GIS 绝缘故障的监测与诊断

雷国忠

(重庆市电力公司江北供电局，重庆401147)

0 引言

GIS由于具有占地面积和空间小、运行安全可靠、SF6断路器开断性能好、安装方便等优点，在进入城市负荷中心的变电站得到广泛应用。

GIS是指以SF6作为绝缘介质的气体绝缘金属封闭开关设备，也称为封闭式组合电器和气体绝缘变电站。它是将变电站中除变压器外的电气设备，包括断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、母线(三相或单相)、连接管和过渡元件(SF6——电缆头、SF6——空气套管、SF6——油套管)等全部封闭在一个接地的金属外壳内，壳内充以0.34～0.4MPa的SF6气体作为绝缘和灭弧介质。

通常GIS的内部故障以绝缘故障的比例为多，且后果严重。绝缘故障产生的原因一般有以下几种:(1)固体绝缘材料，如环氧树脂的浇铸件内部缺陷损伤造成;(2)由于制造工艺不良，滑动部分磨损，触头烧损和安装不慎等因素，在GIS内部残留的金属屑末(或称导电微粒)引起的放电;(3)高压导体表面的突出物(由于偶然因素遗留在导体表面造成的高场强点)引发的电晕放电;(4)由于触头接触不良，金属屏蔽罩固定处接触不良造成浮电位而引发重复的火花放电。

针对 GIS的内部绝缘故障，采用电气、机械振动、干扰分析与抑制、特高频，可使局部放电四种方法得到更好监测，从而对GIS在运行中存在的一些不利因素有了更科学的认识和解决方式，使GIS的运行更加稳定可靠。

1 电气法监测局部放电

1.1 外复电极法

在GIS外壳上敷绝缘薄膜与金属电极，将外壳与金属电极形成的小电容作为拾取信号的耦合器(其原理结构如图1)，局部放电引起的脉冲信号通过小电容耦合到监测阻抗上，经放大后被监测出来。小电容和监测阻抗对低频信号还起到隔离作用。另一种观点则认为GIS内的局部放电将在导电杆及外壳上产生流动波。由于集肤效应，在开始阶段流动波只能在外壳内壁流动，只有当流动波达到外壳不连续处(如盆式绝缘子)时，才能泄露到外壳表面。通过电容测量到的信号是泄露的流动波所产生的电压差。

这种方法由于监测阻抗一端接电容，另一端接地，形成一个大环路，易受外界电磁干扰。改进的方法是将两个电容传感器分别置于绝缘子两侧，信号取自绝缘子两侧。在此情况下，信号电路环绕的空间面积很小，电磁干扰显著减弱。改进后的监测频也从0.1～1MHz提高为20～40MHz，现场的监测灵敏从改进前的500pC提高为100～200pC。

图1 外复电极法原理图

1.2 内部电极法

该法是将GIS法兰稍加改造，在法兰内部加装金属电极与外壳形成电容，以此电容传感器提取局部放电的脉冲信号。当采用两个电容传感器(如图2所示)时即可定位。定位原理系采用信号到达两个传感器的时间差确定。据称定位准确度可达100mm，局部放电的监测灵敏度可达7pC。

另一种内电极法是在盆式绝缘子内的靠近接地端子处先埋设一个电极，如图3所示。我国华通开关厂生产的GIS盆式绝缘子即预埋有内电极。此法灵敏度高，当采取抗干扰措施时，可监测出5pC的局部放电量。由于GIS通常是多处接地，因此不宜采用从外壳接地线上检测脉冲电流的方法来测量局部放电。放电量的标定需在停电离线条件下，参照国家标准GB/T7354-2000有关规定进行。

图2 内部电极法原理图

图3 预期内电极法原理图

2 机械振动法监测局部放电

在GIS中通过SF6传播的声波为纵波。其在GIS中的传播速度很慢，约为油中传播速度的1/10，仅为140m/s。它的衰减也大，当温度为20～28℃，测量频率为40kHz，衰减为26dB/m，且与频率的1～2次方成正比。

纵波在钢中传播速度较快，为6000m/s横波的传播速度较慢，约为纵波的一半，而且衰减也小。纵波和横波的衰减随着频率增高而增大，但比在SF6中的衰减要小。与变压器油相比，由于声阻抗不匹配而造成的界面衰减，从SF6传到钢板要比从油中传到钢板造成的衰减大得多。因此，从GIS外壳上测得的声波，往往是沿金属材料最近的方向传到金属体后，以横波形式传播到传感器的。局部放电产生的声波频率谱分布很广，约为10～107Hz。

监测到的声波频谱随不同的电气设备、放电状态、传播媒质以及环境条件而不同。在GIS中，由于高频分量在传播中都衰减掉了，能监测到的声波含低频分量比较丰富。在GIS中，除局部放电产生的声波外，还有导电微粒碰撞金属外壳、电磁振动以及操作引起的机械振动等发出的声波，但这些声波的频率较低，一般都在10kHz以下。

综上所述，因局部放电产生的声波传到金属外壳和金属微粒撞击外壳引起的外壳机械振动的频率大约在数千到数十千赫之间。为去除其他的声源的干扰，监测频率一般选为1～20kHz，由于测量频率比较低，传感器采用加速度传感器，可比测超声的声发射传感器有更高的灵敏度。例如，常用的自振频率为30kHz左右的压电式加速度传感器，可测到低至150m/s2的加速度值。

图4 压电式加速度传感器结构图

图4是压电晶体产生的电荷与所受的压力F成正比，F由质量块M的惯性力产生，再根据牛顿定律F=ma，可知输出电荷Q正比于传感器的加速度。压电式加速度传感器的灵敏度S是一个重要参数。质量块的质量m越大，S越高，但质量越大，传感器的自振频率f0越小。一般允许工作频率为自振频率的1/3，这也是加速度传感器的一个重要参数。

加速度传感器的输出电荷量很小。一般应用高放大倍数的电荷放大器放大以输出较高的电压。电荷放大器用于微弱信号监测，最主要参数为噪声水平，它决定了所能测到的最小加速度值。图5是测得的有局部放电时加速度传感器的波形图，图中波形显示为重复的突发性震荡波形，每半个工频周期放电一次，所用低通滤波器为30kHz。

图5 GIS内局部放电时外壳上测得的加速度波形图

加速度传感器的安装和监测变压器局部放电的声发射传感器相同。可在传感器头部装设磁性吸座，利用磁性可将传感器吸附在GIS外壳的待测位置上，将输出端接电荷放大器。当然也可做成一体化的传感/放大器。此外，也可用超声传感器监测局部放电。

声测法的优点是无电磁干扰。由于信号在GIS中有相当高的衰减，用一个传感器有可能给出放电源的大致位置，而用两个传感器的时间差可能找到在1cm内的准确定位。根据波形特征可进行放电的模式识别。例如自由金属微粒在GIS外壳底部蹦跳和撞击引起的振动信号不仅和工频相位不相关，而且可依据它的峰值因数(幅值和有效值之比)、碰撞率以及起飞和下降电压之比等参数来推断粒子的形状和它的运动方式。声测法的缺点是由于信号衰减严重，不适用于固定安装的永久性装置，因为这样需要的传感器太多，另一缺点是难以对放电量进行标定。

3 绝缘故障的诊断

3.1 阈值诊断

将监测到的局部放电的加速度信号或电信号的振幅与历史数据或同类设备比较，以判断是否有故障及故障的严重程度。若是电信号，则通过放电量的标定还可作出定量判断。

3.2 时域波形诊断

根据局部放电信号出现时的工频相位来诊断放电的类型。若是固体绝缘内部缺陷发生局部放电，则放电信号(电信号或加速度波)出现在工频电压上升和下降部位，和工频电压基本同期。浮电位放电和它类似。若是GIS内SF6的电晕放电，放电信号也和工频同期，一般发生在峰值附近，且放电在工频周期的负半周出现，负半周的信号比正半周强。对于导电微粒的跳动，由于它的质量，因而不与供品周期同步，故与工频电压相位无直接关系，一般为几十毫秒上下跳动一次，故信号的出现是随机的。

3.3 频率特性诊断

可将图6所示不同故障时的振动频谱分布于测得的加速度波的频谱比较。

3.4 指纹诊断

将震动的时域波形每隔一段时间作频谱分析，由此得到多个(不同时间)幅值-频率谱图，从而构成了幅值、时间、频率的三维谱图。以此作为诊断依据，也可用局部放电的电信号构成的相位、放电量、放电次数的三维图进行诊断。

图6 GIS外壳振动的频谱

3.5 故障定位

3.5.1 信号的幅度差法

在GIS不同位置装设若干传感器，传感器输出的信号幅度随其与故障点距离的不同而强弱各异，比较信号幅度的大小来判断故障位置。但机械振动在金属内衰减慢，而波又有反射现象，使判断难度加大，图7所示为表示微振动信号沿26M长管道的传播情况。试验用了4个传感器，三条折线代表了三种不同规格铝屑产生的振动信号。由图7可见，信号只在10～18M段有显著的衰减。这是因为在该段内装有一个盆式绝缘子。试验表明，铝伸缩器也可使信号衰减90%。

图7 振动信号沿金属管道的传播(水平线为噪声水平)

3.5.2 信号的时间差法

电力变压器局部放电用的声电联合定位法，即为信号的时间差法。电信号也可不单独监测，而利用放电时，电磁干扰在加速度传感器的电气检测回路中产生的电脉冲信号，将该信号出现的时间作为参考点。声波的横波在外壳中传播速度约为3000m/s，若测量系统的时间分辨率为100μs，则定位距离的误差为300mm。

4 干扰的分析与抑制

在实验室中，用电气法或振动法检测GIS内部的局部放电时，灵敏度可高达几十皮库甚至十皮库以下。但在运行现场，由于电磁干扰和机械噪音严重而使灵敏度显著降低，甚至无法监测。为此需对存在的各种干扰进行分析和抑制。图8所示是现场电磁干扰的幅频特性，纵坐标是相对的噪声强度，虚线表示检测到的GIS内部局部放电信号的强度。由图8可知，监测系统宜选用1.5～5MHz的带通滤波。图9所示则是在更高频段的现场噪声。

图8 局部放电和干扰信号的幅频特性

图9 电磁干扰信号的幅频特性

由图9可知，在30～80MHz频段，特别是60～80MHz频段的噪声较低，选择监测频带时，还应避开广播频带(中波段为0.5～1.6MHz，短波段为2.3～25MHz，调频段为88～108MHz)。对77～550kV 10个不同噪声环境的变电所进行测试，认为环境条件差别大，而电压登记、设备种类差别小。噪声水平按晨、昼、夜依次增强，但均在平均值的±5DB(±44%)范围内变化。该公司还对这10个变电所的机械噪声进行研究，得出:噪声平均值为40dB。从频率分布看，5～20KHz频段有强噪声，比20KHz以上强100～200%。在20KHz以上，噪声随频率增加而逐步衰减。对不同电压等级、不同设备的机械噪声的测量表明，噪声水平的规律性不强。在77～550kV 44种不同设备中，按噪声水平高低排列前几名的顺序如下:550kV电流互感器，550kV断路器，77kV断路器，550kV隔离开关，77kV母线，275kV断路器，77kV电压互感器。

对电磁干扰信号的抑制一般采取屏蔽，监测系统一点接地，差动放大，选用信噪比高的监测频带(采用带通滤波器)及软件上进行信号处理(例如域平均技术)等措施。抑制机械噪声可选用合适的监测频带以及时域平均技术等。

5 GIS绝缘故障检查技术的应用

目前GIS全封闭组合电器都只有反映各气室SF6气体的压力表计，对于内部绝缘故障由于SF6气体被分解而引发的对外壳放电均无法监测到。上述绝缘监测技术的应用，恰恰弥补了这样的缺陷。

绝缘监测技术已在重庆市电力公司江北供电局110kV龙坝变电站、桂花街变电站、黄茅坪变电站的GIS设备上得到了应用，从应用到现在所得到的数据和结果表明，它提高了GIS设备运行的可靠性，它可以做到及时发出警报，必要时动作于跳闸信号，从保护设备和资产的角度说，它能提高一定的经济效益。其在绝缘故障的诊断上也是比较突出的。

［1］钱家骊.GIS内部绝缘故障在线监测述评［J］.电器技术，1990，(1).

［2］李修斌，张节容.SF6高压电器和气体介质变电站［R］.北京:华北电力试验研究院，1988.

［3］GB/T7354-2000，局部放电测量［S］.

［4］钱家骊，沈力，刘卫东，等.GIS的壳体振动现象及其检测［J］.高压电器，1990，(6).

［5］刘卫东，钱家骊.GIS内部局部放电的高频检测［J］.电器技术，1993，(4).