GIS设备的故障诊断与监测技术

李名莉，王记昌

（河南工业职业技术学院，河南南阳473000）

GIS设备的故障诊断与监测技术

李名莉，王记昌

（河南工业职业技术学院，河南南阳473000）

摘要：GIS是一种先进的高压电器配电装置。它主要是把母线、断路器、电流互感器、电压互感器、隔离开关、避雷器等经过优化设计有机地组合成一个整体，也叫高压配电装置。分析了GIS设备的故障诊断及监测技术。介绍了GIS设备的巡视检查、GIS内部故障定位监测、GIS的状态监测、GIS设备的检修规程等。

关键词：GIS；六氟化硫；高压配电设备；故障；监测

1　概述

在电力工业中，GIS是指六氟化硫封闭式组合电器，国际上称为“气体绝缘金属封闭开关设备”（Gas Insulated Switchgear），全称为气体绝缘组合电器设备，简称GIS。是我国20世纪70年代初期出现的一种先进的高压电器配电装置，它将一座变电站中除变压器以外的一次设备，包括母线、断路器、隔离开关、接地开关、负荷开关、电压互感器（PT）、电流互感器（CT）、氧化锌避雷器、三极共箱母线、电缆终端、进出线套管、间接控制柜等，经优化设计有机地组合成一个整体。GIS设备的内部电场结构是用同轴圆体间隙，故称稍不均匀电场，而常规变电站则是棒－板组成不均匀电场。

GIS设备的所有带电部分都被金属外壳所包围，它是用铝合金、不锈钢、无缝铸钢等材料做成的。外壳用铜母线接地，内部充有一定压力的六氟化硫气体。

高压配电装置的型式有3种：第一种是空气绝缘的常规配电装置，简称AIS。其母线裸露直接与空气接触，断路器可用瓷柱式或罐式。第二种是混合式配电装置，简称H－GIS。母线采用开敞式，其它均为六氟化硫气体绝缘开关装置。第三种是六氟化硫气体绝缘全封闭配电装置。其英文全称Gas－Instulated Switchgear，简称GIS。GIS的优点在于占地面积小、技术性能优良、运行可靠性高、安全性强、维护工作量很小，其主要部件的维修间隔不小于20年。GIS将是未来变电设备的发展方向。

一般来说，GIS是运行可靠性高、维护工作量小、检修周期长的高压电器设备。此外，GIS在制造时均进行过充分的性能验证试验，然后以组件的形式出厂，在现场对设备进行拼装，这些都给GIS的安全可靠运行创造了有利条件。

但是，六氟化硫气体的泄漏、外部水分的渗入、导电杂质的存在、绝缘子的老化等都可能导致内部闪络故障的发生。一旦内部出现电弧故障，GIS的全密封结构又给故障的定位及检修工作带来困难。因此，加强对GIS的巡视和检查，以及发现GIS的异常后，立即采取相应措施以避免GIS故障的发生和扩大，就显得尤为重要。

2　 GIS设备的巡视检查

用六氟化硫气体绝缘的设备可免除外界环境，诸如温度、湿度及大气污染等因素的影响，并能保持设备在良好的条件下运行。这是由于六氟化硫气体具备了优良的绝缘和灭弧性能。其触头和其他零部件的使用寿命更长、结构更简单，操作机构部分的协调性能和可靠性更高。显然六氟化硫气体绝缘设备较一般电气设备的各方面特性都更具优势。通常情况下，设备无须修理，并具有检修周期长的特点。GIS巡视检查的目的是保护六氟化硫气体绝缘设备及其他附属设备的性能以及预防故障发生。

根据六氟化硫全封闭组合电器的结构特点，其检查要点就是通过六氟化硫气体的压力和使用人的直觉来发现金属罐内部主回路的异常情况。另外，操作机构和金属罐外部结构件的检查要点与非六氟化硫气体绝缘的电器相同。

（1）六氟化硫气体的压力。

维持和控制六氟化硫全封闭组合电器中气体的压力是非常重要的。设置带有温度补偿的压力开关对于六氟化硫气体压力进行自动监视，还可以通过压力表进行辅助监视。因此定期地监视六氟化硫气体压力，就有可能在温度补偿压力开关发出警报以前发现漏气的征兆，预防故障发生。

（2）异常声音。

与其它机器相同，将压缩空气操作机构的漏气声音，压气机、电动机等辅助机不正常旋转的声音作为预定检查的项目。一旦在金属罐内主回路中出现不正常的局部放电时，就能够听到从金属罐壁中传出来的，具有某种特征的六氟化硫气体通过的声音。此外，由于电流通过内部导体产生的电磁力、静电力而出现的微振动，螺母松动等不正常情况，都可从金属罐中传出的声音变化反映出来。

（3）发热异臭。

万一带电的内部导体接触不正常，将会在不正常部位附近的金属罐上出现发热现象。当操作机构的控制继电器、电动机等出现发热，气味异常时，检查要点与其它设备相同。

（4）生锈。

生锈表明沾水，生锈可能会导致被腐蚀、滑动不灵、接触不良的情况。金属罐法兰的连接部分、露在外面的连接导体或操作机构部件等都是需要检查预防生锈的部件。

（5）其它结构的目测检查。

检查组合电器的操作机构、连接机构的轴销、弹簧挡圈、开口销等有无损伤，有无漏气、漏油的痕迹，连杆有无变形，水是否渗入外壳，结构件有无变形，漆层有无脱落等方面，其检查要点与其它电力设备相同。六氟化硫全封闭电器独特的结构部分有压力表、温度补偿压力开关、法兰的绝缘装配、外部连接导体、六氟化硫管道系统、阀门，都应通过目测检查，确定这些部件有无损伤。

当GIS断路器累计分合3000－4000次或累计开断电流4MA以上时，检查一次其动静耐弧触头，一般需运行20年及以上时才会达到上述数字。

当GIS隔离开关和接地开关分合闸3000次以上时，应检查其磨损情况。而GIS装置的第一次解体大修是在运行20年后进行或在GIS事故后进行，目前通常是委托制造厂进行。

3　 GIS内部故障定位监测

3．1常规的内部故障定位监测

GIS内部闪络故障可分为两类。一类发生在耐压试验中，另一类发生在运行的设备中。这两类故障电弧特性差别很大。在耐压试验中，如果采用工频谐振装置，燃弧时间一般为微秒级。电弧能量等于被试段储存的能量。可按12CU2计算，其中C为被试段电容值，U为击穿电压。对于500kV的GIS，一次击穿释放的电弧能量大约为20J／m。击穿对导体造成的损坏很小，目测检查十分困难。对于试验中的永久性故障，通常可采用声波监测法定位。

3．2新型的内部故障定位监测

由于常规的内部故障定位监测方法存在不足之处，随着科学技术的迅速发展，研究部门和制造厂家利用新原理提出了一些新的监测方法。

（1）超高频法

超高频方法用于局部放电监测的原理如下。通过接受GIS内部放电时发出的电磁波来监测局部放电。这种方法的基础是在高压力的六氟化硫中，局部放电总是在很小范围内发生，因此具有极短击穿时间的特征。这种具有快速上升时沿的局部放电脉冲包括有从直流到超过1GHz的频率成分。GIS的同轴结构是一个良好的波导，超高频（300MHz－3000MHz）电磁波可在内部有效地传播。电力系统中的电晕放电等主要电磁干扰信号的频率一般在1500 MHz以下，而且因其在空气中传播、衰减很快。所以，可选择超高频段的电磁信号作为监测信号，以避开常规电气测试方法中难以识别的电力系统中的干扰，从而提高局部放电监测的信噪比。

（2）外壳振动法

大量的试验研究结果表明，由于GIS内部电极不平整、金属飞边在电场作用下的放电，以及由于零部件加工工艺不严格及安装过程中遗留下来的导电杂质，在电场作用下漂浮击穿导致的外壳振动都具有典型的频率特性。内部放电引起外壳振动具有典型的频率特性。同时，振动信号与局部放电信号出现的相位相接近，并具有重复性。试验表明，由于内部放电引起的金属外壳振动是随内部放电强度的强弱而变化的，局部放电量越强，振动强度就越大。振动信号和局部放电信号的区别金在于导电材料不同、放电源不同，振动强度随着放电强度而增长的趋势各不相同。

（3）GIS故障定位器

GIS在出厂试验及在现场进行耐压试验中，一旦发生对地闪络故障，通常采用多次分段重复加压的方式，依靠人的听觉进行判断。这种做法既不准确，也会使有些部位受到多次耐压，对绝缘有害并延误工期。故障定位器则可以在耐压的同时正确地判断发生短路的间隔，极大地缩短了检修周期，提高了工作效率，同时减少对GIS某些部分绝缘重复加压所带来的损坏。当组合电器发生短路时，短路电弧产生的冲击波引起外壳振动，这种振动波沿金属外壳传递，在金属与绝缘子交界面上产生波的反射和折射，从发生故障间隔通过绝缘子传递到相邻不放电间隔，振动强度衰减10倍以上，其中高频分量衰减尤为显著。定位器就是根据这一原理设计的。

（4）GIS内部放电监测仪

GIS由于制造工艺、安装质量等问题，可能在腔内遗留金属导电微粒，只能通过局部放电信号才能被监测仪采集，并进行A／D转换、峰值保持显示出放电发生的通道和所设定的门坎电压。为提高采集信号的准确性，采集软件必须做到保证连续五周的每个半波都采集到超过门坎电压的信号才认为是放电信号，记为1。用这种方法将许多随机性质的干扰排除在采集内容之外，从而提高整个测量系统的抗干扰性和准确性。

（5）局部放电脉冲电流频度的数字测量

脉冲电流频度的数字测量利用局部放电的相位特征，通过相位选择的方法，将各相局部放电的脉冲电流单独分离出来，再用不平衡法求取不平衡指数，现场干扰信号的脉冲电流，以此求得每一相局部放电脉冲电流的个数，然后对脉冲电流个数的计数进行比较和分析，确定放电的相别及严重程度。

4　 GIS的状态监测

状态监测包括定期和连续监测两个系统，其传感器、监测设备和方式不大一样。

（1）定期监测

在设备运行期间，每隔一段时间需要人为干预进行的监测。范围包括一般的监测（如六氟化硫密度监测）和需要线路停电的监测（即主回路阻抗监测）。

（2）连续监测

在整个设备使用期间都可采用该项技术而无需停电。数据可以用开关状态的任何迹象发出报警信号、远方询问或简单的信息。

定期监测可以提供开关状态的许多有用数据，也有不足之处，对于设备突发性问题有可能会遗漏。连续监测可以避免这种情况，可以在远方监测而无需到变电站，这样就节省了大量的人力物力。对于GIS的可靠运行和维护检修而言，定期监测和连续监测是相辅相成的，特别是定期检查记录的数据，会有相当数量的作为设备状态的原始数据而纳入数据库，成为监视设备的基础数据。

5　 GIS设备的检修规程

GIS本体解体检修应在无风沙、无雨雪、空气相对湿度小于80%的条件下进行，并采取防尘、防潮措施，室内应干燥、通风良好，室内的保持至少有18%的氧气密度。GIS本体解体检修需要得到厂家的技术人员指点下进行。使用的清洁剂、润滑剂、密封脂和擦拭材料必须符合产品的技术规定。所有螺栓的紧固均应使用力矩扳手，其力矩应符合产品的技术规定。GIS本体解体检修时，当GIS气室内未充如额定压力的六氟化硫气体时，不得进行快分、快合操作。GIS中的断路器、隔离开关（电动操作）在调整中应进行慢分、慢合的操作，确认无卡涩，各部件的紧固螺栓应紧固，并充有额定压力的六氟化硫气体时，方可进行快分、快合的操作。无论是液压机构、弹簧机构，还是气动机构、电磁机构，检修前一定要先释放分、合闸能量，取下操作熔丝和合闸熔丝后，才能开始检修。

参考文献：

［1］杨斌，章立军，郭云．电气设备诊断现场实用技术［M］．北京：机械工业出版社，2012．

［2］陈家斌．变电运行与管理技术［M］．北京：中国电力出版社，2004．

［3］雷玉贵．变电检修［M］．北京：中国水利水电出版社，2006．

中图分类号：TM642＋．1

文献标识码：A

文章编号：1005—7277（2015）03—0052—04

作者简介：

李名莉（1987－），女，河南南阳南召人，本科毕业于河南理工大学电气工程及其自动化专业，研究生毕业于河南理工大学控制工程专业。现就职于河南工业职业技术院，助教，研究方向为过程控制。

王记昌（1983－），男，河南人，河南工业职业技术学院机电工程系教师，硕士研究生，从事机电教学工作。

收稿日期：2014－02－17

Fault diagnosis and monitoring technology of GIS equipment

LI Ming－li，WANG Ji－chang

（Henan Polytechnic Institute，Nanyang 473000，China）

Abstract：GIS is a kind of advanced HV electric appliance distributing equipment．It is mainly combined into a whole with the bus，circuit breaker，current transformer，voltage transformer，disconnector，surge arrester organically by the optimization design，namely HV distributing equipment．The fault diagnosis and monitoring technology of GIS equipment are analyzed．The patrol inspection，internal fault location monitoring，status monitoring，and the maintenance regulations of GIS equipment sre introduced in detail．

Key words：GIS；sulfur hexafluoride；HV distributing equipment；fault；monitoring