟的一類，如果氣體絕緣金屬封閉開關設備出現了因接觸不良導致的過熱或出現了電弧，熱量會向設備外壁傳導，利用紅外熱像儀即可監測設備溫度。

3 GIS設備常見故障

氣體絕緣金屬封閉開關設備的組成部分包括很多元器件，一個元器件故障會導致整體設備出現運行故障。故障原因可能是設備沒有達到科學合理的設計制造標準，運輸期間損害了設備，安裝作業或日常運維不當等。故障類型主要包括機械，絕緣，二次回路，氣體外泄以及其它類型的故障。

3.1 觸頭接觸異常故障

氣體絕緣金屬封閉開關設備是組合類型的精密電氣設備，它的內部結構非常復雜。一旦有元器件出現位移，設備就會失靈，也可能導致內部電磁場出現異常導致氣體外泄或絕緣故障。這種設備的機械故障類型包括觸頭接觸異常，機械結構卡澀以及緊固螺栓出現松動等。

導致觸頭接觸異常故障的成因有：①觸頭沒有達到科學合理的設計制造標準，動和靜觸頭不適配，無法達到接觸的完美程度；②閘體的分合頻次過密，靜觸頭容易引發側彈簧異常，彈性下降而接觸不良；③觸頭是金屬材料，如果運行期間出現過載使觸頭流經電流過大，觸頭的接觸面會熱熔變形而接觸不良。同時，運行正常時這種設備內部的交流電會有較大電流，電流的電磁場會在設備內部形成異常復雜的分布形式，設備的金屬材料外殼會因磁力引發的伸縮作用以及電磁力出現穩定振動現象。

3.2 絕緣故障

標準氣壓的SF6是氣體絕緣金屬封閉開關設備內部的絕緣介質，鑒于這種設備很高的額定電壓等級，設備內部有一些電磁場分布，它們極其微小且動態變化，極易誘發絕緣擊穿事故。絕緣故障的主要成因是腔壁或導體異常突起，內部有空隙，接觸不良，金屬自由顆粒物以及有雜物附著在絕緣子表面等。

①導體或腔壁突起。設備制造不達標，腔壁或導體有微小毛刺存在，它們會有不均勻磁場產生，拉低設備的耐壓力，遇到高壓會產生局部放電。雖然都是一種原因引起的局部放電，腔壁或導體二者之間的局部放電是有差異性的，導體局部放電信號的傳播形式是扇形，圍繞毛刺進行，傳播區域在氣室內部；而腔壁局部放電信號是很集中的，放電部位強度最大。導體周圍存在強大電場，因此由它引起的局部放電危害性更高；②自由金屬顆粒。運行正常時設備內部有大量復雜電磁場分布，為自由金屬顆粒物施加電磁力，它們在腔室內部胡亂碰撞，機械撞擊信號向金屬材質外殼傳導。這些胡亂碰撞會極大拉低設備的工頻耐壓力，導致設備內部絕緣性能下降；③絕緣子表面附著物及內部空隙。此時氣室內部的電磁場會產生分布畸變絕緣擊穿在不大的范圍內產生引發局部放電；④導體與絕緣設備接觸不良。運行正常時出于屏蔽設備的需要，絕緣設備和導體是緊緊相連的，如果有松動或接觸不良，腔室內就會有電位懸浮產生，而絕緣耐受電壓是有限度的，一旦超限產生的放電規模會很大，給絕緣性能帶來傷害。

3.3 氣體泄漏故障

通常SF6如果是高純度的，它不具備毒性，如果是氣體絕緣金屬封閉開關設備內部外泄的六氟化硫，還是有一定危害性的。①SF6擁有高于空氣的分子重量，一旦外泄會向底層積聚。而變電站為了接地的穩固性，設備安裝位置都普遍偏低，一旦外泄會使SF6把底層空氣排擠掉，空間因此全部是SF6，檢修人員如果此時實施常規檢修，極易誘發缺氧而中毒窒息；②如果這種設備內部有缺陷存在，會有電弧或局部放電現象，它們產生的高溫促進SF6在腔室內分解，生成有毒的氟化物，一旦這種氣體外泄，就會給現場作業人員造成危害；③如果這種設備的腔室密封性能遭到破壞，再遇到惡劣天氣，水分就會有侵入設備內部的可能，與里面的SF6發生復雜多變的化學反應，生成的氟化物既有毒有害也具有腐蝕性，給設備和現場作業人員帶來很大安全威脅。氣體絕緣金屬封閉開關設備要求的密封性能等級很高，密封作業和充氣過程都須交由生產廠家負責。縱觀國內目前運行中的氣體絕緣金屬封閉開關設備，發生氣體外泄故障的成因主要是設備的端蓋安裝作業達不到技術標準，密封圈以次充好，有雜物附著在接觸面，對接口沒有牢固固定螺栓等。外部大氣壓力比氣室內部SF6氣壓低，如果這種設備達不到良好的密封性能，缺口處就會不斷有氣體外泄，拉低氣室內部氣壓，設備的絕緣性能受到傷害。

4 GIS設備故障診斷總體框架

通過對上述故障的分析總結，在多狀態監測變量的基礎上，就氣體絕緣金屬封閉開關設備故障診斷提出了通過殘差和狀態估計對故障進行診斷分類的算法，由建立狀態估計器，故障預警和識別三個部分組成。①狀態估計器。對運行正常時的氣體絕緣金屬封閉開關設備實施多狀態變量監測，通過改進后的向量回歸和粒子濾波算法完成狀態估計器的構建；②故障預警。把估計所得狀態變量數據與實際監測數據進行比對，由狀態變量得到狀態變量殘差數據，通過自適應閾值完成檢測故障和及時預警；③故障識別。將多狀態變量殘差數據完成分類，可準確識別故障類型。

5 結束語

文章首先分析了GIS 設備狀態監測的主要內容，然后分別進行各種GIS 設備狀態監測帶電測試技術的探討和論述，并詳細梳理了GIS 設備運行過程中比較容易發生的觸頭接觸異常故障、絕緣故障及氣體泄漏故障，希望能對相關工作人員有所幫助。GIS 設備是電網設備中的重要一員，加強GIS 設備檢測維護，在保證電網正常有序運行方面能夠發揮關鍵作用，所以工作人員應重點加強GIS 設備狀態檢測診斷及檢修處理的研究。