氣體絕緣組合電器內部局部放電產生原因及檢測方法探析

代文章 楊 慧 黃 華 陳海東

(寧夏石嘴山供電局，寧夏 石嘴山 753000)

氣體絕緣組合電器內部局部放電產生原因及檢測方法探析

代文章 楊 慧 黃 華 陳海東

(寧夏石嘴山供電局，寧夏 石嘴山 753000)

概述了研究氣體絕緣組合電器(GIS)局部放電的重要意義，對GIS內部局部放電故障產生的原因及類型進行了探討，并提出GIS局部放電的幾種檢測方法。

GIS；局部放電；原因；在線檢測

0 引言

氣體絕緣組合電器(Gas Insulated Switchgear，簡稱GIS)因為占地面積小、運行可靠性高以及電磁污染低等一系列優點，被廣泛應用于城市封閉式變電站中。但是，GIS也存在各類絕緣缺陷，在實際運行時，其內部會產生局部放電，對設備絕緣造成損壞，對電網的安全運行產生影響。

1 研究GIS局部放電的重要意義

GIS是一種新型電氣裝置，其絕緣介質是SF6氣體。變電站中，GIS將變壓器除外的諸如隔離開關、斷路器、母線、避雷器、互感器、接地刀閘等不同的電氣設備按照接線要求組合成為一個整體。相比于開放式的輸電設備，GIS具有一系列優點：受外界干擾小、安裝周期短、運行安全穩定、電磁污染低、維護工作量小以及結構緊湊，能夠減少整套裝置的空間體積及占地面積等，在大城市的高密度建筑群中應用廣泛，緩解了大型變電站占地面積大和城市中的建設用地不斷縮小之間的矛盾。

雖然現場運行時，GIS的穩定性及可靠性都很高，但因為結構、組成以及運行等方面的原因，GIS內部不可避免地存在各類絕緣缺陷，其內部會產生局部放電，引發絕緣及設備故障，造成重大事故。分析國家電網公司72.5～800 kV組合電器的運行情況，統計數據和資料顯示，截至2008年6月底，共發生GIS絕緣事故24次，絕緣障礙13次，分別占事故總數的72.7%、17.6%。氣體組合電器運行時，造成故障的主要原因為內部絕緣問題，其主要表現為閃絡前產生局部放電(Partial Discharge，簡稱PD)。而局部放電不僅是引發絕緣故障的主要因素，也是反映介質絕緣狀況的特征量。所以，對GIS的運行狀況及內部局部放電進行研究具有十分重要的現實意義。

2 GIS內部局部放電產生的原因及類型

2.1 金屬突出物

由于機械破壞、加工不良或者裝配時相互碰撞擦刮，在GIS內部，經常會有非常尖銳的金屬突出物。這種金屬突出物常以兩種形式存在：一種為罐體內壁上突起的金屬毛刺，另一種為高壓導體上突起的金屬毛刺。實際運行時，在一定電壓等級下，這種金屬突出物在絕緣氣體中會形成高場強區，誘發GIS內部局部放電的產生。

2.2 絕緣子表面的金屬微粒

除在安裝過程中，絕緣子表面的金屬微粒可能產生吸附，其他情況下基本因為其他內部缺陷類型進而引發二次效應。該類金屬微粒對設備絕緣的影響一般具有潛伏期。設備內部，該類金屬微粒在電場力的作用下一般移至低場強區，從而不發生局部放電，但隨著設備的長期運行，在某些情況下該類金屬微粒長期固定于絕緣子表面，進而形成固定金屬微粒，該類金屬微粒便與金屬突出物類似，最終誘發局部放電的產生。

2.3 絕緣子的氣隙缺陷

在制造GIS的盆式絕緣子時，所使用的材料為環氧樹脂，環氧樹脂在固化過程中會產生收縮現象，并且環氧樹脂與金屬電極的溫度熱膨脹系數不同，加之工藝配合不當，會使設備內部出現層離及空隙。實際運行中，由于氣體介質的介電系數遠小于固體介質，如果高壓導體間和絕緣子交界處有間隙，則間隙會有很高的電場強度，進而產生有損于固體絕緣子的局部放電，對絕緣造成破壞。

2.4 自由導電微粒

GIS中自由導電微粒可能是機械裝置動作時金屬相互磨擦產生的金屬粉末，也可能是裝配過程中清洗不徹底的遺留物。外電場作用下，自由導電微粒可以獲得很大能量，進而移動至對絕緣有損害的地方，當自由導電微粒未接觸但是很接近高壓導體時，設備內部非常容易發生局部放電。GIS中，危害最大并且最常見的絕緣缺陷便是自由金屬微粒。

3 GIS局部放電檢測方法

在研究中發現，GIS內部發生局部放電時，放電脈沖上升非常快，并常伴隨聲光電熱等現象。根據局部放電引發的不同形式的化學反應及物理效應，可以將常用GIS局部放電檢測方法分為兩大類。

3.1 電測法

3.1.1 脈沖電流法

由于某種絕緣缺陷誘發GIS內部局部放電時檢測阻抗兩端，脈沖電流經過耦合電容會耦合隨時間變化的脈沖電壓，經過采集、放大、顯示等處理過程，就能通過脈沖電壓檢測局部放電強度，其一般檢測頻段為10 MHz以內，適用于局部放電較低頻段成分。同時，脈沖電流法還可以校準測量回路，對視在電荷進行定量。脈沖電流法是檢測局部放電最常用的方法。

3.1.2 射頻電流檢測法

該方法采用射頻傳感器對GIS內部的局部放電強度進行檢測，測試的信號頻段為1～30 MHz。一般檢測室常用的射頻傳感器主要有耦合電容傳感器、Rogowski線圈以及射頻天線傳感器等。采用射頻電流檢測法可以一定程度上避開電磁波干擾，但不能完全消除。射頻法主要應用在實驗室環境下，檢測研究GIS內部的局部放電。

3.1.3 超高頻法

GIS內部發生局部放電時，輻射出300～3 000 MHz的超高頻電磁波。因為GIS結構為同軸，其氣室類似于一個低損耗的微波共振腔，電磁波只能從支撐GIS內部導體的盆式絕緣子處泄漏出來，因此，可以在此處利用超高頻傳感器對泄漏出的電磁信號進行檢測。超高頻法檢測局部放電靈敏度高，抗空間電磁干擾能力強，并且能夠識別絕緣放電類型。

3.2 非電檢測法

3.2.1 超聲波檢測法

超聲波檢測法檢測的信號頻段為20至數百千赫茲。GIS內部發生局部放電時，內部分子發生激烈撞擊，會發出超聲波信號并同時很快向介質四周傳播。在GIS外殼處安裝超聲波傳感器，就能夠捕捉局部放電時發出的超聲波信號，進而判斷GIS內部是否發生局部放電現象。超聲波檢測法不影響GIS的運行，能夠實現對局部放電源的定位及在線檢測，并且不受電氣干擾，但無法進行局部放電類型識別及放電量標定，因此是一種輔助性測量方法。

3.2.2 化學檢測法

GIS內部發生局部放電時，會誘發其中的SF6氣體分解，得到如SOF2、SO2F2、SOF4、S2F10、HF、CO、CO2、CH4、SO2等化合氣體。研究結果表明，不同的化合氣體分解物代表不同種類的絕緣缺陷，所以對局部放電誘發SF6分解后的不同分解化合氣體的含量、成分以及變化趨勢進行檢測，可以分析GIS內部局部放電情況及絕緣缺陷的嚴重程度，進而對GIS的絕緣狀態進行評估。化學檢測法不能檢測出精確的放電量，檢測分解產物時所用周期較長，因此只運用于實驗室條件下對GIS內部局部放電的研究。

3.2.3 光測法

GIS內部發生局部放電時，強場區局部可使SF6分子電離，較高能級原子回到基態，部分正離子和負離子復合，進而以光的形式釋放能量，其中分子不同將會激發出頻率不同的光譜成分，光測法利用光電傳感器對內部光信號進行檢測，依據光譜成分分析局部放電強度及絕緣缺陷類型。光測法靈敏度較高，受外界干擾小，但氣體密度增大時，GIS內壁可能有反射現象發生，出現檢測“死角”，準確性不高，該方法不適用于在線檢測。

4 結語

GIS在大城市的高密度建筑群新建變電站時的應用已經越來越廣泛，研究GIS內部絕緣缺陷及其引發的局部放電極其重要。運用文中提到的檢測方法對GIS設備內部進行全面檢測，可以有效地保證GIS設備的安全運行。

[1] 邱毓昌.GIS裝置及其絕緣技術[M].水利電力出版社，1994

[2] 黎明，黃維樞.SF6氣體及SF6氣體絕緣變電站的運行[M].水利電力出版社，1993

[3] 劉衛東，金立軍，黃家旗，等.日本SF6電器局部放電監測技術研究近況[J].高電壓技術，2001，27(2)

2014-09-16

代文章(1969—)，男，寧夏石嘴山人，高級工程師，主要從事電力系統設備的安裝、調試、檢修工作。