GIS设备局部放电综合检测分析

洪旸锦，李普明，朱 林

（1.广东电网公司梅州供电局，广东 梅州 514021；2.广东电网公司，广东 广州 510600；3.华南理工大学电力学院，广东 广州 510640）

0 引言

SF6气体绝缘全封闭组合电器（Gas Insulted Switchgear，GIS）在110 kV及其以上各电压等级的电网中获得了大量的成功应用，目前已成为主导开关设备。但在运行维护中也发现了一定的问题，GIS局部放电就是其中的一种常见缺陷。由于GIS设备结构的特殊性，对存在疑似局部放电现象的GIS设备综合应用先进的局部放电检测技术进行分析，可及时避免事态的进一步恶化，这不仅对防止GIS事故的发生而且对保证电网安全稳定运行有重要的现实意义。

国内积累了大量的对GIS设备的带电检修成功经验[1-4]。但是，在GIS设备局部放电检测方面，一直缺乏局部放电产生原因、影响因素与作用途径的综合分析，在各类局部放电检测技术的适应场景以及检测技术的综合应用等方面更是缺少系统化的评估与整体总结。

近年来广东电网中已经出现了多次GIS设备重大设备缺陷或事故，如香山站GIS事故导致主变跳闸，潭村站GIS母线微水超标缺陷迫使设备停运。这些已经给电力工作者在设备安全层面上的巡检维护方面给予了重要警示，必须加以重视。

本文针对GIS设备局部放电问题进行了深入研究。首先，讨论了GIS设备局部放电的原因；然后，分析了常见的GIS局部放电检测方法，并明确了各类方法的优缺点以及适用场合；最后又结合作者的现场工作经验提出了一种综合检测方案。在实际现场检修中对该方案加以尝试应用，效果良好。

1 GIS局部放电原因分析

GIS设备的特殊结构打破了传统变电站的概念，它是以SF6气体作为绝缘介质，并将除变压器之外的变电站所使用的断路器、接地开关、隔离开关、电流互感器、电压互感器、母线、避雷器、套管和其他过渡元件等多种高压电器组合在一起。GIS设备结构的特殊性也带来了复杂的运行维护问题，以GIS局部放电缺陷为例，其与SF6气体泄漏、SF6气体微水超标、开关故障、液压机构渗漏油等密切相关。此外，在制造、安装和使用过程中也可能出现内部电极表面脏污、毛刺、自由粒子等也是不容忽视的重要因素。

将影响GIS局部放电的各类因素概括为：

（1）载流导体表面存在缺陷，例如毛刺、尖角等；

（2）绝缘子表面缺陷，如制造质量不良，绝缘子有气泡或裂纹以及安装遗留下的污迹、尘埃等；

（3）GIS密封筒内在制造或安装过程中存留的自由导电粒子；

（4）导电部分接触不良。

GIS局部放电的各类因素其作用形式主要是集中在畸变电场上。例如在制造和安装过程中造成的毛刺，直接引起导体表面电场强度不均匀，这极易导致设备的内部电场发生畸变。虽然在稳定的工频电压下不容易引起击穿，但在操作或冲击电压下很可能引起击穿，或者当内部电场畸变到一定程度之后就会形成局部放电。

2 GIS局部放电的检测方法

GIS设备局部放电的检测技术已发展的相对成熟而且获得了广泛应用[5]。主流的检测方法包括有：脉冲电流法、超高频法、超声波法和SF6分解物检测法等。需要注意的是上述方法工作原理存在较大差异，对环境工况的依赖情况也各不相同。

2.1 脉冲电流法

脉冲电流法是一种利用罗氏线圈或者测量阻抗获取各种绝缘缺陷产生局部放电脉冲电流信号的方法。局部放电产生时，试样两端会产生一个几乎瞬时的电压变化。如果把试样接入检测回路，就会产生脉冲电流。而通过一个灵敏度高的电子仪器是否可测出相应的脉冲电流，就可以判断是否存在局部放电及其放电强度。

脉冲电流法特点突出，灵敏度高，且可定量测量局部放电量。因此，在GIS出厂试验中会经常采用。但这种方法应用的整体水平要求较高，容易受到现场干扰，在实际的运维检修工作中受限制。

2.2 超高频法

超高频法利用GIS内局部放电具有高频这一特性，即局部放电信号为纳秒级，频谱从低频到数百MHz甚至数GHz以上。高频放电信号穿透性强，能够从盆式绝缘子和GIS外壳的接缝处泄漏到外部。在GIS筒体内或者在绝缘子外安装传感器。通过观察测量示波器是否有放电的UHF（300 MHz以上）信号来判断是否存在局部放电。通过UHF频段测量，可避开一般的电磁干扰，同时又能准确测量GIS内部的放电信号。这种方法基本能够做到快速判断局部放电类型，是现场应用较为广泛的检测方法。

但超高频法依赖检测到的超高频信号，后者又与诸多因素有关，如放电量大小、放电源的类型、位置及信号传播路径等，目前还无法实现GIS局部放电量的标定。

2.3 超声波法

GIS内部发生局部放电时，伴随有超声波信号的产生。超声波法就是通过在GIS外部安装超声波传感器，接收GIS内部放电产生的超声波信号，间接判断GIS是否有放电现象。该方法针对检测频率一般在10 kHz～500 kHz范围内，对于SF6气体中的电晕放电、部件振动、悬浮电位和颗粒跳动比较灵敏。但对于绝缘件内部空隙、裂缝等缺陷不敏感。

超声波方法需要把传感器固定在GIS筒壁上，而部分GIS厂家生产的GIS筒比较粗糙，表面不够光滑，不能够做到表面完全接触。在这种情景下采用超声波法检测，效果不佳。

2.4 SF6分解物检测法

SF6气体化学性质稳定，分解温度高于500℃，在常温常压下无色、无味、无毒、不燃，具有优良的电绝缘和灭弧性能。当GIS中发生局部放电、火花放电、电弧放电、绝缘击穿等时，产生的高能量将使SF6分解，生成多种不稳定物质，它们与微量的氧气和水分发生反应，最终生成二氧化硫（SO2）、四氟化碳（CF4）、氟化亚硫酰（SOF2）等组分等分解物。通过检测组分中一些特征分解物，能有效地实现对故障部位、故障性质的快速判断。

目前，检测SF6分解气体主要包括气相色谱法、检测管法和电化学传感器法。气相色谱法在分解物成分和含量确定方面具有优势，适合实验室定量分析。检测管法主要检测SO2和HF，常用于现场的快速粗略测量和故障后的气室定位。电化学传感器法的优势在于灵敏度高、检测速度快，主要检测SO2、H2S和HF，但需要解决好组分干扰、传感器寿命短等问题。

3 综合检测分析

通过对比上文的各类检查方法，可以看出：①超高频法的抗干扰能力最好，检测范围较大，且对所有放电类型都比较敏感；②超声波法则对测量近距离范围内的自由移动颗粒比较灵敏，而且便于确定故障的位置。因此，超高频法和超声波法成为了目前GIS局部放电现场检查的主要使用方法。

但还必须看到，超高频法和超声波法所接收的是两个不同类型的信号，可能受到的干扰源并不相同，例如前者不会受到现场噪音的影响，但后者对电气信号不敏感。为了充分发挥各类检测方法的长处，需要将检测方法联合使用，方能起到取长补短的作用。

本文建议在进行GIS局部放电检测工作时，可以首先利用超高频法检测。该方法的范围大，且对各种放电缺陷均具有较高灵敏度的特点，可以用来快速确认被测设备是否存在局部放电的缺陷。然后，再利用超声波法进一步检测确认。虽然超声波发的范围小，但它更方便于定位，而且对电气干扰不敏感的特点，可较好地确定GIS内部的缺陷部位及特征。同时，也需要加强对被测信号来源的关注，彻底消除误判断的可能性。最后，才进行解体分析检查。

4 应用案例

2010年某站点的GIS间隔避雷器气室存在异常响声和振动，初步判断GIS间隔避雷器气室存在严重绝缘缺陷。工作人员采用本文所提的综合检测方案进行检测，具体情况如下。

图1 GIS间隔局放测试点示意图

图2 超高频检测图谱

图3 峰值显示图谱

图4 PRPD显示图谱

表1 超声波局放测试数据

第一步，采用超高频法进行局放检测，其中传感器布局位置如图1所示。通过检测，发现在B2处信号幅值最大，各项测试结果如图2、图3和图4所示。测试过程中发现，越靠近B2盘式绝缘子信号越强，空气中信号较弱，由此可以推断检测到的信号确实来源于避雷器气室内部。

图5 超声波局放测试位置示意图

第二步，采用超声波局放测试仪对该间隔进行测试，测试位置如所示，测试结果显示，避雷器气室检测到较强超声波信号，信号幅值达到70 dB，隔离气室次之，具体测试数据如表1所示，可以判断该GIS间隔避雷器气室存在较严重的局部放电缺陷。

第三步，对该GIS设备进行解体分析与最终复查分析。检修人员打开避雷器气室的盆式绝缘子发现如下现象：①C相避雷器高压导电杆（动触头）随着盆式绝缘子一同升起，其他两相正常；②C相静触头的均压环没有紧固，小许力气即可把它摇动；③在气室内部，发现大量的SF6分解物。

上述情况表明GIS气室内部有强大的能量使得SF6气体分解，这也意味着该避雷器室在运行过程中存在严重的局部放电现象。通过解体的情况看，放电原因应该是C相高压导电杆与C相避雷器高压端没有紧固连接，存在悬浮电位，这与原理测试结果完全吻合。

5 结论

本文针对GIS设备局部放电问题进行了深入探讨。在分析GIS设备局部放电的影响因素基础上，介绍了常见的GIS局部放电检测方法，明确了各类方法的优缺点和适用场合，并提出了一种综合检测方案。实际现场检修表明该方案效果良好。本文的工作将对GIS设备的维护检修工作具有重要的现实意义。

［1］严玉婷，王亚舟，段绍辉，等.GIS局部放电带电测试原理研究及现场缺陷分析［J］.电瓷避雷器，2012（3）：51-56.

［2］王卫东，赵现平，王达达，等.GIS局部放电检测方法的分析研究［J］.高压电器，2012（8）：13-17，23.

［3］左新宇.利用SF_6分解物检测GIS内部局部放电故障［J］.电气应用，2012（7）：74-76.

［4］李海波，万荣兴，方勇.兰州东变电站750kV GIS母线筒缺陷原因分析［J］.高压电器，2010（11）：12-15.

［5］高凯，倪浩，杨凌辉.GIS局部放电检测的技术发展和分析［J］.华东电力，2012（8）：1384-1388.