GIS局部放电检测及故障处理

气体绝缘金属封闭开关设备（以下简称GIS）是一种集联络、控制、测量和保护于一体的高度集成化开关电器。GIS 具有设备占地面积小、防火性能良好，运行过程中安全性、可靠性高、日常维护的工作量少等优势。近几年来，随着社会的发展，对电能质量的要求也越来越高， 同时对GIS 设备安全运行的要求也相应提高。GIS 中绝缘老化的一个重要因素是因为局部放电，而通过对设备进行局部放电检测成为评定绝缘状态的重要手段。下面就GIS 设备局部放电检测技术及故障进行分析。
　　1 GIS 局部放电检测的方法概述
　　目前，有关局部放电检测的方法有：电测法、非电测法。电测法又包括：超声波检测方法、脉冲电流检测方法（ERA）、高频检测方法（HF）、甚高频检测方法（VHF）、超高频检测方法（UHF）。
　　而非电测法有：光测法、声测法、化学法，在这些非电测法中，声测法由于检测时所用声学传感器不同被分为超声波法及震动法。在电测法中，超声波检测方法、脉冲电流检测方法及超高频检测方法是目前最常用的检测方法。
　　1.1 超声波检测方法
　　超声波检测方法可以在GIS 外壳上直接安装传感器，不必在GIS 内提前装置，同时还可以沿着GIS 移动手持传感器，逐点查找出现故障的部位。这种检测方法和超高频检测方法比较，对传感器要求明显降低，方便了工作人员进行设备管理维护。另外，超声波检测法预防外部干扰的能力较强，直接通过触发方式、触发阈值、信号频带的设置进行性能提升。
　　1.2 脉冲电流检测方法
　　脉冲电流检测方法作为IEC270 中推荐的一种传统检测方法，虽然可以对局部的放电水平进行定量性检测，但却没有局部放电现场的抗干扰能力，所以这种检测方法通常适用于局部放电测量的实验室检测中。
　　1.3 超高频检测方法
　　超高频检测方法中系统频率控制在为0.3 ~ 3GHz 以内，而通常外部电晕频率小于200MHz,因此应用超高频检测方法对局部放电进行测量，不会受到电晕放电的影响。这种方法检测的信号通常是应用外置的传感器或者是内置的传感器来进行采集，所以必须对传感器可靠性能进行提升，才能有效地对局部放电进行超高频检测。
　　1.4 常用检测方法的对比分析
　　通过几种常用检测方法相比较，超高频检测方法，必须预设带有测量精准度的内置传感器在设备中，这种方法仅适合需要连续长期进行检测的设备。脉冲电流检测方法虽有较高灵敏度，但是只适用于实验室测量中。而超声波检测方法，在对绝缘故障中自由移动且比率最大的颗粒进行检测时，与其他检测方法相比具有较高灵敏度，并且这种检测方法应用方便，较适用于在线短期监测及带电巡检中，该种检测方法已在现场试验中检测中得到大量的推广应用。
　　2 超声波检测方法中的图谱分析与故障判据
　　2.1 超声波检测局部放电的图谱分析
　　根据超声波检测局部放电测试仪信号的脉冲、连续及相位几种模式图谱特征，对实际故障进行分析判断。
　　脉冲模式反映了飞行高度与飞行时间两者对应关系中连续的电压波形，这种模式的图谱收集的采样点多达1000 个，通过这些采样点分析可以检测出多个以周波构成周期中的故障、缺陷。
　　2.2 GIS 局部放电的测试图谱典型缺陷的故障判据
　　2.2.1 自由金属颗粒
　　自由金属颗粒作为GIS 中最普遍的故障类型之一，这种颗粒在气室里随机运动对设备危害性较高，若颗粒落在壳体中就不再运动，经长期的电压作用很可能引起毛刺放电。脉冲模式中，若飞行时间50ms < T < 100ms,且信号峰值Vpeak < 10mV时或是飞行时间T < 50ms,且信号峰值Vpeak < 20mV,可以不进行设备处理。
　　2.2.2 毛刺放电
　　由于GIS 设备安装过程附在高压导体上面的焊疤、母线壳体、大毛刺等让气室里局部场强分布不均引起局部放电。如果局部放电测量信号的峰值Vpeak > 2mV 时必须进行停电处理或监视。针对GIS 设备电压等级在363kV 及其以上的，因为母线筒的直径过大，检测信号就会很快衰减，所以峰值低于（2mV） 时也应该进行处理。
　　2.2.3 电位悬浮
　　由于GIS 设备运输中碰撞、颠簸引起紧固件的松动而造成电位悬浮，这中缺陷经电压运行的长期作用，金属件会因局部放电而腐蚀，从而引起绝缘故障。若100Hz 频率的相关性超过50Hz 频率的相关性且测量信号的峰值Vpeak > 10mV,应该紧密监视峰值的变化或缩短检测的周期。若100Hz 频率的相关性及50Hz 频率的相关性比值在1 ~ 2 范围内，信号的峰值Vpeak> 20mV 时，需停电处理。但是对于363 kV 和500 kV 及以上电压等级的GIS 设备应提高标准。
　　2.2.4 绝缘内部缺陷
　　交流电压中绝缘子内部缺陷具有典型局部放电的特征，利用脉冲电流检测方法能检查出这种缺陷，但是超声波检测方法检测不出这种缺陷。
　　3 GIS 设备典型缺陷检测图谱和故障判据的分析
　　3.1 GIS 设备绝缘支柱的放电检测
　　对500kVGIS 设备绝缘支柱放电检测的图谱和故障分析。
　　在绝缘子支柱的附近放上传感器，测量得出50Hz 频率的相关性比较大，且信号的峰值为10 ~ 20mV, 存在不稳定的100Hz 频率的相关性，初步分析绝缘子上表可能存在杂质。设备通过解体之后检查出绝缘支柱上存在“电树枝”.
　　3.2 导电杆的接触不良
　　对220kVGIS 设备的变电站TA 室中导电杆的接触不良引起局部放电的检测，信号峰值为20mV,有较强100Hz 频率的相关性，伴有细微异常的声响，初步分析是TA 室内产生悬浮电位所致。设备解体之后发现SF6 气体，由此可知，可能是TA 内电极短，不能全部通入适配孔里而引起故障。
　　3.3 母线上毛刺放电
　　对220kVGIS 设备母线上的毛刺放电进行超声波的检测。
　　信号峰值大约在2mV 左右，存在50Hz 频率的相关性，利用相位模式的图谱可发现负半周上放电特性，初步分析是毛刺放电。在间隔处检查出15mm 的刮痕且伴有细微的颗粒在导体上。
　　3.4 屏蔽罩的松动
　　对220kVGIS 设备中变电站闸门气室里的屏蔽罩进行局部放电检测分析，信号峰值大约在6mV 左右，但却显示出典型100Hz 频率的相关性。初步分析气室的中心导体有可能出现了屏蔽罩的松动情况。断开电源之后将气室打开，检查出闸门和流变处的屏蔽罩出现松动，紧固之后在通电，GIS 设备立刻恢复正常。
　　4 故障检测的实例分析
　　通过110kVGIS 设备的变电站一1 次事故实例分析，证实有效的超声波检测方法能够测量GIS 设备局部放电。变电站母线侧123 开关ABC 相的变气室运行时伴有异常的声响，工作人员立即停止运行设备。但通过负荷切除之后，123 开关仍伴有异常的声响，所以初步分析故障不是负荷的原因，应该是电场造成的放电。
　　停止设备，逐渐提升工频电压并利用超声波检测局部放电方法测量故障设备。升压过程设计许多测试点，每一个测试点都应用超声波检测局部放电仪器对局部放电进行检测。最终在70% 的额定电压内耐压的局部放电检测中都没有出现异常，在电压提升到80% ~ 90% 的额定电压时，持续几秒有机械振动异常声响。
　　图1 为L4 相流的变气室没有常声音时检测的图谱，观察发现，几种图谱峰值都较小，几乎不存在100Hz 及50Hz 频率的相关性。
　　
　　图2 为L4 相流的变气室伴有异常声音的检测图谱，和无异常声音的相比，有效值与峰值均有增加，出现100Hz 频率的相关性。从相位模式的检测图谱看，第一周期有2 簇信号的集中点。
　　而L4 相流加压时或者轻敲壳体的时后均伴有异常声响，几秒之后声响消失，由于未带负载，所以应该是放电造成的异常声响。
　　通常TA 室由于松动而引起电位悬浮的故障比较多，因此推测此次故障是TA 室部件松动造成的放电。
　　通过现场设备的解体检测，由于绝缘板的松动造成局部放电，且现场检查的结果和测量数据分析的结果相符。经处理以后未出现故障的现象，未出现50Hz、100Hz 频率的相关性，峰值及有效值均减小，设备恢复正常。
　　5 结论
　　总之，GIS 设备是电力系统的关键设备，保证其安全可靠运行对于提高城市供电可靠性意义重大。而局部放电检测作为GIS 在安装完毕及正常运行中的必试项目，因此，加强对GIS 局部放电检测的研究，是有效发现GIS 设备产生的各种缺陷并及时加以排除的重要举措。