高壓GIS局部放電的預(yù)防

范欽曉 喬小末 程寶改

（河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山467000）

0 引言

GIS設(shè)備具有結(jié)構(gòu)緊湊、可行性高、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、絕緣零件使用較多且存在老化現(xiàn)象，在其生產(chǎn)、安裝過(guò)程中內(nèi)部不可避免地存在絕緣隱患，局部放電是GIS設(shè)備發(fā)生絕緣故障的先兆和表現(xiàn)形式，長(zhǎng)期存在的局部放電使得絕緣劣化并擴(kuò)大，造成最終的絕緣擊穿和沿面閃絡(luò)，因此必須給予嚴(yán)重關(guān)注，以提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。

1 局部放電的產(chǎn)生及危害

“局部放電”是指在電場(chǎng)作用下，絕緣系統(tǒng)中只有部分區(qū)域發(fā)生放電而并沒(méi)有形成貫穿性放電通道的一種放電。產(chǎn)生局部放電的主要原因是電介質(zhì)不均勻時(shí)，絕緣體各區(qū)域承受的電場(chǎng)強(qiáng)度不均勻，在某些區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到擊穿場(chǎng)強(qiáng)而發(fā)生放電，而其它區(qū)域仍然保持絕緣的特性。

我們知道，絕緣的破壞或局部老化，多是從局部放電開(kāi)始的，它的危害性也就突出地表現(xiàn)在使絕緣壽命降低或影響設(shè)備的安全運(yùn)行。局部放電的危害程度，一方面決定于放電的強(qiáng)度和放電次數(shù)的多少;另一方面也決定于絕緣材料的耐放電性能和放電作用下絕緣的破壞機(jī)理。

局部放電對(duì)絕緣的破壞有兩種情況：一是放電質(zhì)點(diǎn)對(duì)絕緣的直接轟擊，造成局部絕緣破壞，逐步擴(kuò)大，使絕緣擊穿;二是放電產(chǎn)生的熱，臭氧、氧化氮等活性氣體的化學(xué)作用，使局部絕緣受到腐蝕，電導(dǎo)增加，最后導(dǎo)致熱擊穿。

2 設(shè)備運(yùn)行前GIS局部放電產(chǎn)生的主要原因及預(yù)防措施

GIS中可能引起局部放電的因素如圖1所示，可以總結(jié)為以下幾個(gè)方面：

圖1

（1）固定缺陷：其中包括導(dǎo)電體和筒體內(nèi)表面上的金屬突起，以及固體絕緣表面上的微粒。金屬突起通常是在零部件加工和安裝過(guò)程中造成的，導(dǎo)致較尖毛刺。在穩(wěn)定的工頻狀態(tài)下不會(huì)引起擊穿，但在快速電壓如沖擊、快速暫態(tài)過(guò)電壓(UFTO)條件下很危險(xiǎn)；對(duì)于此類現(xiàn)象的預(yù)防措施為零部件加工完成后，毛刺徹底清理干凈，在進(jìn)行安裝前，進(jìn)行嚴(yán)格清洗及檢查。通常高壓GIS設(shè)備在進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)過(guò)程中先預(yù)加老練試驗(yàn)電壓,老練試驗(yàn)是指對(duì)設(shè)備逐步施加交流電壓,可以階梯式地逐步施加到交流電壓耐受值,通過(guò)老練試驗(yàn)既可將設(shè)備中可能存在的活動(dòng)微粒雜質(zhì)遷移到低電場(chǎng)區(qū)域,從而降低甚至消除這些微粒對(duì)設(shè)備的危害,又可通過(guò)放電燒掉細(xì)小微粒或電極上的毛刺、附著的塵埃等,以減少對(duì)設(shè)備的損害。

（2）GIS筒體內(nèi)部存在金屬顆粒及其它異物。在制造裝配和運(yùn)行過(guò)程中均有可能產(chǎn)生金屬顆粒，交流電壓場(chǎng)的影響下能夠移動(dòng)，在很大程度上運(yùn)動(dòng)與放電的可能性是隨機(jī)的，GIS內(nèi)金屬顆粒引起的放電與金屬顆粒的大小、位置重量均有關(guān)，當(dāng)金屬顆粒落在絕緣子上時(shí)，對(duì)筒體內(nèi)部電場(chǎng)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于落在筒體內(nèi)壁上，但當(dāng)金屬顆粒落在GIS筒體內(nèi)壁上時(shí)，因?yàn)橥搀w接地，放電現(xiàn)象就較輕微。當(dāng)靠近高壓導(dǎo)體且并未接觸時(shí)，放電最可能發(fā)生；另外GIS設(shè)備筒體內(nèi)部如果有棉線和發(fā)絲等雜物，由于這些絕緣體吸附自由電子，在外施電壓峰值或極性變換的時(shí)候，也會(huì)引起放電。對(duì)于此類現(xiàn)象的預(yù)防措施為裝配車(chē)間防塵、主要部件裝配防塵、裝配時(shí)工人需穿專用工作服以及零部件裝配前需進(jìn)行徹底清洗。另外在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，在GIS外殼底部設(shè)置金屬顆粒陷阱的結(jié)構(gòu)，使運(yùn)動(dòng)到陷阱內(nèi)的金屬顆粒處于低電場(chǎng)強(qiáng)度地區(qū)，從而不能再移動(dòng)、直立和跳躍，不會(huì)形成危害。

（3）傳導(dǎo)部分接觸不良，由于GIS設(shè)備運(yùn)輸中碰撞、顛簸引起緊固件的松動(dòng)而造成電位懸浮，這種缺陷經(jīng)電壓運(yùn)行的長(zhǎng)期作用，金屬件會(huì)因局部放電而腐蝕，從而引起絕緣故障。避免此類現(xiàn)象的出現(xiàn)需從運(yùn)輸環(huán)節(jié)控制，例如在運(yùn)輸運(yùn)程中加裝沖撞記錄儀，對(duì)運(yùn)輸過(guò)程進(jìn)行監(jiān)督。

3 設(shè)備運(yùn)行后GIS局部放電產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施

3.1 水分含量的影響

GIS設(shè)備在投入運(yùn)行時(shí)，水分含量均控制在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求之內(nèi)，運(yùn)行狀態(tài)下，有電弧分解物的氣室水分含量需小于300ppm，無(wú)電弧分解物的氣室水分含量需小于500ppm。GIS筒體內(nèi)部SF6氣體的壓力比外界高，但外界的水分壓力比內(nèi)部高。而水分子等效分子直徑僅為SF6分子的0.7倍，滲透力極強(qiáng)，在內(nèi)外巨大壓差作用下，大氣中的水分會(huì)逐漸通過(guò)密封件滲入筒體內(nèi)部SF6氣室中。排除設(shè)備生產(chǎn)廠家的原因，運(yùn)行過(guò)程中SF6氣室中水分含量是會(huì)上升的。

在正常情況下，SF6氣體是一種化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定、不易分解的無(wú)色、無(wú)味、不可燃的氣體，但在GIS內(nèi)部出現(xiàn)局部放電（Partial Discharge，簡(jiǎn)稱PD）時(shí)，SF6會(huì)發(fā)生不同程度的分解，生成如SF4、SF3等低氟化物，對(duì)于純凈的SF6氣體，絕大部分的低氟化物會(huì)復(fù)合還原成SF6；但是由于SF6氣體中水分含量的上升，使得SF6氣體中不可避免地會(huì)含有微量水分（H2O），它會(huì)與這些低氟化物反應(yīng)，使得這種分解-復(fù)合平衡被打破，同時(shí)生成更多更復(fù)雜的組分，如SOF2、SO2F2、SOF4、SO2、HF、H2S等，其中一些生成物水解后形成的酸性物質(zhì)，對(duì)GIS設(shè)備內(nèi)部固件有腐蝕作用，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞設(shè)備內(nèi)部固體絕緣，從而降低了設(shè)備的整體絕緣性能，對(duì)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成威脅。另外，SF6氣體中的微水通常以水蒸氣的形式存在，當(dāng)溫度降低時(shí)，可能在設(shè)備內(nèi)部結(jié)露，與內(nèi)部的各種污染物混合后，附著在固體絕緣子的表面，容易引起沿面放電。因此，在GIS設(shè)備運(yùn)行中，要定期對(duì)SF6氣室水分含量進(jìn)行監(jiān)督和處理。

3.2 SF6氣室雜質(zhì)的影響

由于各廠家GIS內(nèi)部使用材料的不同，在設(shè)備運(yùn)行期間，由于高壓、高溫作用，在氣室內(nèi)部極易產(chǎn)生各種雜質(zhì)。例如國(guó)內(nèi)某廠家，由于電流互感器氣室選用含硫材料的橡膠板做為絕緣介質(zhì)，在在運(yùn)行過(guò)程中,由于“電”、“熱”等因素的影響,腔體內(nèi)的橡膠等有機(jī)物揮發(fā)出含硫氣體。該氣體與導(dǎo)桿、電連接的鍍銀層等發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生半導(dǎo)體物質(zhì)Ag2S。該半導(dǎo)體物質(zhì)以粉末狀在氣室里移動(dòng)并附著在盆式絕緣子上,數(shù)量累積到一定程度時(shí)造成電場(chǎng)畸變進(jìn)而引發(fā)局部放電。因此，在GIS設(shè)備運(yùn)行中，要定期對(duì)SF6氣室中SF6氣體純度及雜質(zhì)含量進(jìn)行監(jiān)督和處理。

3.3 絕緣件缺陷等發(fā)展性故障

在GIS設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)合格并投入運(yùn)行后，并不代表不會(huì)發(fā)生局部放電。由于各廠家盆式絕緣子、零部件生產(chǎn)工藝、試驗(yàn)要求參差不齊，在運(yùn)行過(guò)程中，由于元件老化、松動(dòng)等原因，也會(huì)出現(xiàn)局部放電現(xiàn)象，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象，需對(duì)GIS產(chǎn)品進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。

4 目前GIS局部放電的主要檢測(cè)方法有以下幾種

4.1 脈沖電流法

該方法主要通過(guò)測(cè)量設(shè)備發(fā)生局部放電時(shí)產(chǎn)生的脈沖來(lái)直接測(cè)量設(shè)備放電量的大小。該方法抗干擾能力很弱，設(shè)備運(yùn)行時(shí)，測(cè)量不準(zhǔn)確。

4.2 超聲波檢測(cè)法

其檢測(cè)原理是當(dāng)電力設(shè)備發(fā)生局部放電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生壓力波形成超聲波脈沖，超聲波在氣體中衰減很大，但在金屬中則衰減不大，它的方向性較強(qiáng)，能量比較集中，通過(guò)附著在GIS外殼上的超聲傳感器可以接收到這個(gè)聲信號(hào)，通過(guò)對(duì)聲信號(hào)的分析診斷出是否發(fā)生了局部放電。該方法在故障定位時(shí)，需對(duì)GIS設(shè)備進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量，工作量大。

4.3 超高頻檢測(cè)法

超高頻檢測(cè)法原理是在GIS中，局放脈沖電流信號(hào)具有很陡的上升沿，可以向周?chē)椛涑龈哌_(dá)3GHz的電磁波信號(hào)。電磁波傳播時(shí)，不僅以橫向電磁波形式傳播，而且還會(huì)建立高次橫波和橫波。而對(duì)于GIS設(shè)備特別是母線部分，其同軸結(jié)構(gòu)對(duì)于電磁波信號(hào)是良好的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，信號(hào)在內(nèi)部傳播時(shí)衰減很小。通常GIS的盆式絕緣子是環(huán)氧樹(shù)脂材料，對(duì)電磁波信號(hào)的衰減很小，電磁波信號(hào)可以通過(guò)盆式絕緣子散出，超聲波檢測(cè)方法即通過(guò)對(duì)盆式絕緣子散出的高頻電磁信號(hào)的測(cè)量來(lái)進(jìn)行局部放電的檢測(cè)。它具有抗干擾能力強(qiáng)、可帶電測(cè)量、定位能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

UHF傳感器根據(jù)安裝方式可分為內(nèi)置式和外置式兩種。內(nèi)置傳感器因?yàn)榘惭b在GIS設(shè)備筒體內(nèi)部，可獲得較高的靈敏度，但對(duì)制造安裝的要求較高，新建電站可配置該型傳感器對(duì)于早期設(shè)計(jì)制造的GIS安裝內(nèi)置傳感器通常是不可行的，這時(shí)只能選擇外置傳感器。相對(duì)于內(nèi)置傳感器，外置傳感器的靈敏度要差一些，但安裝靈活、不影響系統(tǒng)的運(yùn)行、安全性較高，因而也得到了較為廣泛的應(yīng)用。對(duì)于內(nèi)置及外置傳感器，都有一些需要注意的問(wèn)題。對(duì)內(nèi)置傳感器的基本要求是不應(yīng)損害GIS的可靠運(yùn)行，無(wú)論是使氣體發(fā)生泄漏還是使內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)增加都可能導(dǎo)致絕緣擊穿；對(duì)于外置傳感器，選擇合適的檢測(cè)位置是確保檢測(cè)靈敏度的關(guān)鍵，對(duì)于采用無(wú)金屬法蘭盆式絕緣子的GIS，可將傳感器貼在絕緣子外沿處測(cè)量，如盆式絕緣子有金屬法蘭，因?yàn)榇颂庪姶挪ū黄帘危仨殞ふ移渌臏y(cè)試點(diǎn)或與設(shè)備生產(chǎn)廠家溝通，預(yù)留孔洞。

5 結(jié)論

總之，GIS設(shè)備是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，保證其安全可靠運(yùn)行對(duì)于提高電網(wǎng)供電可靠性意義重大。而局部放電檢測(cè)作為GIS在安裝完畢及正常運(yùn)行中的必試項(xiàng)目，因此，加強(qiáng)對(duì)GIS局部放電的監(jiān)測(cè)，是有效發(fā)現(xiàn)GIS設(shè)備產(chǎn)生的各種缺陷并及時(shí)加以排除的重要舉措。

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