气体绝缘金属封闭开关（GIS）状态监测技术研究

曾庆全

摘 要：气体绝缘金属封闭开关（GIS）的状态监测，是合理制定电力设备检修和控制策略的基础。本文总结了GIS主要的故障类型，重点是绝缘性故障和气体故障，介绍了工程中GIS状态监测技术的应用状况，并提出了具体建议。

关键词：气体绝缘金属封闭开关；状态监测；绝缘性故障；气体故障

1 引言

GIS是将变电站内除变压器以外的一次元件，如罐式断路器、隔离/接地开关、电流互感器、电压互感器、避雷器等集成为一体，内部充绝缘气体作为绝缘及灭弧介质的新型封闭式开关设备。虽然GIS设备具有较高的安全可靠性，但在实际工程中仍不可避免地会出现各种类型的故障。而且由于GIS设备内部气体压力较高，一旦发生事故，对设备本身及周边其他电力设备都将会造成不可估量的损失，进而严重影响电力系统的安全性和可靠性。

2 GIS设备主要故障类型

GIS的主要故障类型可分为两类：与传统设备性质相同的故障，如GIS设备的机械部分、断路器操作机构等；GIS设备的特有故障。特有故障主要包括以下几种。

（1）气体故障。包括气体泄漏故障和气体微水超标。GIS设备需要经常补充绝缘气体，气体泄漏严重时将会导致设备停运。同时，气体泄漏往往伴随着气体微显得多余的水的现象，分支的大气水的泄漏逐渐渗透到设备，气体含水量较高的重要原因是导致绝缘子击穿或其他绝缘部分。

（2）内部放电。盆沿表面局部放电，直到崩溃或绝缘子表面闪络，动态和静态接触机械磨损、电弧引起的残留金属碎片在设备内部，如气体室内高压磨表面的导体和绝缘外壳、电缆之间的电晕放电距离太小或内部松散的联系。

（3）内部组件失败。GIS内部组件包括断路器、隔离开关、负荷开关、接地开关、避雷器、套管、总线等。

3 GIS设备状态监测应用状况

3.1 开关动作特性监测

（1）电流波形监测。在CT二次回路、断路器二次分合闸回路和电机储能回路上附加配置穿芯式电流互感器，经过数学换算得到精确程度较高的断路器分合闸线圈工作电流及储能电机工作电流数据。

（2）速度特性监测。采用在CT两个额外配置的核心式电流互感器、断路器关闭时间点数据。

3.2 绝缘件绝缘监测

（1）紅外测温。该方法使用红外温度传感器，利用物体向外辐射红外能量来监测物体温度。由于GIS外面的金属外壳屏蔽了内部导体的温度辐射，所以红外测温对GIS设备内部器件适用度不高，但对与GIS连接的电缆触头处的温度监测应用广泛。

（2）局部放电定位。该方法是利用GIS设备内部各元件局部放电时所具有的声、波、电等信号特征确定局部放电发生位置的技术，定位准确度较高，能够有针对性地对设备采取补救措施，提高工作效率。目前应用中常用的GIS现场带电检测技术主要有超声波法和超高频法。

3.3 气体检测技术

（1）压力检测。气体压力可以表征断路器的气密性从而间接反映绝缘强度。检测方法主要是使用密度继电器或现场巡视压力表。

（2）微水含量检测。微水含量较高时会影响设备的绝缘强度，在发生局部放电、电晕放电等情况下易导致气体分解，产生有毒有害物质，腐蚀设备，影响正常工作，严重时甚至会造成绝缘击穿。常用检测方法是：使用便携式微水测量仪器。

（3）分解物检测。气体分子结构稳定，在设备正常运行时，能够保持其良好的物理化学性质。然而当温度过高达到200℃以上或者存在电弧放电情况时，气体分解，会产生有毒腐蚀性物质。常用检测方法是：气相色谱法、红外谱图法、检测管法、动态离子法等。

4 GIS状态监测技术应用的建议

电力设备状态监测在延长维护检修周期、延长设备使用寿命、减少和预防突发性、破坏性事故、减少停电时间等方面起着极为重要的作用。随着GIS设备状态监测技术的不断发展，GIS状态评估的规范性及准确性也不断提高。结合对现有技术的研究，提出以下具体建议。

（1）使用便携式手段对GIS进行定期巡视检查。制定设备维护方案时，应当在运行维护人员日常巡检的工作内容添加对GIS局部放电的检测，定期检查设备的绝缘状态。可以使用超声波探测器的盆式绝缘子GIS设备、法兰和其他关键部件进行测试；加强密封的密度继电器检查，通过观察压力表读数仪器，判断是否有漏气现象。如果发现不寻常的超声波信号，利用GIS综合措施准确判断和处理异常部分；如果发现压力表读数偏低，气体泄漏，操作维修人员需要及时报告安排停电检修，如果发现微水水平，应该检查是否漏气发生在同一时间，并分析微水位的原因。

（2）使用综合手段对GIS进行故障诊断。为准确识别GIS设备缺陷的位置，首先使用超声局部放电检测仪在检测到的异常区域内逐点仔细检测，找到异常信号最为强烈的点进行初步分析。由于在GIS内部，异常的超声信号不仅仅是由于局部放电，设备零件的冲电脉参考性的机械振动同样异常，信号出现了，使得单纯依靠高密度局部放电检测仪不能准确判定故障类型，他通过超高频法对该区域进行检测并确定到底是局部放电是内部崩溃了；最后将探测到的异常信号最为强烈的点和设备内部结构图比对分析，确定故障位置。为了提高变电站运行可靠性，针对一些少数重要的设备可考虑在GIS上直接配置局部放电在线监测系统，持续在线监测GIS局部放电状况。

5 结语

通过对GIS运行状态监测技术的研究，可以制定合理的设备状态检修和控制策略。长期运行经验积累了大量的现场数据，通过这些数据制定统一判断标准，通过对GIS主要监测量的分析判断GIS所处的状态，及时发现缺陷，采取有针对性的补救措施，防止缺陷严重化。对于超过寿命周期但运行状态良好的设备，也应制定计划进行周期性的检修，及时更换必要的电器元件，以消除内在隐患，提高电网运行的可靠性。应当说明的是，随着新型传感技术、计算机技术、设备制造工艺水平的进步，带电设备在线监测技术在故障识别、预防等方面正发挥着越来越重要的作用。

参考文献

[1] 邱毓昌.GIS装置及其绝缘技术[M].水利水电出版社，1994

[2] 王昌长，李福祺，高胜友.电力设备的在线监测与故障诊断[M].清华大学出版社，2006.