电气开关设备GIS内部绝缘故障的分析及对策

张立功，豆占良，张俊珍

（神华国华（北京）电力研究院有限公司，北京 100025）

电气开关设备GIS内部绝缘故障的分析及对策

张立功，豆占良，张俊珍

（神华国华（北京）电力研究院有限公司，北京 100025）

电气开关设备GIS具有许多常规敞开式变电站无法比拟的优点，但在运行中也暴露出许多内部绝缘故障，给发供电系统的安全运行造成严重的影响。结合某公司GIS内部绝缘故障事件的调研情况，从5个方面深入分析了实际现场中造成GIS内部绝缘故障的风险因素，并从质量管控措施的加强和现场绝缘试验的完善两个角度提出了减少GIS内部绝缘故障的对策，为能够有效控制绝缘故障提供借鉴参考。

GIS设备；绝缘故障；风险因素；管控措施；现场绝缘试验

随着系统容量及电压等级的不断提高，电气开关设备GIS在实际运行中出现了不少内部绝缘故障。据统计，仅在神华国华（北京） 电力研究院有限公司（下文简称“神华”） 4家电厂中，GIS就曾发生过绝缘拉杆击穿2次、盆式绝缘子闪络5次、气室内部局放或放电接地5次。GIS在电厂中的位置非常重要，其故障会直接造成机组停机，而且其检修周期较长，给电厂带来巨大经济损失的同时，也严重影响了系统的稳定性。因此，深入研究GIS绝缘故障，并提出可行的应对措施，对于各发电公司和电力系统来说具有深远意义。

1 绝缘故障风险因素分析

GIS的内部导电体与外壳属于同轴圆柱体间隙的稍不均匀电场结构，绝缘结构空间紧凑，运行电压高。其绝缘击穿电压与电场结构的均匀度、光洁度、间隙距离、极性以及SF6气体的压力、水分等诸多因素有关[1]。通过对神华成立以来的GIS绝缘故障进行调研和统计，发现导致GIS绝缘故障发生的原因主要有5个方面（如图1所示）。其中，绝缘部件制造缺陷和机械损伤以及表面粉尘杂质积累导致的故障占较大比例。

图1 GIS绝缘故障原因分析图

1.1 绝缘部件制造缺陷和机械损伤

GIS的绝缘部件主要包括盆式绝缘子、支柱式绝缘子、绝缘拉杆等。制造缺陷和机械损伤对绝缘部件绝缘性能的影响主要表现为裂纹缺陷、气泡缺陷和金属杂质三方面。下面以盆式绝缘子为例。

a） 裂纹缺陷。在制造GIS时，盆式绝缘子如果自身机械强度不足，运行中应力释放后可能产生局部裂纹。在工厂装配或现场组装环节中，如果装配不当或螺栓紧力不均，盆式绝缘子可能因残留异常应力而出现局部裂纹。在现场母线对接时，因磕碰或蛮力施工，也可能导致对接面的盆式绝缘子出现局部裂纹。此外，冷热温差造成的内应力也可能导致绝缘子表面出现微小裂纹。

当盆式绝缘子出现较长贯穿性裂纹时，会造成绝缘子表面闪络电压明显降低，绝缘性能下降，进而直接导致绝缘子闪络事故。虽然有些裂纹在发展初期很微小，其长度和厚度都较小，裂纹处电场分布较均匀，所以不发生局部放电。但微小裂纹出现后，在其发展过程中，裂纹厚度将慢慢增大[2]。例如，河北某电厂500 kV GIS的线路II因组装时造成绝缘子的微小应力裂纹，裂纹扩大后，出现击穿接地。

b）气泡缺陷。由于原材料不稳定、操作不规范、模具不合格或工艺不完善等原因，盆式绝缘子的环氧树脂绝缘件在制造时，内部存在气泡的情况屡见不鲜。

环氧树脂的相对介电常数远大于气泡内空气，所以当盆式绝缘子内部出现气泡时，气泡所在部位的电场将出现严重畸变。同时空气的击穿电压还远小于环氧树脂，一旦气泡内的场强超过一定值，气泡内就会发生局部放电。虽然这种现象不会迅速造成贯穿性放电通道，但是因为局部放电持续时间长，会逐渐引起绝缘劣化的发展和扩大。由文献 [3]可知，当气泡缺陷出现位置离绝缘子表面很近时，该位置沿面的切向电场强度将被大幅度提升，可导致盆式绝缘子沿面放电的现象更易发生。

c） 金属杂质。盆式绝缘子的生产制造过程中，由于中心导体的硬度和强度均低于模具，若模具和中心导体不能完好对中，则在二者配合面处，模具棱角很有可能从中心导体上削下金属屑。如果清理不及时，在浇注绝缘件时浇注体内部很可能混入金属屑。由文献 [4]可知，金属杂质被混入后，盆式绝缘件内部电场将发生很大畸变，造成金属杂质附近的电场强度大于允许值。同时，金属杂质还会减小盆式绝缘子的有效绝缘长度。随着运行时间增长，盆式绝缘子很可能因此而被击穿。

1.2 绝缘部件表面粉尘杂质积累

现场实际情况显示，GIS绝缘部件表面积累粉尘杂质的现象不可避免。在制造厂的装配、设备运输以及现场气室组装环节中，GIS设备绝缘部件表面都有可能受到粉尘、杂质以及汗渍或油垢等污染。在气室隐蔽处也可能残留金属微粒、粉末等导电性杂质，若不经过严格清理，绝缘表面和气室内部就会留下绝缘隐患。此外，在开关动作和定期试验过程中，也会或多或少地在气室内产生导电性杂质和电荷。

气室内导电杂质的自由运动会影响局部SF6气体的纯度，降低其绝缘性能。此外，导电杂质在交直流电压的作用下，易附着到绝缘子表面，致使绝缘子表面局部电场被集中，引起表面闪络电压明显降低，严重时会出现沿面放电现象。由于SF6的击穿电压远高于绝缘部件表面的闪络电压，所以绝缘部件表面积累导电杂质更容易引起GIS的内部绝缘故障，其危害也更大。研究表明，随着绝缘子表面电荷沉积量的增加，其沿面闪络电压将至少减小10%[5]，所以表面粉尘杂质的积累对绝缘故障的影响不容忽视。例如，辽宁某电厂500 kV GIS的3号线路B相出线的盆式绝缘子就曾因表面清理不净而沿弧面发生放电故障。

1.3 导体部件表面毛刺或划痕

在GIS设备的结构技术中，对导体表面的光洁度要求很高，不能存在毛刺、划痕及凹凸不平之处。但导体表面存在毛刺或划痕而发生GIS绝缘故障的事件仍时有发生。毛刺或划痕通常是在制造或组装时所造成，多数是因为工作不严谨导致。此外，当GIS遭受大幅值冲击过电压后，均压罩等薄导体附近发生放电现象时，释放的能量也可能使薄导体变形，导致其表面出现凹凸不平，该公司某电厂的SF6罐式断路器内的均压罩即发生过此类事件。

当毛刺、划痕或凹凸不平出现后，其楞角因曲率较大、面电荷密度较高，故其附近的电场强度也较强。由于SF6绝缘性能好，在正常运行电压下，尖端部位也许可以保持稳定；但当遭遇较大的过电压时，尖端附近的SF6就可能被电离，发生尖端放电，引发跳机事件。

1.4 紧固部件松动和脱落

GIS内部部件的松动缺陷是典型的组装质量问题。它主要是由于制造厂家在部件安装环节中未能严格控制装配工艺和检验水平，致使壳内金具、屏蔽罩等部件的紧固力未能达到规定标准。通常，如果严格执行规范流程，松动缺陷完全是可以避免的。

部件的松动会对设备绝缘性能产生很大危害：在运行中产生异音；形成悬浮电位，从而导致强烈的局部放电；在电动力的作用下，屏蔽罩等会因振动而发生变形，导致GIS内部电场发生畸变，引发绝缘击穿事故；在电动力的作用下，螺栓等小零件可能会脱落，破坏GIS内部的电场均匀，甚至搭接在导体与地之间，直接造成接地故障。例如：河北某电厂500 kV GIS东骅II线A相避雷器气室，在装配电阻片芯体时电阻片穿芯杆金具未压紧，在运行中金具和碟簧、垫片之间产生局部放电，局放产生的粉末造成气室内SF6气体绝缘强度降低，最终导致接地故障。

1.5 GIS设备内部受潮

GIS设备中的水分来源较多。例如：在制造、现场组装以及解体检修等环节，GIS设备可能受环境影响被侵入水分；绝缘部件、SF6新气以及装入的吸附剂等本身就含有微量水分，运行中会缓慢释放出来；在GIS外壳存在砂眼、密封材料老化或装配不良、密封面处理不到位、密封胶灌注不均匀等情况下，大气中的水分也会向GIS内部渗透。

当GIS内部侵入的水分超标后，会严重损害其绝缘性能[6]。首先，在电弧的作用下，水分会加速SF6的分解，并产生具有强烈腐蚀特性的杂质。这些杂质危及检修人员自身安全的同时，还会对绝缘部件产生化学腐蚀，降低其绝缘水平。此外，在温度较低时，大量水分很容易在绝缘材料表面或壳体内结露，大大降低绝缘闪络电压，严重时造成闪络击穿。

2 质量管控措施的加强

从前面的风险因素分析中可看到，GIS设备的绝缘故障多数与制造、运输、安装等环节的质量控制不严有关。为了消除许多本可避免的缺陷和隐患，防止多数故障的发生，用户不应完全局限于制造厂的质量责任，还应加强质量监督、检查及验收工作。

a）GIS设备选型时，用户除关注主设备厂家的产品质量和业绩外，还要对GIS设备的重要配套产品严格把关，杜绝使用质量问题产品，防止由于选配不当引发GIS设备故障。

b）要加强对绝缘部件的材质、制造质量、安装工艺和清洁度的监督，并在试验和安装的关键环节处设置风险见证点，保证绝缘部件在使用前已进行了100%的检查和试验。其中，绝缘拉杆和绝缘子等部件应进行探伤、机械特性、工频耐压、局部放电等试验检查。

c） 在GIS设备的制造装配及现场组装中，应在作业环境、作业工艺、光洁度、防污防潮、检验复查等各个环节中加强监督控制力度，使内部绝缘故障的各项风险因素得到有效的管控。

d） 在GIS设备出厂前，应提高出厂试验见证工作的标准化程度和严肃性，认真监控试验项目和试验过程，避免制造厂家出厂试验的漏检、不检、误检，从源头上杜绝问题GIS设备的出厂。在出厂试验中，要增加冲击电压试验项目。

e） 在现场组装GIS设备前，用户要对厂家已组装好的各设备单元进行开盖检查，以确保在运输过程中不存在振动带来的紧固部件松动、脱落等隐患。对于因结构原因不能开盖的，必须在单独试验和评估后才能进行组装。

f）现场的气室组装环节要以制造厂为主体，以确保现场安装质量。在组装气室的过程中，用户要按照技术文件的规定，制定并实施具体的防污防潮措施，严格做好监督工作，并应避免气室组装工作与其他工程交叉进行。为确保万无一失，在隐蔽工程和气室封闭前，用户要安排具有资质的专业人员进行最终的质量复查。

3 现场绝缘试验的完善

GIS的试验有型式试验、出厂试验、现场试验3种。型式试验的目的是校验设计的正确性；出厂试验的目的是校验GIS加工过程中是否有问题；而现场试验则是带电前确保GIS能安全运行的最后一个环节。同时，在对GIS进行检修和状态评估时，也必须进行现场绝缘试验。一般来说，前面所述的风险因素发展为真正的绝缘故障需要一段时间，在此期间会暴露出一些蛛丝马迹。通过完善的现场绝缘试验，可发现这些蛛丝马迹，从而便可将故障扼杀在萌芽中。

3.1 常规现场绝缘试验的不足

GIS的现场绝缘试验方法有很多。据调研，实际现场应用较多的仅SF6气体湿度测试、GIS设备泄漏测试以及交流耐压试验。

气体湿度测试和设备泄漏测试是确保SF6气体质量合格以及压力足够的关键试验，而SF6气体压力和质量满足要求是GIS具有良好绝缘性能的前提，所以气体湿度测试和设备泄漏测试是必做的试验项目，但SF6气体的湿度和渗漏并不能直接反应GIS的绝缘性能，这一点从表1即可看出。4起GIS内部绝缘故障发生时，故障气室SF6气体的微水含量和年泄漏率均在合格范围内。

表1 故障气室SF6的微水含量和年泄漏率

交流耐压试验对于GIS来说，是很好的绝缘试验方案，可有效地检查存在导电微粒、绝缘子严重脏污、内部遗留工具等缺陷，还可对GIS进行老练处理。但其试验性质是，若试品耐受规定的试验电压而无击穿，则试验通过[7]。而GIS故障中许多早期隐患只有微量征兆，在规定的试验电压下不会立即击穿，因此，交流耐压试验不能有效发现和捕捉GIS早期缺陷。

可见，常规现场绝缘试验还远不能满足尽早诊断GIS内部绝缘故障的要求。

3.2 交接时进行局部放电试验

实际故障的统计分析表明，所有风险因素造成绝缘劣化的现象，都是从局部放电开始发展的。绝缘劣化的程度越严重，局部放电的视在放电量就越大。目前的GIS局放检测仪灵敏度很高，可以通过检测局放过程中产生的超高频电磁波或超声波来准确感应GIS内部很小的放电，从而可检测到比较轻微的绝缘劣化现象，这对于捕捉GIS的早期缺陷非常有利。例如上海某公司生产的PD-iGMS-P8A型便携式GIS局部放电检测仪，应用超高频 (UHF)传感器信号探测技术以及专用的诊断软件，可完成GIS内部局放及噪声信号的自动识别，从而检测到最低约1pC的局部放电量。

由于现场布置、干扰或试验设备等条件限制，部分用户在GIS设备安装完毕后的主回路绝缘试验中，没有安排局部放电试验，只是进行了交流耐压试验及老练试验。但调研中发现，交接时交流耐压试验通过后，GIS设备仍发生绝缘故障的事件有多起，其中在投运1年内故障暴露的情况较多。可见，投运前存在的制造或装配缺陷，在交接时的交流耐压试验中并没有被检测到，而这些缺陷便在投运1年内陆续暴露。交接时，若在交流耐压试验后安排局部放电试验，由于其灵敏度很高，则必能成为交流耐压试验的很好补充[8]，发现一些较小的缺陷，从而大大降低绝缘故障率。

3.3 投运后开展SF6气体分解物检测和带电局放测试

GIS设备在故障下内部SF6气体分解产物的种类和含量可有效、快速地表征故障性质和程度，可准确判断故障位置。该检测技术与现有的电气试验形成综合诊断后，将更有效服务于SF6电气设备的运行监督，实现故障诊断和早期故障预警。神华近些年已在多起事故诊断中应用该项检测技术，所用试验设备为厦门某公司生产的JH3000-2型SF6电气设备分解物产物检测仪，依据标准如表3所示。

表2 GIS设备SF6气体分解物的正常值范围 μL/L

GIS设备在安装投运后除开展常规的维护、检漏及微水检测工作外，建议在投运1个月内开展GIS各气室的SF6气体分解物检测；运行3个月或6个月时复测并进行比较分析。当SO2、H2S、CO、HF等特征气体的含量超标或增速明显时需引起注意。经综合判断后，发展趋势较严重者应及时停电处理，无异常后1年检测1次。

由于局放试验灵敏度也很高，所以在进行SF6气体分解物检测的同时，还可开展带电局放测试。通过两者结合使用，可更有效地确认是否存在故障缺陷。例如，若存在低电位悬浮放电缺陷时，早期气体分解物的产生速率较低，可能不易检出，但带电局放检测可以做到测量跟踪。

当GIS设备遭受近区短路冲击、严重过电压冲击、强烈电磁场或出现异常声响时，出现隐患的几率较高，故此时应立即开展SF6气体分解物检测，并结合带电局放检测的结果进行设备状况的综合分析。

3.4 运行中增加在线监测诊断设备

GIS的两次预防性试验之间有一定时间间隔，对于期间发生的缺陷以及缺陷的发展趋势难以实时准确掌握，这对应对GIS内部绝缘故障非常不利。若可以安装在线监测装置，能简便测出气体压力、微水量、局放量或SF6气体分解物等参数，便可时刻监控GIS绝缘状况。即便监测值存在误差，只要误差值不太大，则可以掌握参数的变化趋势，那对于评估GIS的绝缘状态也是很有意义的。

目前市场上针对GIS设备，已有微水、局部放电等在线监测诊断系统及应用案例，一些研究机构也正在进行SF6气体分解物在线监测诊断系统的研究工作。GIS用户可以根据需要，选配必要的、灵敏度高、抗干扰能力强的在线监测产品，以实时地了解GIS设备的现有状态和变化趋势，并形成动态分析数据和预警，从而及时发现各种异常或故障征兆，避免GIS绝缘故障和经济损失的扩大。

4 结论

GIS设备的绝缘性能是确保其安全可靠运行的重要条件。目前，GIS设备的许多内部绝缘故障的发生都涉及工艺质量，不管是厂家的制造装配环节，还是用户的现场组装环节，都是GIS设备质量控制的短板。各环节工作应认真实施相应的质量管控措施，注重细节管理，严格工艺和操作流程。同时，要完善交接时和投运后的现场绝缘试验，从而大大提高GIS设备及系统运行的安全可靠性。

[1] 罗学琛．SF6气体绝缘全封闭组合电器 (GIS)[M]．北京：中国电力出版社，1999．

[2] 苑维琦．特高压盆式绝缘子裂纹缺陷放电研究 [D]．北京：华北电力大学，2014．

[3] 罗文天．存在气泡缺陷的盆式绝缘子电场仿真分析 [D]．沈阳：沈阳工业大学，2014．

[4] 白晓萍，李娟，尹茂华．盆式绝缘子击穿分析及防范措施[J] ．高压电器，2013，49(10)：149-153．

[5] 邢照亮．盆式绝缘子表面电荷分布对沿面闪络的影响 [D]．北京：华北电力大学，2013．

[6] 李建明，朱康．高压电气设备试验方法 [M]．北京：中国电力出版社，2001．

[7] 中华人民共和国电力工业部．气体绝缘金属封闭开关设备现场交接试验规程：DL/T 618—1997[S]．北京：中国电力出版社，1997．

[8] 中华人民共和国国家发改委．气体绝缘金属封闭开关设备运行与维护规程：DL/T603—2006 [S]．北京：中国电力出版社，2006．

Fault Analysis and Countermeasures of Internal Insulation of GIS

ZHANG Ligong,DOU Zhanliang,ZHANG Junzhen
（Shenhua Guohua(Beijing)Electric Power Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100025,China）

Electrical switchgear GIS has many advantages,which conventional substations can't compare to.However,many internal insulation faults were exposed in operation,which seriously affects the safe operation of power system.Combined with the investigation of the GIS insulation failure in a company,the actual risk factors in the field are analyzed from five aspects in this paper.Measures are put forward to reduce the internal insulation failure of GIS from the aspects of enhancing quality control and perfecting field insulation test so that it can provide references for effective control ofinsulation failure.

GISequipment;insulation fault;risk factors;control measures;field insulation test

TM595

B

1671-0320（2017）05-0028-05

2017-07-20，

2017-07-30

张立功（1971），男，天津蓟县人，1992年毕业于太原电力专科学校电力系统及其自动化专业，工程师，高级技师，从事电力系统变配电设备研究；豆占良（1987），男，河北邢台人，2013年毕业于华北电力大学电力电子与电力传动专业，工程师，从事电力系统变配电设备研究；张俊珍（1966），男，山西阳泉人，1989年毕业于太原工业大学电力分校电力系统及其自动化专业，高级工程师，从事电力系统电气一次设备研究。