GIS组合电器故障诊断技术研究

【摘要】随着经济的不断发展，全国电力总装机容量不断增加，电力设备的运行安全关乎国家经济和人们的日常生活。气体绝缘组合电器（GIS）具有结构紧凑、可靠性高、安全性好等优点，在电力系统普遍应用。本文主要探究GIS组合电器的故障诊断技术，提出GIS组合电器尖端放电、悬浮放电、颗粒放电等缺陷的故障诊断手段和方法，为提高电力运行的安全性提供技术基础。

【关键词】GIS；故障诊断；超高频；超声波；局部放电

引文

随着我国经济的不断发展，以及可持续发展、绿色发展的理念的提出，电能作为清洁能源已经成为现代社会最重要的能源，电力设备的安全运行已经成为关乎国计民生的大事。气体绝缘组合电器（GIS）在电力行业中普遍应用，同时在高压领域、超高压和特高压领域内也有应用，采用GIS设备进行封闭和组合，能够大幅度降低设备的带电距离，从而减少设备之间的固有安装距离。本文在分析GIS结构和特征的基础上，分析GIS在安装和设计阶段主要存在的故障类型和故障原因，重点主要分析GIS设备运行期间存在的局部放电现象，并结合超高频检测技术和超声波检测技术论述局部放电的检测原理和局部放电表现特征。

1、GIS的结构及特点

GIS的结构主要包括有：断路器、隔离开关、母线、电流互感器、电压互感器、避雷器、接地刀闸以及套管等。GIS结构紧凑、可靠性高、安全性好、安装方便。GIS内部采用SF6作为绝缘和灭弧介质，SF6是一种无色、无味、不燃、无毒的惰性气体，具有非常高的稳定性。

2、GIS的设计及安装故障

SF6气体泄漏是GIS设备出现频率最高的故障类型，经常发生在法兰密封面、压力表或充气阀等部位。其发生事故的原因主要是因为产品密封结构设计存在缺陷，橡胶材质选择合理、GIS设备气室划分不合理；在设备安装阶段，密封圈安装前没有进行O型圈检查，造成O型圈存在的表面裂痕和凹凸不平没有被检测出来，法兰密封面在安装之前没有处理干净，对接法兰连接罐体中心线不对称。究其原因主要是因为（1）设计方面：沿面爬电距离设计不足，盆式绝缘子两端电极设计不良；外购零件或者加工件不满足设计要求。

為了解决GIS设备在设计和安装阶段的故障隐患，首先需要严格控制GIS的生产质量，进行出产检验，严控产品质量。安装过程中，保证安装精度，严格按照验收标准对产品进行验收。对产品进行定时检测，GIS设备的周期检测以及运行期间的故障诊断对于保证用电的安全具有重要的作用。

3、GIS设备运行期间的故障诊断

GIS设备在运行期间主要的故障类型为局部放电，是指GIS设备在绝缘在强电场的作用下发生局部范围内的放电现象。较大的局部放电会造成设备绝缘强度的下降，从而造成设备的损坏。局部放电根据放电原因的不同可以划分为：尖端放电，悬浮放电和颗粒放电。

（1）尖端放电：GIS的尖端放电是因为在GIS制造、安装和施工的过程中在高压导体上存在着尖状的突出物或者毛刺等缺陷，这些缺陷在强电场的条件下产生高电场，发生尖板电晕放电。尤其是在雷电条件下，或者操作不当，容易产生贯穿性击穿。此外，尖端放电还容易产生局部放电。

（2）悬浮放电：GIS尤其设备的老化、机械振动或者不当操作，造成屏蔽体与高压导体之间接触不良，造成悬浮电极的产生。悬浮电极在GIS内部会释放出电子，造成了表面正电荷的不断积累，导致了电场平衡的破坏，最终导致了局部放电。

（3）颗粒放电：GIS内部的SF6气体非常容易吸附自由电子，产生负离子，削弱了气体中碰撞电离的过程，影响了电场中有效电离系数。如果GIS中出现金属颗粒电离，就会造成电场的分布不均，金属微粒如果处理导电部分的周围范围内，就容易发生局部放电现象。

3.1.1 超高频检测

针对GIS的局部放电现象，电量会以电磁波的形式向外传播，根据电磁的传播特性，在GIS设备内部安装超高频传感器，采集局部放电产生的电磁波来获取局部放电信息，判断放电的强弱。

根据超高频检测原理，不同的故障类型表现出来的故障特征不同：（1）尖端放电是因为零件或材质存在着突出物，放电只是存在于局部区域内，相对比较稳定，表现出来的放电时间间隔基本相同，幅值大小基本一致，放电的频率较高。（2）悬浮放电是因为存在着电极的悬浮，表现出来的检测现象为局部放电脉冲幅值稳定，放电之间的时间间隔一致。（3）颗粒放电是金属颗粒之间或者金属颗粒与金属部件之间的局部放电，颗粒放电是幅值大小不一，具有较大的杂乱性，没有特定的规律可寻，具有很强的随机性。

3.1.2超声波检测

GIS放电时产生的能量会产生分子的激烈运动，形成气泡，SF6气体的温度剧烈升高产生的能量会以应力波的形式传播出去。超声波检测就是利用了应力波的传播特性，将超声波传感器在耦合剂的作用下紧贴在外壳表面，接收局部放电产生的应力波，通过压电装换芯片将应力波转换为电信号，信号采集装置采集到电信号进行处理和分析，就能够对局部放电进行检测。

根据超声波检测的检测原理不同，不同的故障类型表现的故障特征不同：（1）尖端放电产生的超波检测特征的幅值谱比较杂乱，参差不齐，放电脉冲主要表现在负半周期。（2）悬浮放电特征放电间隔和放电幅值都比较稳定，放电过程比较均匀，并且呈现出一定的连续性。（3）颗粒放电超声波检测的幅值不稳定，规律性较差。

总结

气体绝缘组合电器在电力系统中应用非常普遍，并且GIS具有众多的应用优势，本文主要分析了GIS 的局部放电缺陷，分析了造成该缺陷的主要原因，以及超高频检测和超声波检测技术，探究了GIS内部尖端放电、悬浮放电和颗粒放电不同的检测特征，为电力系统的安全运行提供了技术手段。

参考文献：

[1]乔胜亚，周文俊，王勇，熊俊，郑宇.典型吸附剂对GIS固体绝缘介质放电特征气体变化规律影响[J].电工技术学报：1-10[2018-01-07].

[2]丁登伟，唐诚，高文胜，刘卫东，姚森敬，赵宇明.GIS中典型局部放电的频谱特征及传播特性[J].高电压技术，2014，40（10）：3243-3251.

[3]汤何美子. 基于特高频法的GIS局部放电典型缺陷类型放电特性的研究[D].山东大学，2013.