GIS局部放电故障诊断研究

闫 杰，王天正

（山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原030001）

0 引 言

随着电力体制改革不断深入，电力系统内部设备不断更新。GIS设备因其体积小、可靠性高等优点，被广泛应用于电力系统中。但是GIS一旦发生事故，修复时间长，对电力系统危害极大。因此，必须要对GIS故障进行诊断，局部放电检测是一个较为有效的方法。该方法已经成为有关行业的重要研究对象。

1 GIS设备的应用

随着经济的发展、社会的进步，人们对电力供应的质量以及可靠性要求不断提高。在这种形势下众多先进的技术以及设备被广泛应用于电力系统中，包括GIS设备。GIS设备即SF6全封闭组合电器，它是20世纪70年代初期出现的一种先进的高压电气配电装置，国际上称为Gas Isolated Switcher，简称GIS。GIS设备中存在SF6气体，该气体稳定性非常高。在设备运行中通过提高该气体的压力来确保自身的绝缘性能，从而使得GIS设备的绝缘性能非常好。GIS设备比传统绝缘开关占地面积小，受外界环境污染影响小，具有较高的可靠性。总之，其具有良好的绝缘性能和高可靠性，能够保障操作人员的人身安全。

但是，GIS设备也具有一定的缺陷，主要表现在：GIS设备的内部绝缘距离短，长期处于高强度电场下运行，极易发生故障。其属于全封闭组合设备，发生故障后造成的影响程度深，对电力系统以及人们的用电带来严重的损害。因此，为了充分利用该设备的优势，使得其更好地服务于电力系统，必须重视GIS设备的生产以及安装流程，对其进行必要的检测。此外，由于GIS设备容易发生局部放电现象，会对绝缘材料产生侵蚀，其产生的热力等还会分解绝缘材料，造成材料的损坏。因此，必须针对局部放电开展必要的检测。

2 GIS局部放电故障检测

2.1 局部放电

局部放电是放电现象的一种，是电气设备中发生的没有贯穿整个绝缘材料，而是产生于局部的放电，其产生原因主要是由GIS设备局部电场过强造成的。一般地，依据产生原因可以把局部放电简单地分为内局部放电和外局部放电。内局部放电主要包括气体中的放电、固体绝缘材料中的放电、液体中的放电；外局部放电包括辉光放电、电晕放电、脉冲放电等。局部放电类型见图1。关于内部局放的气体放电，该气体主要存在于GIS设备固体绝缘材料内部。内部气体局放是一个综合的过程，其主要原理是：GIS设备在运行中，由于外部电离、阴极放射等原因会造成设备内部产生原始自由电子，并且这些电子会在电场中高速运转，容易与其他的分子产生碰撞，从而使得自由电子的数量急剧增加，设备内部电场的强度也急剧增加，当到达一个界限之后，则会产生电子崩现象。这种现象极易造成设备内部绝缘距离被击穿。GIS设备内部的气体局放就由此产生。此外，由于该设备中SF6气体的特性，导致电子崩现象极易发生。因为SF6气体属于电负性气体，在这些具有强绝缘性能的气体之中，自由电子与气体分子相结合，导致电场强度持续增加，当强度达到界限值后，设备中气体的电极间就会发生电子崩现象，此时一旦形成导电通道，则会使得设备中的整个绝缘距离被击穿。

图1 局部放电类型

2.2 局部放电故障检测

局部放电在各电气设备中均有可能发生，是一种非常普遍的现象。为了确保GIS设备的运行可靠性，必须要对其进行必要的检测。这就涉及到局部放电检测技术。GIS局部放电故障检测起源于20世纪60年代，发展至今已经较为成熟。这种技术是高压检测技术一个主要的组成部分，属于无破坏性的检测。GIS局部放电故障诊断主要是基于局放产生能量的检测，通常设备中局部放电现象作用于绝缘材料时，会呈现集中性的特征，而局部放电故障检测技术正是利用此特征来判断GIS设备是否存在局部放电，从而为采取必要的措施提供依据。

3 GIS局部放电故障诊断技术

3.1 化学检测法

该方法又称气体分析法，其原理是基于分析局部放电量与GIS内发生局部放电时产生的SF4、S0FZ、HF、SO2等分解气体量之间的关系。过去，本方法要用气相识谱仪等对分解气体进行精密分析，其特点是抗电气干扰、抗振动干扰性能较优、安装方便，但检测灵敏度欠佳。

3.2 超高频检测法（UHF法）

超高频监测法的基本原理是：GIS发生绝缘故障的原因是其内部电场的畸变，往往伴随着局部放电现象，产生脉冲电流，电流脉冲上升时间及持续时间仅为纳秒（ns）级。该电流脉冲将激发出高频电磁波，其主要频段为0.3～3GHz。该电磁波可以从GIS上的盘式绝缘子处泄露出来，采用超高频传感器（频段为0.3～3GHz）测量绝缘缝隙处的电磁波，然后根据接收的信号强度来分析局部放电的严重程度。这种方法的优点：可以带电测量，测量方法不改变设备的运行方式；并且可以实现在线连续监测，可有效地抑制背景噪声，如空气电晕等产生的电磁干扰频率一般较低，超高频方法可对其进行有效抑制。抗干扰能力强。但是利用这种方法只能知道发生了故障，不能对发生故障的点进行准确的定位。

4 UHF局部放电故障诊断系统应用

通过对以上检测方法的研究，综合检测实例，发现超高频监测是GIS局部放电检测较为理想的方法。本文结合实践以及相关分析，采用一套UHF局放检测系统作为GIS设备局放故障诊断设备。

4.1 系统设备

该系统由SF6气体绝缘设备、GIS设备中的传感器、光纤通信设备、中央处理单元、操作单元等设备组成。试验在某真实GIS中进行，被试设备中装有5个局放传感器，如图2。

图2 局放检测系统

试验用测试变压器可以使试验电压在0～500 kV范围内变化且自身没有局部放电。保护电阻安装在测试变压器和GIS的导体之间。试验在不同的SF6气压下进行。

4.2 故障诊断

本次试验目的是得到一套在GIS中不同故障下的局部放电特征图谱，从而建立GIS中各种缺陷类型的局部放电数据库。通过各种图谱的比较，选择了试验结果以振幅相位发生率图（PRPD）（图1）和短时趋势图（STT）两种图谱来建立局放特征数据库。PRPD图和STT图较好地表示出典型故障的特点，为故障类型的识别打下了基础。在测试容器中模拟GIS设备中常见的故障类型：悬浮电位电极（Fp）、高压侧尖端（Ht）、高压侧钝体（Hb）、粘贴在绝缘体上的颗粒（Pi）、绝缘体上的移动颗粒（Mi）等，。通过系统的检测，能够直接转换为可视化的图形，为GIS局部放电的故障诊断提供依据。

图3 局部放电PRPD图

4.3 系统评价

检测系统可以通过处理得到两种图谱：局放发生率对振幅和相位的分布图（PRPD）、振幅和局放发生率分布的短时图。这两种图谱可以为故障诊断提供了可视化的实物，检测人员能够通过这些图谱对故障类型进行分析，掌握GIS局部放电情况，采取必要措施处理不合格的GIS设备，从而保障GIS的绝缘性能，提高电力系统的安全可靠性。

5 结束语

局部放电故障诊断是检查GIS设备缺陷的有效方法，是介质绝缘试验的有益补充。局部放电故障诊断现已成为制造行业控制绝缘质量的有效措施和电力系统保证自身安全运行的重要手段。有关部门必须予以重视，并从实际出发，科学、有效地对GIS设备进行局部放电故障诊断。

［1］李洪凯，张 静.GIS超高频局部放电在线监测系统研究［J］.中国电力教育，2013，282（23）：222－224.

［2］侯昌明.GIS设备局部放电检测及故障分析［J］.电子测试，2013，（12）：25－26.

［3］田 浩，郝留成，刘随军.GIS绝缘件用高性能环氧浇注材料的研究［J］.绝缘材料，2013，46（03）：9－12.