GIS局部放電故障診斷研究

閆 杰，王天正

（山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原030001）

0 引 言

隨著電力體制改革不斷深入，電力系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備不斷更新。GIS設(shè)備因其體積小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。但是GIS一旦發(fā)生事故，修復(fù)時(shí)間長，對電力系統(tǒng)危害極大。因此，必須要對GIS故障進(jìn)行診斷，局部放電檢測是一個(gè)較為有效的方法。該方法已經(jīng)成為有關(guān)行業(yè)的重要研究對象。

1 GIS設(shè)備的應(yīng)用

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步，人們對電力供應(yīng)的質(zhì)量以及可靠性要求不斷提高。在這種形勢下眾多先進(jìn)的技術(shù)以及設(shè)備被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，包括GIS設(shè)備。GIS設(shè)備即SF6全封閉組合電器，它是20世紀(jì)70年代初期出現(xiàn)的一種先進(jìn)的高壓電氣配電裝置，國際上稱為Gas Isolated Switcher，簡稱GIS。GIS設(shè)備中存在SF6氣體，該氣體穩(wěn)定性非常高。在設(shè)備運(yùn)行中通過提高該氣體的壓力來確保自身的絕緣性能，從而使得GIS設(shè)備的絕緣性能非常好。GIS設(shè)備比傳統(tǒng)絕緣開關(guān)占地面積小，受外界環(huán)境污染影響小，具有較高的可靠性。總之，其具有良好的絕緣性能和高可靠性，能夠保障操作人員的人身安全。

但是，GIS設(shè)備也具有一定的缺陷，主要表現(xiàn)在：GIS設(shè)備的內(nèi)部絕緣距離短，長期處于高強(qiáng)度電場下運(yùn)行，極易發(fā)生故障。其屬于全封閉組合設(shè)備，發(fā)生故障后造成的影響程度深，對電力系統(tǒng)以及人們的用電帶來嚴(yán)重的損害。因此，為了充分利用該設(shè)備的優(yōu)勢，使得其更好地服務(wù)于電力系統(tǒng)，必須重視GIS設(shè)備的生產(chǎn)以及安裝流程，對其進(jìn)行必要的檢測。此外，由于GIS設(shè)備容易發(fā)生局部放電現(xiàn)象，會(huì)對絕緣材料產(chǎn)生侵蝕，其產(chǎn)生的熱力等還會(huì)分解絕緣材料，造成材料的損壞。因此，必須針對局部放電開展必要的檢測。

2 GIS局部放電故障檢測

2.1 局部放電

局部放電是放電現(xiàn)象的一種，是電氣設(shè)備中發(fā)生的沒有貫穿整個(gè)絕緣材料，而是產(chǎn)生于局部的放電，其產(chǎn)生原因主要是由GIS設(shè)備局部電場過強(qiáng)造成的。一般地，依據(jù)產(chǎn)生原因可以把局部放電簡單地分為內(nèi)局部放電和外局部放電。內(nèi)局部放電主要包括氣體中的放電、固體絕緣材料中的放電、液體中的放電；外局部放電包括輝光放電、電暈放電、脈沖放電等。局部放電類型見圖1。關(guān)于內(nèi)部局放的氣體放電，該氣體主要存在于GIS設(shè)備固體絕緣材料內(nèi)部。內(nèi)部氣體局放是一個(gè)綜合的過程，其主要原理是：GIS設(shè)備在運(yùn)行中，由于外部電離、陰極放射等原因會(huì)造成設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生原始自由電子，并且這些電子會(huì)在電場中高速運(yùn)轉(zhuǎn)，容易與其他的分子產(chǎn)生碰撞，從而使得自由電子的數(shù)量急劇增加，設(shè)備內(nèi)部電場的強(qiáng)度也急劇增加，當(dāng)?shù)竭_(dá)一個(gè)界限之后，則會(huì)產(chǎn)生電子崩現(xiàn)象。這種現(xiàn)象極易造成設(shè)備內(nèi)部絕緣距離被擊穿。GIS設(shè)備內(nèi)部的氣體局放就由此產(chǎn)生。此外，由于該設(shè)備中SF6氣體的特性，導(dǎo)致電子崩現(xiàn)象極易發(fā)生。因?yàn)镾F6氣體屬于電負(fù)性氣體，在這些具有強(qiáng)絕緣性能的氣體之中，自由電子與氣體分子相結(jié)合，導(dǎo)致電場強(qiáng)度持續(xù)增加，當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到界限值后，設(shè)備中氣體的電極間就會(huì)發(fā)生電子崩現(xiàn)象，此時(shí)一旦形成導(dǎo)電通道，則會(huì)使得設(shè)備中的整個(gè)絕緣距離被擊穿。

圖1 局部放電類型

2.2 局部放電故障檢測

局部放電在各電氣設(shè)備中均有可能發(fā)生，是一種非常普遍的現(xiàn)象。為了確保GIS設(shè)備的運(yùn)行可靠性，必須要對其進(jìn)行必要的檢測。這就涉及到局部放電檢測技術(shù)。GIS局部放電故障檢測起源于20世紀(jì)60年代，發(fā)展至今已經(jīng)較為成熟。這種技術(shù)是高壓檢測技術(shù)一個(gè)主要的組成部分，屬于無破壞性的檢測。GIS局部放電故障診斷主要是基于局放產(chǎn)生能量的檢測，通常設(shè)備中局部放電現(xiàn)象作用于絕緣材料時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)集中性的特征，而局部放電故障檢測技術(shù)正是利用此特征來判斷GIS設(shè)備是否存在局部放電，從而為采取必要的措施提供依據(jù)。

3 GIS局部放電故障診斷技術(shù)

3.1 化學(xué)檢測法

該方法又稱氣體分析法，其原理是基于分析局部放電量與GIS內(nèi)發(fā)生局部放電時(shí)產(chǎn)生的SF4、S0FZ、HF、SO2等分解氣體量之間的關(guān)系。過去，本方法要用氣相識譜儀等對分解氣體進(jìn)行精密分析，其特點(diǎn)是抗電氣干擾、抗振動(dòng)干擾性能較優(yōu)、安裝方便，但檢測靈敏度欠佳。

3.2 超高頻檢測法（UHF法）

超高頻監(jiān)測法的基本原理是：GIS發(fā)生絕緣故障的原因是其內(nèi)部電場的畸變，往往伴隨著局部放電現(xiàn)象，產(chǎn)生脈沖電流，電流脈沖上升時(shí)間及持續(xù)時(shí)間僅為納秒（ns）級。該電流脈沖將激發(fā)出高頻電磁波，其主要頻段為0.3～3GHz。該電磁波可以從GIS上的盤式絕緣子處泄露出來，采用超高頻傳感器（頻段為0.3～3GHz）測量絕緣縫隙處的電磁波，然后根據(jù)接收的信號強(qiáng)度來分析局部放電的嚴(yán)重程度。這種方法的優(yōu)點(diǎn)：可以帶電測量，測量方法不改變設(shè)備的運(yùn)行方式；并且可以實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)監(jiān)測，可有效地抑制背景噪聲，如空氣電暈等產(chǎn)生的電磁干擾頻率一般較低，超高頻方法可對其進(jìn)行有效抑制?？垢蓴_能力強(qiáng)。但是利用這種方法只能知道發(fā)生了故障，不能對發(fā)生故障的點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確的定位。

4 UHF局部放電故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用

通過對以上檢測方法的研究，綜合檢測實(shí)例，發(fā)現(xiàn)超高頻監(jiān)測是GIS局部放電檢測較為理想的方法。本文結(jié)合實(shí)踐以及相關(guān)分析，采用一套UHF局放檢測系統(tǒng)作為GIS設(shè)備局放故障診斷設(shè)備。

4.1 系統(tǒng)設(shè)備

該系統(tǒng)由SF6氣體絕緣設(shè)備、GIS設(shè)備中的傳感器、光纖通信設(shè)備、中央處理單元、操作單元等設(shè)備組成。試驗(yàn)在某真實(shí)GIS中進(jìn)行，被試設(shè)備中裝有5個(gè)局放傳感器，如圖2。

圖2 局放檢測系統(tǒng)

試驗(yàn)用測試變壓器可以使試驗(yàn)電壓在0～500 kV范圍內(nèi)變化且自身沒有局部放電。保護(hù)電阻安裝在測試變壓器和GIS的導(dǎo)體之間。試驗(yàn)在不同的SF6氣壓下進(jìn)行。

4.2 故障診斷

本次試驗(yàn)?zāi)康氖堑玫揭惶自贕IS中不同故障下的局部放電特征圖譜，從而建立GIS中各種缺陷類型的局部放電數(shù)據(jù)庫。通過各種圖譜的比較，選擇了試驗(yàn)結(jié)果以振幅相位發(fā)生率圖（PRPD）（圖1）和短時(shí)趨勢圖（STT）兩種圖譜來建立局放特征數(shù)據(jù)庫。PRPD圖和STT圖較好地表示出典型故障的特點(diǎn)，為故障類型的識別打下了基礎(chǔ)。在測試容器中模擬GIS設(shè)備中常見的故障類型：懸浮電位電極（Fp）、高壓側(cè)尖端（Ht）、高壓側(cè)鈍體（Hb）、粘貼在絕緣體上的顆粒（Pi）、絕緣體上的移動(dòng)顆粒（Mi）等，。通過系統(tǒng)的檢測，能夠直接轉(zhuǎn)換為可視化的圖形，為GIS局部放電的故障診斷提供依據(jù)。

圖3 局部放電PRPD圖

4.3 系統(tǒng)評價(jià)

檢測系統(tǒng)可以通過處理得到兩種圖譜：局放發(fā)生率對振幅和相位的分布圖（PRPD）、振幅和局放發(fā)生率分布的短時(shí)圖。這兩種圖譜可以為故障診斷提供了可視化的實(shí)物，檢測人員能夠通過這些圖譜對故障類型進(jìn)行分析，掌握GIS局部放電情況，采取必要措施處理不合格的GIS設(shè)備，從而保障GIS的絕緣性能，提高電力系統(tǒng)的安全可靠性。

5 結(jié)束語

局部放電故障診斷是檢查GIS設(shè)備缺陷的有效方法，是介質(zhì)絕緣試驗(yàn)的有益補(bǔ)充。局部放電故障診斷現(xiàn)已成為制造行業(yè)控制絕緣質(zhì)量的有效措施和電力系統(tǒng)保證自身安全運(yùn)行的重要手段。有關(guān)部門必須予以重視，并從實(shí)際出發(fā)，科學(xué)、有效地對GIS設(shè)備進(jìn)行局部放電故障診斷。

［1］李洪凱，張 靜.GIS超高頻局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)研究［J］.中國電力教育，2013，282（23）：222－224.

［2］侯昌明.GIS設(shè)備局部放電檢測及故障分析［J］.電子測試，2013，（12）：25－26.

［3］田 浩，郝留成，劉隨軍.GIS絕緣件用高性能環(huán)氧澆注材料的研究［J］.絕緣材料，2013，46（03）：9－12.