GIS設(shè)備的故障診斷與監(jiān)測技術(shù)

李名莉，王記昌

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南南陽473000）

GIS設(shè)備的故障診斷與監(jiān)測技術(shù)

李名莉，王記昌

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南南陽473000）

摘要：GIS是一種先進的高壓電器配電裝置。它主要是把母線、斷路器、電流互感器、電壓互感器、隔離開關(guān)、避雷器等經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計有機地組合成一個整體，也叫高壓配電裝置。分析了GIS設(shè)備的故障診斷及監(jiān)測技術(shù)。介紹了GIS設(shè)備的巡視檢查、GIS內(nèi)部故障定位監(jiān)測、GIS的狀態(tài)監(jiān)測、GIS設(shè)備的檢修規(guī)程等。

關(guān)鍵詞：GIS；六氟化硫；高壓配電設(shè)備；故障；監(jiān)測

1　概述

在電力工業(yè)中，GIS是指六氟化硫封閉式組合電器，國際上稱為“氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備”（Gas Insulated Switchgear），全稱為氣體絕緣組合電器設(shè)備，簡稱GIS。是我國20世紀70年代初期出現(xiàn)的一種先進的高壓電器配電裝置，它將一座變電站中除變壓器以外的一次設(shè)備，包括母線、斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、負荷開關(guān)、電壓互感器（PT）、電流互感器（CT）、氧化鋅避雷器、三極共箱母線、電纜終端、進出線套管、間接控制柜等，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計有機地組合成一個整體。GIS設(shè)備的內(nèi)部電場結(jié)構(gòu)是用同軸圓體間隙，故稱稍不均勻電場，而常規(guī)變電站則是棒－板組成不均勻電場。

GIS設(shè)備的所有帶電部分都被金屬外殼所包圍，它是用鋁合金、不銹鋼、無縫鑄鋼等材料做成的。外殼用銅母線接地，內(nèi)部充有一定壓力的六氟化硫氣體。

高壓配電裝置的型式有3種：第一種是空氣絕緣的常規(guī)配電裝置，簡稱AIS。其母線裸露直接與空氣接觸，斷路器可用瓷柱式或罐式。第二種是混合式配電裝置，簡稱H－GIS。母線采用開敞式，其它均為六氟化硫氣體絕緣開關(guān)裝置。第三種是六氟化硫氣體絕緣全封閉配電裝置。其英文全稱Gas－Instulated Switchgear，簡稱GIS。GIS的優(yōu)點在于占地面積小、技術(shù)性能優(yōu)良、運行可靠性高、安全性強、維護工作量很小，其主要部件的維修間隔不小于20年。GIS將是未來變電設(shè)備的發(fā)展方向。

一般來說，GIS是運行可靠性高、維護工作量小、檢修周期長的高壓電器設(shè)備。此外，GIS在制造時均進行過充分的性能驗證試驗，然后以組件的形式出廠，在現(xiàn)場對設(shè)備進行拼裝，這些都給GIS的安全可靠運行創(chuàng)造了有利條件。

但是，六氟化硫氣體的泄漏、外部水分的滲入、導(dǎo)電雜質(zhì)的存在、絕緣子的老化等都可能導(dǎo)致內(nèi)部閃絡(luò)故障的發(fā)生。一旦內(nèi)部出現(xiàn)電弧故障，GIS的全密封結(jié)構(gòu)又給故障的定位及檢修工作帶來困難。因此，加強對GIS的巡視和檢查，以及發(fā)現(xiàn)GIS的異常后，立即采取相應(yīng)措施以避免GIS故障的發(fā)生和擴大，就顯得尤為重要。

2　 GIS設(shè)備的巡視檢查

用六氟化硫氣體絕緣的設(shè)備可免除外界環(huán)境，諸如溫度、濕度及大氣污染等因素的影響，并能保持設(shè)備在良好的條件下運行。這是由于六氟化硫氣體具備了優(yōu)良的絕緣和滅弧性能。其觸頭和其他零部件的使用壽命更長、結(jié)構(gòu)更簡單，操作機構(gòu)部分的協(xié)調(diào)性能和可靠性更高。顯然六氟化硫氣體絕緣設(shè)備較一般電氣設(shè)備的各方面特性都更具優(yōu)勢。通常情況下，設(shè)備無須修理，并具有檢修周期長的特點。GIS巡視檢查的目的是保護六氟化硫氣體絕緣設(shè)備及其他附屬設(shè)備的性能以及預(yù)防故障發(fā)生。

根據(jù)六氟化硫全封閉組合電器的結(jié)構(gòu)特點，其檢查要點就是通過六氟化硫氣體的壓力和使用人的直覺來發(fā)現(xiàn)金屬罐內(nèi)部主回路的異常情況。另外，操作機構(gòu)和金屬罐外部結(jié)構(gòu)件的檢查要點與非六氟化硫氣體絕緣的電器相同。

（1）六氟化硫氣體的壓力。

維持和控制六氟化硫全封閉組合電器中氣體的壓力是非常重要的。設(shè)置帶有溫度補償?shù)膲毫﹂_關(guān)對于六氟化硫氣體壓力進行自動監(jiān)視，還可以通過壓力表進行輔助監(jiān)視。因此定期地監(jiān)視六氟化硫氣體壓力，就有可能在溫度補償壓力開關(guān)發(fā)出警報以前發(fā)現(xiàn)漏氣的征兆，預(yù)防故障發(fā)生。

（2）異常聲音。

與其它機器相同，將壓縮空氣操作機構(gòu)的漏氣聲音，壓氣機、電動機等輔助機不正常旋轉(zhuǎn)的聲音作為預(yù)定檢查的項目。一旦在金屬罐內(nèi)主回路中出現(xiàn)不正常的局部放電時，就能夠聽到從金屬罐壁中傳出來的，具有某種特征的六氟化硫氣體通過的聲音。此外，由于電流通過內(nèi)部導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁力、靜電力而出現(xiàn)的微振動，螺母松動等不正常情況，都可從金屬罐中傳出的聲音變化反映出來。

（3）發(fā)熱異臭。

萬一帶電的內(nèi)部導(dǎo)體接觸不正常，將會在不正常部位附近的金屬罐上出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象。當操作機構(gòu)的控制繼電器、電動機等出現(xiàn)發(fā)熱，氣味異常時，檢查要點與其它設(shè)備相同。

（4）生銹。

生銹表明沾水，生銹可能會導(dǎo)致被腐蝕、滑動不靈、接觸不良的情況。金屬罐法蘭的連接部分、露在外面的連接導(dǎo)體或操作機構(gòu)部件等都是需要檢查預(yù)防生銹的部件。

（5）其它結(jié)構(gòu)的目測檢查。

檢查組合電器的操作機構(gòu)、連接機構(gòu)的軸銷、彈簧擋圈、開口銷等有無損傷，有無漏氣、漏油的痕跡，連桿有無變形，水是否滲入外殼，結(jié)構(gòu)件有無變形，漆層有無脫落等方面，其檢查要點與其它電力設(shè)備相同。六氟化硫全封閉電器獨特的結(jié)構(gòu)部分有壓力表、溫度補償壓力開關(guān)、法蘭的絕緣裝配、外部連接導(dǎo)體、六氟化硫管道系統(tǒng)、閥門，都應(yīng)通過目測檢查，確定這些部件有無損傷。

當GIS斷路器累計分合3000－4000次或累計開斷電流4MA以上時，檢查一次其動靜耐弧觸頭，一般需運行20年及以上時才會達到上述數(shù)字。

當GIS隔離開關(guān)和接地開關(guān)分合閘3000次以上時，應(yīng)檢查其磨損情況。而GIS裝置的第一次解體大修是在運行20年后進行或在GIS事故后進行，目前通常是委托制造廠進行。

3　 GIS內(nèi)部故障定位監(jiān)測

3．1常規(guī)的內(nèi)部故障定位監(jiān)測

GIS內(nèi)部閃絡(luò)故障可分為兩類。一類發(fā)生在耐壓試驗中，另一類發(fā)生在運行的設(shè)備中。這兩類故障電弧特性差別很大。在耐壓試驗中，如果采用工頻諧振裝置，燃弧時間一般為微秒級。電弧能量等于被試段儲存的能量?？砂?2CU2計算，其中C為被試段電容值，U為擊穿電壓。對于500kV的GIS，一次擊穿釋放的電弧能量大約為20J／m。擊穿對導(dǎo)體造成的損壞很小，目測檢查十分困難。對于試驗中的永久性故障，通?？刹捎寐暡ūO(jiān)測法定位。

3．2新型的內(nèi)部故障定位監(jiān)測

由于常規(guī)的內(nèi)部故障定位監(jiān)測方法存在不足之處，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，研究部門和制造廠家利用新原理提出了一些新的監(jiān)測方法。

（1）超高頻法

超高頻方法用于局部放電監(jiān)測的原理如下。通過接受GIS內(nèi)部放電時發(fā)出的電磁波來監(jiān)測局部放電。這種方法的基礎(chǔ)是在高壓力的六氟化硫中，局部放電總是在很小范圍內(nèi)發(fā)生，因此具有極短擊穿時間的特征。這種具有快速上升時沿的局部放電脈沖包括有從直流到超過1GHz的頻率成分。GIS的同軸結(jié)構(gòu)是一個良好的波導(dǎo)，超高頻（300MHz－3000MHz）電磁波可在內(nèi)部有效地傳播。電力系統(tǒng)中的電暈放電等主要電磁干擾信號的頻率一般在1500 MHz以下，而且因其在空氣中傳播、衰減很快。所以，可選擇超高頻段的電磁信號作為監(jiān)測信號，以避開常規(guī)電氣測試方法中難以識別的電力系統(tǒng)中的干擾，從而提高局部放電監(jiān)測的信噪比。

（2）外殼振動法

大量的試驗研究結(jié)果表明，由于GIS內(nèi)部電極不平整、金屬飛邊在電場作用下的放電，以及由于零部件加工工藝不嚴格及安裝過程中遺留下來的導(dǎo)電雜質(zhì)，在電場作用下漂浮擊穿導(dǎo)致的外殼振動都具有典型的頻率特性。內(nèi)部放電引起外殼振動具有典型的頻率特性。同時，振動信號與局部放電信號出現(xiàn)的相位相接近，并具有重復(fù)性。試驗表明，由于內(nèi)部放電引起的金屬外殼振動是隨內(nèi)部放電強度的強弱而變化的，局部放電量越強，振動強度就越大。振動信號和局部放電信號的區(qū)別金在于導(dǎo)電材料不同、放電源不同，振動強度隨著放電強度而增長的趨勢各不相同。

（3）GIS故障定位器

GIS在出廠試驗及在現(xiàn)場進行耐壓試驗中，一旦發(fā)生對地閃絡(luò)故障，通常采用多次分段重復(fù)加壓的方式，依靠人的聽覺進行判斷。這種做法既不準確，也會使有些部位受到多次耐壓，對絕緣有害并延誤工期。故障定位器則可以在耐壓的同時正確地判斷發(fā)生短路的間隔，極大地縮短了檢修周期，提高了工作效率，同時減少對GIS某些部分絕緣重復(fù)加壓所帶來的損壞。當組合電器發(fā)生短路時，短路電弧產(chǎn)生的沖擊波引起外殼振動，這種振動波沿金屬外殼傳遞，在金屬與絕緣子交界面上產(chǎn)生波的反射和折射，從發(fā)生故障間隔通過絕緣子傳遞到相鄰不放電間隔，振動強度衰減10倍以上，其中高頻分量衰減尤為顯著。定位器就是根據(jù)這一原理設(shè)計的。

（4）GIS內(nèi)部放電監(jiān)測儀

GIS由于制造工藝、安裝質(zhì)量等問題，可能在腔內(nèi)遺留金屬導(dǎo)電微粒，只能通過局部放電信號才能被監(jiān)測儀采集，并進行A／D轉(zhuǎn)換、峰值保持顯示出放電發(fā)生的通道和所設(shè)定的門坎電壓。為提高采集信號的準確性，采集軟件必須做到保證連續(xù)五周的每個半波都采集到超過門坎電壓的信號才認為是放電信號，記為1。用這種方法將許多隨機性質(zhì)的干擾排除在采集內(nèi)容之外，從而提高整個測量系統(tǒng)的抗干擾性和準確性。

（5）局部放電脈沖電流頻度的數(shù)字測量

脈沖電流頻度的數(shù)字測量利用局部放電的相位特征，通過相位選擇的方法，將各相局部放電的脈沖電流單獨分離出來，再用不平衡法求取不平衡指數(shù)，現(xiàn)場干擾信號的脈沖電流，以此求得每一相局部放電脈沖電流的個數(shù)，然后對脈沖電流個數(shù)的計數(shù)進行比較和分析，確定放電的相別及嚴重程度。

4　 GIS的狀態(tài)監(jiān)測

狀態(tài)監(jiān)測包括定期和連續(xù)監(jiān)測兩個系統(tǒng)，其傳感器、監(jiān)測設(shè)備和方式不大一樣。

（1）定期監(jiān)測

在設(shè)備運行期間，每隔一段時間需要人為干預(yù)進行的監(jiān)測。范圍包括一般的監(jiān)測（如六氟化硫密度監(jiān)測）和需要線路停電的監(jiān)測（即主回路阻抗監(jiān)測）。

（2）連續(xù)監(jiān)測

在整個設(shè)備使用期間都可采用該項技術(shù)而無需停電。數(shù)據(jù)可以用開關(guān)狀態(tài)的任何跡象發(fā)出報警信號、遠方詢問或簡單的信息。

定期監(jiān)測可以提供開關(guān)狀態(tài)的許多有用數(shù)據(jù)，也有不足之處，對于設(shè)備突發(fā)性問題有可能會遺漏。連續(xù)監(jiān)測可以避免這種情況，可以在遠方監(jiān)測而無需到變電站，這樣就節(jié)省了大量的人力物力。對于GIS的可靠運行和維護檢修而言，定期監(jiān)測和連續(xù)監(jiān)測是相輔相成的，特別是定期檢查記錄的數(shù)據(jù)，會有相當數(shù)量的作為設(shè)備狀態(tài)的原始數(shù)據(jù)而納入數(shù)據(jù)庫，成為監(jiān)視設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5　 GIS設(shè)備的檢修規(guī)程

GIS本體解體檢修應(yīng)在無風(fēng)沙、無雨雪、空氣相對濕度小于80%的條件下進行，并采取防塵、防潮措施，室內(nèi)應(yīng)干燥、通風(fēng)良好，室內(nèi)的保持至少有18%的氧氣密度。GIS本體解體檢修需要得到廠家的技術(shù)人員指點下進行。使用的清潔劑、潤滑劑、密封脂和擦拭材料必須符合產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)定。所有螺栓的緊固均應(yīng)使用力矩扳手，其力矩應(yīng)符合產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)定。GIS本體解體檢修時，當GIS氣室內(nèi)未充如額定壓力的六氟化硫氣體時，不得進行快分、快合操作。GIS中的斷路器、隔離開關(guān)（電動操作）在調(diào)整中應(yīng)進行慢分、慢合的操作，確認無卡澀，各部件的緊固螺栓應(yīng)緊固，并充有額定壓力的六氟化硫氣體時，方可進行快分、快合的操作。無論是液壓機構(gòu)、彈簧機構(gòu)，還是氣動機構(gòu)、電磁機構(gòu)，檢修前一定要先釋放分、合閘能量，取下操作熔絲和合閘熔絲后，才能開始檢修。

參考文獻：

［1］楊斌，章立軍，郭云．電氣設(shè)備診斷現(xiàn)場實用技術(shù)［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2012．

［2］陳家斌．變電運行與管理技術(shù)［M］．北京：中國電力出版社，2004．

［3］雷玉貴．變電檢修［M］．北京：中國水利水電出版社，2006．

中圖分類號：TM642＋．1

文獻標識碼：A

文章編號：1005—7277（2015）03—0052—04

作者簡介：

李名莉（1987－），女，河南南陽南召人，本科畢業(yè)于河南理工大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)，研究生畢業(yè)于河南理工大學(xué)控制工程專業(yè)?，F(xiàn)就職于河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)院，助教，研究方向為過程控制。

王記昌（1983－），男，河南人，河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系教師，碩士研究生，從事機電教學(xué)工作。

收稿日期：2014－02－17

Fault diagnosis and monitoring technology of GIS equipment

LI Ming－li，WANG Ji－chang

（Henan Polytechnic Institute，Nanyang 473000，China）

Abstract：GIS is a kind of advanced HV electric appliance distributing equipment．It is mainly combined into a whole with the bus，circuit breaker，current transformer，voltage transformer，disconnector，surge arrester organically by the optimization design，namely HV distributing equipment．The fault diagnosis and monitoring technology of GIS equipment are analyzed．The patrol inspection，internal fault location monitoring，status monitoring，and the maintenance regulations of GIS equipment sre introduced in detail．

Key words：GIS；sulfur hexafluoride；HV distributing equipment；fault；monitoring