基于GIS 局部放电及震动声音运行工况的探讨探究

张 峰,黎永豪,蒋 维

（广东电网公司佛山供电局,广东佛山,528200）

1 概述

气体绝缘金属封闭开关设备（GasInsulatedSwitchgear）被称之为GIS，因为他的结构是全封闭的，一般情况下不受外界环境的影响，其运行的可靠性较高，安装速度也比较方便快捷，并且其运行的费用比较低，同时它所占使用面积较小，这完全符合城市规划的审美要求。但是， GIS 设备的内部结构相对较为复杂，并且由于GIS 管理人员对GIS 的工作原理掌握不牢，对运行维护的经验不够丰富，在发生故障时候，不能及时对GIS 设备的故障进行准确定位，也很难做到正确的处理故障，这将导致GIS 设备故障逐渐扩大，从而降低GIS 设备运行的可靠性以及安全性。对电网带来了隐患。一些运行中设备异常声音及通过检测仪器检查的数据尤其值得大家去分析和探讨，从而对设备进行正确的诊断，有效预防电力事故的发生。

2 GIS 设备局部放电常用检测方法

当GIS 电气设备产生局部放电故障时，很可能会引起GIS 气室外SF6 绝缘气体发生气体分解并且伴随发光现象，这种现象的产生是在强烈热效应以及电流较大情况所导致的。因此，局部放电所引起的物理变化以及化学变化的各种特征以及产生的物质，都是作为GIS 局部放电故障检测的信号来源，通过这些现象及所产生物质可以判断局部放电的多种特征因素，即通过GIS 局部放电的现象来有效的检测设备故障时候所产生的异常特征值，这样就可以准确定位故障点及故障状态。以前在电力系统的GIS 设备的定期点检和特殊检查的工作中，由于缺乏有效可靠的检测措施及方法，造成设备存在安全隐患。随着科技的进步，先进的GIS 局放检测技术得以日益发展，常用的有以下几种方法：X 光检测技术、超高频检测法、红外测温技术、超声波检测技术等。而应用最广泛的检测技术是X 光检测技术及超高频检测法。

2.1 X 光检测技术的应用

X 射线成像的原理与医院、机场等地方所见到的CT、安检系统射线检测的工作原理是相同的。在穿透物体的过程中X 射线与物质产生相互作用，通过吸收和散射的强度变化，感光材料能够接收到这种变化的信号后，上传至信号处理系统，经处理后形成影像。

一般情况下，用于GIS 检测的一套完整的检测系统包括：射线源、感光板、CR 扫描系统、成像显示系统、现场移动支架、移动工作站等。X 光检测技术可以应用于检测GIS 设备局部放电的检测中，GIS 设备的局部放电故障主要现象是内部结构发生变形或者严重损坏，同时由于物理变化和化学变化伴随一些异常物质产生，如：零件松动脱落、动、静触头发生变形、部件烧损、绝缘拉杆爆裂等现象。由于X 射线成像技术方便快捷、成像质量相当高、成像效果直观等优点，为此这成为了断定GIS 设备内部局部放电故障的有效方法，通过X 射线技术便可以很快断定故障位置及原因。

2.2 超高频检测技术的应用

由于GIS 设备内部绝缘体出现故障时，通常会伴随局部放电现象的产生，为此，通过对局部放电检测便可以有效检测出GIS设备发生的故障类型。GIS 设备结构一般具有性能较高的波导体特性，UHF（超高频电信号）能够在这些导体进行传播。为此，我们可以采用超高频局部放电检测技术对GIS 故障进行检测。如果GIS 设备的内部结构中不存在任何故障阻隔情况下，电信号的衰减相对很小，但是如果电信号在通过受阻部位的时候，比如遇到绝缘子、套管转角等电信号就会很快衰减。当超高频电信号在通过绝缘子的过程中，它的电信号一般衰减3-6dB。所以，可以通过电信号衰减的成都来准确判断出GIS 设备局部放电所发生的具体位置。局部放电超高频检测法，在故障检测故障过程中，由于检测的是高频信号，而其他干扰信号频率相对较低，这样便可以有效避开其他低频信号的干扰，这样便可以提高局部放电检测可靠性以及故障定位的准确性，这种方法是目前国内外比较普遍的检测方法，并且一些变电站在GIS 设备关键部件中已安装了超高频局部放电检测系统，并且这种系统处于实时在线检测状态，通过这种方法来确保GIS 设备运行的安全性和可靠性。

3 GIS 局部放电电磁仿真和超高频检测对比分析局放形态

在使用SF6 气体绝缘的GIS 设备中，局部放电发生的时候，信号脉冲持续时间相当短，波长仅仅为几个ns。通常情况下，为了简化故障分析，我们把局部放电产生的电流看成是对称的脉冲，通常用如下的Gaussian 形状的脉冲模型来展示，本文中仿真所用的局部放电源脉冲的峰值电流为30mA，脉冲宽度为5ns。

可以得出，GIS 设备局部放电产生的电流信号频段比较宽，通过对252KV 的GIS 设备内部高压导体上的φ0.05×lcm 固定突起部件发生局部放电来进行模拟试验，GIS 设备内部高压导体外直径为10.2cm，外壳内直径为29.4cm，长度为4m。模拟中采用1×l×lcm 网格来进行分析，边界采用与之匹配层(PML)材料进行吸收，在计算过程中选取绝缘子相对介电常数取为3.9。采用IMST Empire 电磁仿真软件来分别GIS 发生局部放电过程中内部内部1 和外部2(距离GIS 外壳绝缘缝隙10cm)处的信号进行模拟仿真。仿真图谱以及实测图谱如图1 所示。

图1 仿真图谱与实测图谱

通过左侧仿真图谱（a）和（b）以及右侧实测图谱，仿真结果说明了在GIS 设备内部发生局部放电过程中，局部放电脉冲能够激发上升沿的信号比较陡峭，但是因为设备其内部是不连续波导结构，电磁波在设备内部会引起反射同时会产生复杂谐振现象，频段成分最高能够达到数GHz。其次，通过比较内部内部1 和外部外部2 处的结果，内部1 处的电信号的幅值是外部外部2 处的2倍，这表明电信号能够从绝缘缝隙中泄漏，但是由于受到绝缘子以及缝隙的影响，信号的幅值会有明显衰减现象，同时由于信号在绝缘缝隙中会发生折射和散射现象，致使外部信号比内部信号要复杂很多。

通过仿真结果得出局部放电频段比较宽，能够大道数GHz，信号成分也比较为多，并且以为局部放电的信号比较弱，同时高频信号在传播过程中受到很大的衰减，为此在测试系统中需要选用增益大于20dB 的宽带放大器来对电信号进行放大处理。外部2 处于空气中，通过实验对空气中的局部放电产生的高频信号衰减特性进行研究分析，可以得出该高频检测系统的有效检测范围大约为17 米。在外部2 处的检测结果可以通过检测工具直观显示，将仿真结果与实际检测图谱进行比对，可以得出仿真所得出的结果与实测所得的结果基本是一致的。这就说明了超高频局部放电检测方法是一种比较有效的GIS 设备局部放电检测方法。

4 案例综合分析

4.1 案例一：某企业110kV 高压断路器在运行过程中，出现声音增大现象，为此，对其进行故障排查，进行了超声波检测。

测试过程如下：首先在测试断路器A 相机构连杆处电压，其测量值为约500mV；其次测量A 相下法兰处，其测量值为：RMS=100mV；peak=700mV，F1=20mV；F2=60mV；BNC 输入值等于40db，背景噪声值为1.5mV。滤波器低端频率为10kHz；高端频率100kHz；改变测试参数，采用50kHz 时进行测试，其测量值稍微偏低。

相位测量主要范围是50Hz-100Hz，从相关来看，100Hz 的比例大于50Hz 的比例，这表明GIS 内部发生了较严重的放电，或者存在屏蔽环松动开路现象。从滤波器的频段相应变化情况分析，50kHz 和100kHz 频段，他的幅值没有太大变化，这说明放电位置与导电体接近。从测试点的分布位置来分析，放电衰减的范围分布面积相对较大，这与导电体放电的传播特征相符合。这种放电过程是间歇式放电，间隔时间是20 至50 秒，放电持续时间为30到90 秒左右。

停电后对其进行解体并认真检修，此时发现断路器上部的瓷套法兰内部CT 引线的绝缘均压固定环存在松动现象，这便导致了局部放电现象的发生，并且绝缘部位已经出现比较严重电蚀磨损现象。采取更换新绝缘均压固定环的措施，并对其进行跟踪测试一定时间，没有发现异常现象。

4.2 案例二：某站发现GIS 内腔存在异响，在进行GIS 异响检查性测试，现场可听声音判断GIS 的异响为#1 主变变高101间隔。

4.2.1 现场应用超高频、超声波局放测试

使用PDM1000 的超高频法和超声测试法进，以及对该GIS 间隔局放测试,其中盆式绝缘子处采用超高频法测试，GIS 外壳处采用超声波法测试。两种测试方法得出的图谱图图2 所示。

图2 超高频测试法以及超声波测试法

对比两种测试方法得出以下结论：

1）由超高频图谱来看由于信号幅值均小于-70dbm，从相位图没有看出明显的放电特征；

2）由超声图谱来看由于信号幅值均小于35db，从相位图没有看出明显的放电特征。

通过以上可以得出试验结论，本次试验分别用PDM1000 的超声模式、超高频模式以及使用PD check 电缆出线处采用高频脉冲电流法测试试系统对主变变高101 间隔进行了局放测试，均没有发现局部放电信号；同时，试验人员还进行了气体分解物的测量，各类分解物数值均无异常。GIS 外壳表面没有明显的发热现象，可能因为变高101 开关间隔的1011 刀闸连杆部位出现震动情况，当时变高101 开关负荷电流为(A 相：13.6A，B 相12.8A，C 相12.8A)，负荷低，试验人员初步估计该震动与负荷无关。最终对GIS 设备进行开腔检查，发现在导向导体的均压环安装间隙过大，在运行过程中因电动力作用产出周期性的震动。经调整后恢复正常。

5 结束语

在变电站中，GIS 是其中很重要的设备，已经有很多年的使用历史，它在设计制造以及安装调试等方面也取得了巨大的技术性革新。在变电站的GIS 设备使用过程中，需要把实际的使用情况在结合，采取一套比较完善的、系统的GIS 设备使用维护制度，提高对GIS 安装调试及日常维护过程中所需要的各种技术质量的监督，对GIS 各个关键部件进行日常点检，这样才能够及时的发现GIS 存在的质量问题和安全隐患，才能够采取有效措施对其进行处理，消除故障扩大的可能性，从而确保变电站GIS 设备运行的安全性、可靠性以及稳定性。

[1] 张舵.科技资讯北京.北京国际科技服务中心.2006 年第36 期

[2] 王国来.硅谷网.《变电站室外GIS 故障原因及处理措施 》.北京：中国科学技术协会和中国科技新闻学会 2012年第7 期。

[3] 闫斌，何喜梅，吴童生，王志惠.中国电力.《GIS 设备X 射线可视化检测技术》，青海：青海电力科学实验研究院.2010,第7 期。

[4] 《超声波测定工艺在GIS 设施问题诊断中的效用研讨》.中国超声波网：2011 年7 月16 日。