張 峰,黎永豪,蔣 維

（廣東電網(wǎng)公司佛山供電局,廣東佛山,528200）

1 概述

氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備（GasInsulatedSwitchgear）被稱(chēng)之為GIS，因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)是全封閉的，一般情況下不受外界環(huán)境的影響，其運(yùn)行的可靠性較高，安裝速度也比較方便快捷，并且其運(yùn)行的費(fèi)用比較低，同時(shí)它所占使用面積較小，這完全符合城市規(guī)劃的審美要求。但是， GIS 設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜，并且由于GIS 管理人員對(duì)GIS 的工作原理掌握不牢，對(duì)運(yùn)行維護(hù)的經(jīng)驗(yàn)不夠豐富，在發(fā)生故障時(shí)候，不能及時(shí)對(duì)GIS 設(shè)備的故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位，也很難做到正確的處理故障，這將導(dǎo)致GIS 設(shè)備故障逐漸擴(kuò)大，從而降低GIS 設(shè)備運(yùn)行的可靠性以及安全性。對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)了隱患。一些運(yùn)行中設(shè)備異常聲音及通過(guò)檢測(cè)儀器檢查的數(shù)據(jù)尤其值得大家去分析和探討，從而對(duì)設(shè)備進(jìn)行正確的診斷，有效預(yù)防電力事故的發(fā)生。

2 GIS 設(shè)備局部放電常用檢測(cè)方法

當(dāng)GIS 電氣設(shè)備產(chǎn)生局部放電故障時(shí)，很可能會(huì)引起GIS 氣室外SF6 絕緣氣體發(fā)生氣體分解并且伴隨發(fā)光現(xiàn)象，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是在強(qiáng)烈熱效應(yīng)以及電流較大情況所導(dǎo)致的。因此，局部放電所引起的物理變化以及化學(xué)變化的各種特征以及產(chǎn)生的物質(zhì)，都是作為GIS 局部放電故障檢測(cè)的信號(hào)來(lái)源，通過(guò)這些現(xiàn)象及所產(chǎn)生物質(zhì)可以判斷局部放電的多種特征因素，即通過(guò)GIS 局部放電的現(xiàn)象來(lái)有效的檢測(cè)設(shè)備故障時(shí)候所產(chǎn)生的異常特征值，這樣就可以準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)及故障狀態(tài)。以前在電力系統(tǒng)的GIS 設(shè)備的定期點(diǎn)檢和特殊檢查的工作中，由于缺乏有效可靠的檢測(cè)措施及方法，造成設(shè)備存在安全隱患。隨著科技的進(jìn)步，先進(jìn)的GIS 局放檢測(cè)技術(shù)得以日益發(fā)展，常用的有以下幾種方法：X 光檢測(cè)技術(shù)、超高頻檢測(cè)法、紅外測(cè)溫技術(shù)、超聲波檢測(cè)技術(shù)等。而應(yīng)用最廣泛的檢測(cè)技術(shù)是X 光檢測(cè)技術(shù)及超高頻檢測(cè)法。

2.1 X 光檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

X 射線成像的原理與醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)等地方所見(jiàn)到的CT、安檢系統(tǒng)射線檢測(cè)的工作原理是相同的。在穿透物體的過(guò)程中X 射線與物質(zhì)產(chǎn)生相互作用，通過(guò)吸收和散射的強(qiáng)度變化，感光材料能夠接收到這種變化的信號(hào)后，上傳至信號(hào)處理系統(tǒng)，經(jīng)處理后形成影像。

一般情況下，用于GIS 檢測(cè)的一套完整的檢測(cè)系統(tǒng)包括：射線源、感光板、CR 掃描系統(tǒng)、成像顯示系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)支架、移動(dòng)工作站等。X 光檢測(cè)技術(shù)可以應(yīng)用于檢測(cè)GIS 設(shè)備局部放電的檢測(cè)中，GIS 設(shè)備的局部放電故障主要現(xiàn)象是內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變形或者嚴(yán)重?fù)p壞，同時(shí)由于物理變化和化學(xué)變化伴隨一些異常物質(zhì)產(chǎn)生，如：零件松動(dòng)脫落、動(dòng)、靜觸頭發(fā)生變形、部件燒損、絕緣拉桿爆裂等現(xiàn)象。由于X 射線成像技術(shù)方便快捷、成像質(zhì)量相當(dāng)高、成像效果直觀等優(yōu)點(diǎn)，為此這成為了斷定GIS 設(shè)備內(nèi)部局部放電故障的有效方法，通過(guò)X 射線技術(shù)便可以很快斷定故障位置及原因。

2.2 超高頻檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

由于GIS 設(shè)備內(nèi)部絕緣體出現(xiàn)故障時(shí)，通常會(huì)伴隨局部放電現(xiàn)象的產(chǎn)生，為此，通過(guò)對(duì)局部放電檢測(cè)便可以有效檢測(cè)出GIS設(shè)備發(fā)生的故障類(lèi)型。GIS 設(shè)備結(jié)構(gòu)一般具有性能較高的波導(dǎo)體特性，UHF（超高頻電信號(hào)）能夠在這些導(dǎo)體進(jìn)行傳播。為此，我們可以采用超高頻局部放電檢測(cè)技術(shù)對(duì)GIS 故障進(jìn)行檢測(cè)。如果GIS 設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中不存在任何故障阻隔情況下，電信號(hào)的衰減相對(duì)很小，但是如果電信號(hào)在通過(guò)受阻部位的時(shí)候，比如遇到絕緣子、套管轉(zhuǎn)角等電信號(hào)就會(huì)很快衰減。當(dāng)超高頻電信號(hào)在通過(guò)絕緣子的過(guò)程中，它的電信號(hào)一般衰減3-6dB。所以，可以通過(guò)電信號(hào)衰減的成都來(lái)準(zhǔn)確判斷出GIS 設(shè)備局部放電所發(fā)生的具體位置。局部放電超高頻檢測(cè)法，在故障檢測(cè)故障過(guò)程中，由于檢測(cè)的是高頻信號(hào)，而其他干擾信號(hào)頻率相對(duì)較低，這樣便可以有效避開(kāi)其他低頻信號(hào)的干擾，這樣便可以提高局部放電檢測(cè)可靠性以及故障定位的準(zhǔn)確性，這種方法是目前國(guó)內(nèi)外比較普遍的檢測(cè)方法，并且一些變電站在GIS 設(shè)備關(guān)鍵部件中已安裝了超高頻局部放電檢測(cè)系統(tǒng)，并且這種系統(tǒng)處于實(shí)時(shí)在線檢測(cè)狀態(tài)，通過(guò)這種方法來(lái)確保GIS 設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性。

3 GIS 局部放電電磁仿真和超高頻檢測(cè)對(duì)比分析局放形態(tài)

在使用SF6 氣體絕緣的GIS 設(shè)備中，局部放電發(fā)生的時(shí)候，信號(hào)脈沖持續(xù)時(shí)間相當(dāng)短，波長(zhǎng)僅僅為幾個(gè)ns。通常情況下，為了簡(jiǎn)化故障分析，我們把局部放電產(chǎn)生的電流看成是對(duì)稱(chēng)的脈沖，通常用如下的Gaussian 形狀的脈沖模型來(lái)展示，本文中仿真所用的局部放電源脈沖的峰值電流為30mA，脈沖寬度為5ns。

可以得出，GIS 設(shè)備局部放電產(chǎn)生的電流信號(hào)頻段比較寬，通過(guò)對(duì)252KV 的GIS 設(shè)備內(nèi)部高壓導(dǎo)體上的φ0.05×lcm 固定突起部件發(fā)生局部放電來(lái)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，GIS 設(shè)備內(nèi)部高壓導(dǎo)體外直徑為10.2cm，外殼內(nèi)直徑為29.4cm，長(zhǎng)度為4m。模擬中采用1×l×lcm 網(wǎng)格來(lái)進(jìn)行分析，邊界采用與之匹配層(PML)材料進(jìn)行吸收，在計(jì)算過(guò)程中選取絕緣子相對(duì)介電常數(shù)取為3.9。采用IMST Empire 電磁仿真軟件來(lái)分別GIS 發(fā)生局部放電過(guò)程中內(nèi)部?jī)?nèi)部1 和外部2(距離GIS 外殼絕緣縫隙10cm)處的信號(hào)進(jìn)行模擬仿真。仿真圖譜以及實(shí)測(cè)圖譜如圖1 所示。

圖1 仿真圖譜與實(shí)測(cè)圖譜

通過(guò)左側(cè)仿真圖譜（a）和（b）以及右側(cè)實(shí)測(cè)圖譜，仿真結(jié)果說(shuō)明了在GIS 設(shè)備內(nèi)部發(fā)生局部放電過(guò)程中，局部放電脈沖能夠激發(fā)上升沿的信號(hào)比較陡峭，但是因?yàn)樵O(shè)備其內(nèi)部是不連續(xù)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，電磁波在設(shè)備內(nèi)部會(huì)引起反射同時(shí)會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜諧振現(xiàn)象，頻段成分最高能夠達(dá)到數(shù)GHz。其次，通過(guò)比較內(nèi)部?jī)?nèi)部1 和外部外部2 處的結(jié)果，內(nèi)部1 處的電信號(hào)的幅值是外部外部2 處的2倍，這表明電信號(hào)能夠從絕緣縫隙中泄漏，但是由于受到絕緣子以及縫隙的影響，信號(hào)的幅值會(huì)有明顯衰減現(xiàn)象，同時(shí)由于信號(hào)在絕緣縫隙中會(huì)發(fā)生折射和散射現(xiàn)象，致使外部信號(hào)比內(nèi)部信號(hào)要復(fù)雜很多。

通過(guò)仿真結(jié)果得出局部放電頻段比較寬，能夠大道數(shù)GHz，信號(hào)成分也比較為多，并且以為局部放電的信號(hào)比較弱，同時(shí)高頻信號(hào)在傳播過(guò)程中受到很大的衰減，為此在測(cè)試系統(tǒng)中需要選用增益大于20dB 的寬帶放大器來(lái)對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大處理。外部2 處于空氣中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)空氣中的局部放電產(chǎn)生的高頻信號(hào)衰減特性進(jìn)行研究分析，可以得出該高頻檢測(cè)系統(tǒng)的有效檢測(cè)范圍大約為17 米。在外部2 處的檢測(cè)結(jié)果可以通過(guò)檢測(cè)工具直觀顯示，將仿真結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)圖譜進(jìn)行比對(duì)，可以得出仿真所得出的結(jié)果與實(shí)測(cè)所得的結(jié)果基本是一致的。這就說(shuō)明了超高頻局部放電檢測(cè)方法是一種比較有效的GIS 設(shè)備局部放電檢測(cè)方法。

4 案例綜合分析

4.1 案例一：某企業(yè)110kV 高壓斷路器在運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)聲音增大現(xiàn)象，為此，對(duì)其進(jìn)行故障排查，進(jìn)行了超聲波檢測(cè)。

測(cè)試過(guò)程如下：首先在測(cè)試斷路器A 相機(jī)構(gòu)連桿處電壓，其測(cè)量值為約500mV；其次測(cè)量A 相下法蘭處，其測(cè)量值為：RMS=100mV；peak=700mV，F(xiàn)1=20mV；F2=60mV；BNC 輸入值等于40db，背景噪聲值為1.5mV。濾波器低端頻率為10kHz；高端頻率100kHz；改變測(cè)試參數(shù)，采用50kHz 時(shí)進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)量值稍微偏低。

相位測(cè)量主要范圍是50Hz-100Hz，從相關(guān)來(lái)看，100Hz 的比例大于50Hz 的比例，這表明GIS 內(nèi)部發(fā)生了較嚴(yán)重的放電，或者存在屏蔽環(huán)松動(dòng)開(kāi)路現(xiàn)象。從濾波器的頻段相應(yīng)變化情況分析，50kHz 和100kHz 頻段，他的幅值沒(méi)有太大變化，這說(shuō)明放電位置與導(dǎo)電體接近。從測(cè)試點(diǎn)的分布位置來(lái)分析，放電衰減的范圍分布面積相對(duì)較大，這與導(dǎo)電體放電的傳播特征相符合。這種放電過(guò)程是間歇式放電，間隔時(shí)間是20 至50 秒，放電持續(xù)時(shí)間為30到90 秒左右。

停電后對(duì)其進(jìn)行解體并認(rèn)真檢修，此時(shí)發(fā)現(xiàn)斷路器上部的瓷套法蘭內(nèi)部CT 引線的絕緣均壓固定環(huán)存在松動(dòng)現(xiàn)象，這便導(dǎo)致了局部放電現(xiàn)象的發(fā)生，并且絕緣部位已經(jīng)出現(xiàn)比較嚴(yán)重電蝕磨損現(xiàn)象。采取更換新絕緣均壓固定環(huán)的措施，并對(duì)其進(jìn)行跟蹤測(cè)試一定時(shí)間，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

4.2 案例二：某站發(fā)現(xiàn)GIS 內(nèi)腔存在異響，在進(jìn)行GIS 異響檢查性測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)可聽(tīng)聲音判斷GIS 的異響為#1 主變變高101間隔。

4.2.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用超高頻、超聲波局放測(cè)試

使用PDM1000 的超高頻法和超聲測(cè)試法進(jìn)，以及對(duì)該GIS 間隔局放測(cè)試,其中盆式絕緣子處采用超高頻法測(cè)試，GIS 外殼處采用超聲波法測(cè)試。兩種測(cè)試方法得出的圖譜圖圖2 所示。

圖2 超高頻測(cè)試法以及超聲波測(cè)試法

對(duì)比兩種測(cè)試方法得出以下結(jié)論：

1）由超高頻圖譜來(lái)看由于信號(hào)幅值均小于-70dbm，從相位圖沒(méi)有看出明顯的放電特征；

2）由超聲圖譜來(lái)看由于信號(hào)幅值均小于35db，從相位圖沒(méi)有看出明顯的放電特征。

通過(guò)以上可以得出試驗(yàn)結(jié)論，本次試驗(yàn)分別用PDM1000 的超聲模式、超高頻模式以及使用PD check 電纜出線處采用高頻脈沖電流法測(cè)試試系統(tǒng)對(duì)主變變高101 間隔進(jìn)行了局放測(cè)試，均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)局部放電信號(hào)；同時(shí)，試驗(yàn)人員還進(jìn)行了氣體分解物的測(cè)量，各類(lèi)分解物數(shù)值均無(wú)異常。GIS 外殼表面沒(méi)有明顯的發(fā)熱現(xiàn)象，可能因?yàn)樽兏?01 開(kāi)關(guān)間隔的1011 刀閘連桿部位出現(xiàn)震動(dòng)情況，當(dāng)時(shí)變高101 開(kāi)關(guān)負(fù)荷電流為(A 相：13.6A，B 相12.8A，C 相12.8A)，負(fù)荷低，試驗(yàn)人員初步估計(jì)該震動(dòng)與負(fù)荷無(wú)關(guān)。最終對(duì)GIS 設(shè)備進(jìn)行開(kāi)腔檢查，發(fā)現(xiàn)在導(dǎo)向?qū)w的均壓環(huán)安裝間隙過(guò)大，在運(yùn)行過(guò)程中因電動(dòng)力作用產(chǎn)出周期性的震動(dòng)。經(jīng)調(diào)整后恢復(fù)正常。

5 結(jié)束語(yǔ)

在變電站中，GIS 是其中很重要的設(shè)備，已經(jīng)有很多年的使用歷史，它在設(shè)計(jì)制造以及安裝調(diào)試等方面也取得了巨大的技術(shù)性革新。在變電站的GIS 設(shè)備使用過(guò)程中，需要把實(shí)際的使用情況在結(jié)合，采取一套比較完善的、系統(tǒng)的GIS 設(shè)備使用維護(hù)制度，提高對(duì)GIS 安裝調(diào)試及日常維護(hù)過(guò)程中所需要的各種技術(shù)質(zhì)量的監(jiān)督，對(duì)GIS 各個(gè)關(guān)鍵部件進(jìn)行日常點(diǎn)檢，這樣才能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)GIS 存在的質(zhì)量問(wèn)題和安全隱患，才能夠采取有效措施對(duì)其進(jìn)行處理，消除故障擴(kuò)大的可能性，從而確保變電站GIS 設(shè)備運(yùn)行的安全性、可靠性以及穩(wěn)定性。

[1] 張舵.科技資訊北京.北京國(guó)際科技服務(wù)中心.2006 年第36 期

[2] 王國(guó)來(lái).硅谷網(wǎng).《變電站室外GIS 故障原因及處理措施 》.北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)和中國(guó)科技新聞學(xué)會(huì) 2012年第7 期。

[3] 閆斌，何喜梅，吳童生，王志惠.中國(guó)電力.《GIS 設(shè)備X 射線可視化檢測(cè)技術(shù)》，青海：青海電力科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究院.2010,第7 期。

[4] 《超聲波測(cè)定工藝在GIS 設(shè)施問(wèn)題診斷中的效用研討》.中國(guó)超聲波網(wǎng)：2011 年7 月16 日。