气体绝缘开关设备特性与在线监测原理

吴忠平

（国网湖北省电力有限公司随州供电公司，湖北 随州 441399）

0 引 言

随着我国智能化变电站建设的快速发展，智能化技术也得到了不断提升[1-2]。与传统变电站相比，智能化变电站的一次设备与二次设备密不可分[3]。为了更好地监测和保护一次设备，增加相应的监测和保护装置已成为重要趋势[4]。

气体绝缘开关设备是一种将变压器、架空线之外的其他一次设备，如断路器、接地开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线以及套管等，密封于金属壳内的电气设备。它具有较高的绝缘强度和可靠性[5]。气体绝缘开关设备具有体积小、可靠性高、环境适应能力强、检修周期长等特点，已经得到了电力行业的认可，设备装机容量逐年增长。

随着通信技术、自动化技术、传感器技术以及微处理器技术等的快速发展，可以运用这些技术实时监测和评价气体绝缘开关设备的运行状态[6]。通过科学的判断方法，能够及时发现设备的异常情况，并采取相应的措施进行处理，防止发生严重故障。当气体绝缘开关设备发生故障时，可以通过保存的数据记录，判断事故发生的原因[7]。通过在线实时监测气体绝缘开关设备的一些重点状态变量，能够获得设备的老化状态，从而及时采取措施处理异常情况。

1 气体绝缘开关设备特性

气体绝缘开关是一种将变电站的各类电气设备全部组装在一起，并位于一个密封的金属容器中的设备。通常情况下，该金属容器中充入了SF6气体，其气压保持在0.4～0.5 MPa。这种气体能够确保金属容器内的各电气设备之间绝缘，同时确保各设备与金属容器机壳之间绝缘。

与敞开式的高压设备相比，气体绝缘开关设备具有结构紧凑、可靠性高、故障率低、维护周期长以及内部环境稳定等优点。在常温状态下，SF6化学性能较为稳定，具有高绝缘强度特性，且负电性强。此外，SF6不易发生电离，具有较强的灭弧能力。在温度较高时，SF6会发生分解反应并吸收热量，有助于降低气体绝缘开关设备内部的温度。SF6分解后的气体同样具有较高的绝缘强度，能够保证设备的正常运行。不仅如此，SF6还具有液化温度低的优点，很少发生液化现象，性能稳定。

气体绝缘开关设备虽然具备优良的绝缘性、密封性以及稳定性，但是仍存在一些问题。首先，在向气体绝缘开关设备中充入SF6气体时，由于技术或设备等问题，可能会将一定的水分带入设备，导致设备内部各类电气设备之间的绝缘强度降低，对设备的正常运行产生负面影响。其次，在安装气体绝缘开关设备时，作业环境中可能存在粉尘、颗粒、杂质等物质。如果这些物质被带入设备内部，不仅会导致绝缘强度降低，而且容易引起局部发电，严重时甚至会导致绝缘击穿。最后，气体绝缘开关设备的结构相对复杂，制造困难，成本高。一旦设备出现故障，维修过程可能较为困难，维修成本也相对较高。

随着在线监测技术、大数据技术、专家系统技术、传感器技术的发展，可通过在线监测实时监控气体绝缘开关设备的异常。可在线监测的量包括：设备外壳振动信号、设备内部气体压力信号、温度信号、气体密度信号以及局部放电信号等。

2 气体绝缘开关设备的在线监测范围

2.1 SF6气体密度

经过调查分析，发现70%～80%的气体绝缘开关设备故障均来源于气体密封性能变差和开关的闭合性能变差。气体绝缘开关设备的绝缘强度与其内部气体压力密切相关。如果设备的密封性能变差，水分子会慢慢渗透到设备内部，由于水分子比SF6的气体分子小，因此会降低设备的绝缘性能。

为监测气体绝缘开关设备的状态，通常会使用密度继电器来检测设备内SF6气体的密度。该密度继电器应具备远传功能，以便及时获取设备内部的气体状态信息。

此外，通过检测SF6气体中的微水含量，也可以评估气体绝缘开关设备的绝缘强度。这种方法可以及时发现设备可能存在的问题，并采取相应的措施进行维护和修复。

2.2 局部放电

当气体绝缘开关设备内部存在局部放电时，会导致气体绝缘性能变差。因此，需要采取化学法、超高频脉冲法等方法检测局部放电。

气体绝缘开关设备的可靠性很高，维修周期较长，一般维修周期大于20年。因此，在该设备前期投入运行阶段，其可靠性较高，此时可不进行局部放电检测。

考虑到局部放电传感器的使用寿命约为10年，并且局部放电传感器存放在气体绝缘开关设备内部，更换较为困难。因此，综合考虑气体绝缘开关设备的维修周期与局部放电传感器的寿命，可以在气体绝缘开关设备投入运行10年左右再进行局部放电在线监测。这样可以确保设备在正常运行期间得到及时监测，并提前发现潜在问题，采取相应措施进行维护。

2.3 外壳振动

气体绝缘开关设备的外壳由于受到了电磁感应现象，磁致伸缩现象的影响，会产生频率为100Hz的固定振动。但是一旦设备出现故障，该振动频率将会出现明显变化。因此，实时在线监测气体绝缘开关设备外壳的振动十分重要。

当存在绝缘故障时，设备内将产生超声波，此时外壳振动的频率为2～20 kHz。该振动信号的重复性强。

当气体中存在金属颗粒时，受到电磁场作用，该金属颗粒将不断撞击外壳，引起振动，该振动频率为2～10 kHz。该振动信号是不可重复的，随机性强。

当设备进行开合闸操作时，也会导致设备机壳产生振动，该振动信号的频率为100～1 000 Hz，这类振动信号的持续时间短。

当设备出现接地故障时，接地线上流过较大电流，该电流将导致机壳振动，该振动信号的频率为100～300 Hz。

当设备内部装置受到复杂电磁场的影响，可能会与设备外壳发生共振现象，该振动信号的频率与工频无关，但是噪声较大，振动幅度强。

2.4 气体压力与温度

气体绝缘开关设备内部的气体压力与该设备的密封性密切相关，一旦出现气体泄漏故障，设备内部的气体压力将逐渐减小，趋近于大气压。在气体绝缘开关设备投入运行时，要求气体泄漏率每年不大于0.5%。

气体的压力与温度息息相关，检测到设备内部的气体压力变小，可能是设备泄漏导致，也可能是温度下降导致的，因此需在设备内部安装温度传感器，检测温度信息。

3 气体绝缘开关设备在线监测方法

针对气体绝缘开关设备存在的问题，提出几种在线实时监测其绝缘能力的方法，包括超声波监测法、化学检测法、电解法、超高频法以及露点法。

3.1 超声波监测法

超声波监测主要是针对局部放电问题设计的。当气体绝缘开关设备内部发生局部放电时，会伴随产生超声波信号。因此，可以在气体绝缘开关设备的外壳上安装超声波传感器，用于监测局部放电情况。

该方法可以简单、快捷地检测气体绝缘开关设备是否存在局部放电问题，但是其检测结果具有定量分析困难的问题。此外，该方法对于部分局部放电现象不敏感，具有灵敏度低的缺点。

在应用超声波监测方法时，需要综合考虑其优缺点，并结合其他监测方法进行综合分析和判断，以确保及时发现并解决气体绝缘开关设备存在的潜在问题。

3.2 化学检测法

化学检测法是检测气体绝缘开关设备是否存在局部放电的方法。该方法的主要依据是SF6在局部放电的作用下会发生化学反应产生其他物质，通过检测这些物质来判断存在局部放电现象。

该检测法的时效性较差，使用时需要定期进行采样和分析，并不适用于在线监测系统。

3.3 电解法

电解法是一种用于检测气体绝缘开关设备内微水含量的方法。该方法主要是取出气体绝缘开关设备内的气体，并将其通过电解池，以获得该气体的导电程度。通过分析导电程度，可以判断气体绝缘开关设备内的微水含量。

该方法需要经过长时间的干燥取气管道，因此也不适用于在线监测系统。

3.4 超高频法

超高频法也是用于检测气体绝缘开关设备内是否存在局部放电的方法。由于局部放电产生的脉冲持续时间较短，可以通过超高频天线检测局部放电时产生的高频信号[8]。

超高频天线设备具有强大的低频信号抗干扰能力，可以定量分析数据。使用该方法可以定位局部放电，并判断局部放电的缺陷类型。

在工程应用中，超高频法具有高灵敏度，适用于在线实时监测。通过超高频天线设备，可以及时发现局部放电现象，并采取相应的措施进行修复，确保气体绝缘开关设备的正常运行。

3.5 露点法

露点法主要是依据镜面冷却技术和光电检测结露的原理来检测气体绝缘开关设备中的微水含量。露点法可以实现在线监测的要求，具有监测速度快、精度高的优点。然而，在低温低湿环境中，露点法的精度可能会受到影响，存在精度低的问题。在选择使用露点法进行检测时，需要考虑其适用性和优缺点。在低温低湿环境下，可能需要采取其他方法进行补偿或校准，以确保检测结果的准确性和可靠性。

4 结 论

文章分析了影响气体绝缘开关设备正常运行的因素，主要对局部放电故障进行检测。由于气体绝缘开关设备内置的局部放电传感器的寿命为10年，因此需要在设备投入运行10年后进行局部放电的在线监测。通过实时监测气体绝缘开关设备的局部放电情况，可以及时发现潜在问题并采取相应措施进行维护，从而提高设备的可靠性和使用寿命。同时，文章所介绍的监测方法也可以应用于其他高压设备的局部放电检测，具有广泛的应用前景。