SF6氣體分解物組份檢測法在GIS局部放電故障診斷中的應用

毛建坤 湯會增 洪西凱 姚 東 金 軻

（國網河南省電力公司檢修公司，鄭州 450007）

SF6氣體分解物組份檢測法在GIS局部放電故障診斷中的應用

毛建坤 湯會增 洪西凱 姚 東 金 軻

（國網河南省電力公司檢修公司，鄭州 450007）

絕緣降低是GIS氣體絕緣組合電器設備故障的主要原因，對GIS進行局部放電在線檢測可有效掌握設備絕緣狀況。本文分析 SF6氣體分解物組份檢測方法的原理，并搭建實驗平臺模擬幾種典型絕緣故障，得出相應的檢測頻譜圖。通過對檢測頻譜圖分析，總結出該方法在GIS故障類型識別方面的特點，為后續GIS局部放電引起故障類型的研究提供參考。

SF6氣體分解物組份檢測法；GIS局部放電；故障類型識別；模擬試驗

氣體絕緣組合電器（Gas Insulated Switchgear，GIS）是將斷路器、隔離開關、接地開關、母線等多種設備全部封閉在充滿 SF6氣體（作為絕緣和滅弧介質）金屬外殼中的組合式開關電器［1］，GIS是高壓輸變電工程中的關鍵設備，一旦出現故障，將可能造成電網重大事故發生。絕緣降低是GIS設備故障的主要原因，對 GIS進行在線局部放電（Partial Discharge，PD）檢測可有效掌握GIS內部絕緣狀況，預防因 GIS故障跳閘造成的電網事故。SF6氣體局部放電后，高溫分解產物主要有SOF2、SO2F2、CO2、CF4等四種低氟硫化物，本文主要通過分解物傳感器檢測法，與計算機配合實現在線自動檢測，是目前新興的熱點研究方向。

1　檢測原理

GIS中PD發生時會產生ns級上升前沿的PD脈沖激勵的電磁波，這些電磁波在充滿 SF6氣體的GIS氣室內傳播，存在的微小火花以及電暈放電都有可能沿離子化氣體通道進行擴展，PD還會使SF6氣體分解或發光。圖1所示為通過針-板模型試驗中不同放電區域內SF6氣體的化學反應情況。

在微氧及微水等雜質環境中，PD會使SF6氣體分解生成各種組份氣體，其含量大小、變化規律等特征與GIS內部絕緣缺陷所產生的PD程度和類型有著密切的關聯，故稱之為特征組份氣體［2］。通過檢測 GIS氣室中分解組份的含量即可判斷是否有PD發生，SF6氣體分解物檢測法通過對PD引起的GIS內部 SF6氣體分解生成的各種特征氣體含量來檢測PD信號［3］。影響SF6分解的因素主要有放電能量、電極材料、水分和氧氣含量以及吸附劑等。

圖1　區域反應模型

氣敏傳感器是一種能夠測定特定氣體及其濃度的傳感器件，當被測氣體被吸附到氣敏半導體表面時，其電阻值會發生變化，可有效檢測 SF6氣體分解物組份［4］。碳納米管氣敏傳感器是氣敏傳感器與納米技術相結合，其特殊結構對氣體吸附力強，并與吸附的氣體分子相互作用，從而改變了其費米能級，引起宏觀電阻發生較大改變，通過對電阻變化的檢測即可測出氣體的成份［5］。

2　局部放電模擬試驗平臺搭建

2.1GIS局部放電檢測模擬試驗設備

GIS高壓試驗系統如圖 2所示，它由一套實際出廠工頻耐壓及常規局部放電檢測系統、一套 SF6分解組份檢測裝置以及實際500kV GIS產品的通管模型構成。

圖2　試驗測試系統電路圖

其中變壓器采用工頻試驗變壓器型號為200B4M-380V/1000kV；耦合電容為工頻分壓電容（TAWF-500/600），限流濾波阻抗R為工頻試驗保護電阻（GR500-1/6）；氣體分解組份檢測系統，主要利用碳納米管（CNTs）傳感器吸附氣體時阻值變化的特點，進氣口3與GIS模型中SF6壓力表計的放氣閥相連接，分別對4種缺陷下SOF2、SO2F2、CO2、CF4局部放電的特征氣體進行分析，通過阻抗分析儀進行處理顯示。GIS通管模塊外殼直徑為248mm、長約3.5m的通管和5個氣室構成。

圖3　GIS局部放電實際試驗系統模型圖

2.2GIS局部放電故障缺陷模型

在圖4所示GIS模型內部分別設置4種絕緣缺陷：導電桿上系一根長約為12mm的銅絲模擬突出物缺陷，絕緣子表面沾上直徑0.2mm的銅絲模擬附著物缺陷，環氧樹脂絕緣棒中設置一個長約15mm、直徑為10mm孔洞后再將表面封好來模擬絕緣子氣隙缺陷，用數個約 2×2mm2和 2×3mm2的矩形薄鋁片模擬微粒缺陷。

圖4　GIS模型人工故障設置處

3　SF6分解物組份檢測結果及分析

試驗開始前先將人工設置的GIS缺陷模型放置在GIS模型中，對GIS模型進行清潔、干燥、抽真空、用氮氣清洗完畢，最后充入0.6MPa的SF6氣體，并靜置一段時間。關閉 SF6分解組份檢測裝置放氣口10，打開GIS模型的放氣閥。試驗過程中調節試驗變壓器的升壓器緩慢調高電壓，利用圖5所示碳納米管傳感器檢測SF6分解組分裝置，對4種缺陷下SOF2、SO2F2、CO2、CF4特征氣體含量進行在線分析。

圖5　GIS中碳納米管傳感器檢測SF6分解組份裝置

圖6　金屬尖端突出物模型及示意圖

圖7　絕緣子金屬附著物模型及示意圖

圖8　絕緣子氣隙模型及示意圖

圖9　自由金屬顆粒模型及示意圖

圖10（a）為絕緣子氣隙缺陷下各特征分解組份的含量都較低，在實驗結束時，由高至低依次為SO2F2（7.48μL/L）、CO2（6.29μL/L）、SOF2（3.67μL/L）、CF4（1.24μL/L）。圖10（b）為表面污穢附著物缺陷下各種特征分解組分的含量差別較氣隙缺陷大，在實驗結束時，各特征組分含量由高至低依次為SOF2（42.64μL/L）、SO2F2（14.89μL/L）、CF4（6.15μL/L）、CO2（2.13μL/L）。圖10（c）為金屬突出物缺陷下各種特征分解組分的含量差別較大，在實驗結束時，各特征組分含量由高至低依次為 SOF2（1117.8μL/L）、SO2F2（473.4μL/L）、CO2（123.2μL/L）、CF4（3.6μL/L）。圖 10（d）為自由導電微粒缺陷下各種特征分解組分的含量，實驗結束時，各特征組分含量由高至低依次為 SOF2（237.6μL/L）、CF4（32.59μL/L）、CO2（16.49μL/L）、SO2F2（15.67μL/L）。通過圖譜分析可知，不同絕緣缺陷下的 PD使 SF6分解物組分及其所占比例均有所不同，其中金屬突出物缺陷產生的 PD最穩定，且放電能量大，PD下SF6產氣量大、分解速率高；自由導電微粒缺陷單次 PD放電強度高，SOF2、SO2F2氣體組分含量較高；表面附著物缺陷由于PD發生時與固體絕緣材料反應，故CF4含量明顯增加；絕緣子氣隙缺陷PD強度較高，但產氣量相對較小。

圖10　4種典型缺陷下氣體分解組份含量

4　結論

通過搭建GIS局部放電模擬實驗平臺，對4種絕緣缺陷進行在線模擬測試，對各種缺陷下 SF6分解組份裝置檢測出的SOF2、SO2F2、CO2、CF4特征氣體含量進行分析，得出 SF6氣體分解組份檢測方法在GIS故障類型識別方面的特征。該方法使用碳納米管傳感器受溫度變化有影響，雖然有一定誤差，但對高壓導體突出物和自由導電微粒缺陷下 PD檢測效果明顯，對絕緣子氣隙缺陷放電檢測效果較差。一般是在PD發生15h后，SF6氣體分解物含量達到一定數量，才能夠進行 PD有效識別，同時結合超高頻、超聲波等技術對GIS內部局部放電故障作出預判。

［1］ 邱毓昌. GIS裝置及其絕緣技術［M］. 北京： 水利電力出版社， 1994.

［2］ 譚志紅. SF6局部放電分解特性及碳納米管氣敏傳感器檢測研究［D］. 重慶重慶大學博士論文， 2011， 10.

［3］ 羅勇芬， 孟凡鳳， 李彥明. 局部放電超聲波信號的檢測及預處理［J］. 西安交通大學學報， 2006， 40（8）：964-968.

［4］ 丁登偉， 唐誠， 高文勝， 等. 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）：305-313.

［5］ 劉有為， 吳立遠， 弓艷朋. GIS設備氣體分解物及其影響因素研究［J］. 電網技術， 2009， 33（5）： 58-61.

［6］ 程應武， 楊志， 魏浩， 等. 碳納米管氣體傳感器研究進展［J］. 物理化學學報， 2010， 12： 3127-3142.

［7］ 張曉星， 姚堯， 唐炬， 等. SF6放電分解氣體組份分析的現狀和發展［J］. 高電壓技術， 2008， 34（4）：664-669.

基于云儲能終端的能源互聯網系統構建方法和設備

近日，國家知識產權局公布專利“基于云儲能終端的能源互聯網系統構建方法和設備”，申請人為四川大學。

一種基于云儲能終端的能源互聯網系統構建方法和設備。基于云儲能終端構建由一個控制中心和若干個云儲能終端組成能源互聯網系統，控制中心與云儲能終端一對一通信，對電網負載大小進行分析，對云儲能終端中充電控制系統及其可調輸入電抗和對逆變系統及其輸出電抗可調電路進行調控，進而對電網的電源和負載進行調控。

控制中心含工業控制計算機，控制中心電參數采集模塊、控制中心電力線載波通信模塊分別與三相電力線連接，在三相電力線A相、B相和C相上分別連接若干云儲能終端，構成基于云儲能終端的能源互聯網絡。

Application of SF6Gas Decomposition Component Detection Method in the Diagnosis of Partial Discharge in GIS

Mao Jiankun Tang Huizeng Hong Xikai Yao Dong Jin Ke
（State Grid Henan Electric Power Corporation Maintenance Company， Zhengzhou 450007）

Insulation reduction is the main reason for the failure of the gas insulated switchgear. The insulation status of equipment can be controlled effectively by the GIS partial discharge on-line detection. In this paper， the principle of detection method of SF6gas decomposition components is analyzed， and the experimental platform is built to simulate several typical insulation failures， and the corresponding detection spectrum is obtained. Through the analysis of the spectrum， the characteristics of the method are summarized， which provide a reference for the study of the fault type of the partial discharge in GIS.

SF6gas decomposition components inspection method； GIS partial discharge； fault type recognition； simulation test

毛建坤（1983-），男，河南鄭州人，本科，工程師，從事超特高壓變電二次檢修工作。