代文章 楊 慧 黃 華 陳海東

(寧夏石嘴山供電局，寧夏 石嘴山 753000)

氣體絕緣組合電器內(nèi)部局部放電產(chǎn)生原因及檢測方法探析

代文章 楊 慧 黃 華 陳海東

(寧夏石嘴山供電局，寧夏 石嘴山 753000)

概述了研究氣體絕緣組合電器(GIS)局部放電的重要意義，對(duì)GIS內(nèi)部局部放電故障產(chǎn)生的原因及類型進(jìn)行了探討，并提出GIS局部放電的幾種檢測方法。

GIS；局部放電；原因；在線檢測

0 引言

氣體絕緣組合電器(Gas Insulated Switchgear，簡稱GIS)因?yàn)檎嫉孛娣e小、運(yùn)行可靠性高以及電磁污染低等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于城市封閉式變電站中。但是，GIS也存在各類絕緣缺陷，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生局部放電，對(duì)設(shè)備絕緣造成損壞，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響。

1 研究GIS局部放電的重要意義

GIS是一種新型電氣裝置，其絕緣介質(zhì)是SF6氣體。變電站中，GIS將變壓器除外的諸如隔離開關(guān)、斷路器、母線、避雷器、互感器、接地刀閘等不同的電氣設(shè)備按照接線要求組合成為一個(gè)整體。相比于開放式的輸電設(shè)備，GIS具有一系列優(yōu)點(diǎn)：受外界干擾小、安裝周期短、運(yùn)行安全穩(wěn)定、電磁污染低、維護(hù)工作量小以及結(jié)構(gòu)緊湊，能夠減少整套裝置的空間體積及占地面積等，在大城市的高密度建筑群中應(yīng)用廣泛，緩解了大型變電站占地面積大和城市中的建設(shè)用地不斷縮小之間的矛盾。

雖然現(xiàn)場運(yùn)行時(shí)，GIS的穩(wěn)定性及可靠性都很高，但因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)、組成以及運(yùn)行等方面的原因，GIS內(nèi)部不可避免地存在各類絕緣缺陷，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生局部放電，引發(fā)絕緣及設(shè)備故障，造成重大事故。分析國家電網(wǎng)公司72.5～800 kV組合電器的運(yùn)行情況，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和資料顯示，截至2008年6月底，共發(fā)生GIS絕緣事故24次，絕緣障礙13次，分別占事故總數(shù)的72.7%、17.6%。氣體組合電器運(yùn)行時(shí)，造成故障的主要原因?yàn)閮?nèi)部絕緣問題，其主要表現(xiàn)為閃絡(luò)前產(chǎn)生局部放電(Partial Discharge，簡稱PD)。而局部放電不僅是引發(fā)絕緣故障的主要因素，也是反映介質(zhì)絕緣狀況的特征量。所以，對(duì)GIS的運(yùn)行狀況及內(nèi)部局部放電進(jìn)行研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 GIS內(nèi)部局部放電產(chǎn)生的原因及類型

2.1 金屬突出物

由于機(jī)械破壞、加工不良或者裝配時(shí)相互碰撞擦刮，在GIS內(nèi)部，經(jīng)常會(huì)有非常尖銳的金屬突出物。這種金屬突出物常以兩種形式存在：一種為罐體內(nèi)壁上突起的金屬毛刺，另一種為高壓導(dǎo)體上突起的金屬毛刺。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，在一定電壓等級(jí)下，這種金屬突出物在絕緣氣體中會(huì)形成高場強(qiáng)區(qū)，誘發(fā)GIS內(nèi)部局部放電的產(chǎn)生。

2.2 絕緣子表面的金屬微粒

除在安裝過程中，絕緣子表面的金屬微?？赡墚a(chǎn)生吸附，其他情況下基本因?yàn)槠渌麅?nèi)部缺陷類型進(jìn)而引發(fā)二次效應(yīng)。該類金屬微粒對(duì)設(shè)備絕緣的影響一般具有潛伏期。設(shè)備內(nèi)部，該類金屬微粒在電場力的作用下一般移至低場強(qiáng)區(qū)，從而不發(fā)生局部放電，但隨著設(shè)備的長期運(yùn)行，在某些情況下該類金屬微粒長期固定于絕緣子表面，進(jìn)而形成固定金屬微粒，該類金屬微粒便與金屬突出物類似，最終誘發(fā)局部放電的產(chǎn)生。

2.3 絕緣子的氣隙缺陷

在制造GIS的盆式絕緣子時(shí)，所使用的材料為環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂在固化過程中會(huì)產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，并且環(huán)氧樹脂與金屬電極的溫度熱膨脹系數(shù)不同，加之工藝配合不當(dāng)，會(huì)使設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)層離及空隙。實(shí)際運(yùn)行中，由于氣體介質(zhì)的介電系數(shù)遠(yuǎn)小于固體介質(zhì)，如果高壓導(dǎo)體間和絕緣子交界處有間隙，則間隙會(huì)有很高的電場強(qiáng)度，進(jìn)而產(chǎn)生有損于固體絕緣子的局部放電，對(duì)絕緣造成破壞。

2.4 自由導(dǎo)電微粒

GIS中自由導(dǎo)電微?？赡苁菣C(jī)械裝置動(dòng)作時(shí)金屬相互磨擦產(chǎn)生的金屬粉末，也可能是裝配過程中清洗不徹底的遺留物。外電場作用下，自由導(dǎo)電微?？梢垣@得很大能量，進(jìn)而移動(dòng)至對(duì)絕緣有損害的地方，當(dāng)自由導(dǎo)電微粒未接觸但是很接近高壓導(dǎo)體時(shí)，設(shè)備內(nèi)部非常容易發(fā)生局部放電。GIS中，危害最大并且最常見的絕緣缺陷便是自由金屬微粒。

3 GIS局部放電檢測方法

在研究中發(fā)現(xiàn)，GIS內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，放電脈沖上升非?？?，并常伴隨聲光電熱等現(xiàn)象。根據(jù)局部放電引發(fā)的不同形式的化學(xué)反應(yīng)及物理效應(yīng)，可以將常用GIS局部放電檢測方法分為兩大類。

3.1 電測法

3.1.1 脈沖電流法

由于某種絕緣缺陷誘發(fā)GIS內(nèi)部局部放電時(shí)檢測阻抗兩端，脈沖電流經(jīng)過耦合電容會(huì)耦合隨時(shí)間變化的脈沖電壓，經(jīng)過采集、放大、顯示等處理過程，就能通過脈沖電壓檢測局部放電強(qiáng)度，其一般檢測頻段為10 MHz以內(nèi)，適用于局部放電較低頻段成分。同時(shí)，脈沖電流法還可以校準(zhǔn)測量回路，對(duì)視在電荷進(jìn)行定量。脈沖電流法是檢測局部放電最常用的方法。

3.1.2 射頻電流檢測法

該方法采用射頻傳感器對(duì)GIS內(nèi)部的局部放電強(qiáng)度進(jìn)行檢測，測試的信號(hào)頻段為1～30 MHz。一般檢測室常用的射頻傳感器主要有耦合電容傳感器、Rogowski線圈以及射頻天線傳感器等。采用射頻電流檢測法可以一定程度上避開電磁波干擾，但不能完全消除。射頻法主要應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，檢測研究GIS內(nèi)部的局部放電。

3.1.3 超高頻法

GIS內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，輻射出300～3 000 MHz的超高頻電磁波。因?yàn)镚IS結(jié)構(gòu)為同軸，其氣室類似于一個(gè)低損耗的微波共振腔，電磁波只能從支撐GIS內(nèi)部導(dǎo)體的盆式絕緣子處泄漏出來，因此，可以在此處利用超高頻傳感器對(duì)泄漏出的電磁信號(hào)進(jìn)行檢測。超高頻法檢測局部放電靈敏度高，抗空間電磁干擾能力強(qiáng)，并且能夠識(shí)別絕緣放電類型。

3.2 非電檢測法

3.2.1 超聲波檢測法

超聲波檢測法檢測的信號(hào)頻段為20至數(shù)百千赫茲。GIS內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，內(nèi)部分子發(fā)生激烈撞擊，會(huì)發(fā)出超聲波信號(hào)并同時(shí)很快向介質(zhì)四周傳播。在GIS外殼處安裝超聲波傳感器，就能夠捕捉局部放電時(shí)發(fā)出的超聲波信號(hào)，進(jìn)而判斷GIS內(nèi)部是否發(fā)生局部放電現(xiàn)象。超聲波檢測法不影響GIS的運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)局部放電源的定位及在線檢測，并且不受電氣干擾，但無法進(jìn)行局部放電類型識(shí)別及放電量標(biāo)定，因此是一種輔助性測量方法。

3.2.2 化學(xué)檢測法

GIS內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，會(huì)誘發(fā)其中的SF6氣體分解，得到如SOF2、SO2F2、SOF4、S2F10、HF、CO、CO2、CH4、SO2等化合氣體。研究結(jié)果表明，不同的化合氣體分解物代表不同種類的絕緣缺陷，所以對(duì)局部放電誘發(fā)SF6分解后的不同分解化合氣體的含量、成分以及變化趨勢(shì)進(jìn)行檢測，可以分析GIS內(nèi)部局部放電情況及絕緣缺陷的嚴(yán)重程度，進(jìn)而對(duì)GIS的絕緣狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。化學(xué)檢測法不能檢測出精確的放電量，檢測分解產(chǎn)物時(shí)所用周期較長，因此只運(yùn)用于實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)GIS內(nèi)部局部放電的研究。

3.2.3 光測法

GIS內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，強(qiáng)場區(qū)局部可使SF6分子電離，較高能級(jí)原子回到基態(tài)，部分正離子和負(fù)離子復(fù)合，進(jìn)而以光的形式釋放能量，其中分子不同將會(huì)激發(fā)出頻率不同的光譜成分，光測法利用光電傳感器對(duì)內(nèi)部光信號(hào)進(jìn)行檢測，依據(jù)光譜成分分析局部放電強(qiáng)度及絕緣缺陷類型。光測法靈敏度較高，受外界干擾小，但氣體密度增大時(shí)，GIS內(nèi)壁可能有反射現(xiàn)象發(fā)生，出現(xiàn)檢測“死角”，準(zhǔn)確性不高，該方法不適用于在線檢測。

4 結(jié)語

GIS在大城市的高密度建筑群新建變電站時(shí)的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，研究GIS內(nèi)部絕緣缺陷及其引發(fā)的局部放電極其重要。運(yùn)用文中提到的檢測方法對(duì)GIS設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行全面檢測，可以有效地保證GIS設(shè)備的安全運(yùn)行。

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2014-09-16

代文章(1969—)，男，寧夏石嘴山人，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)設(shè)備的安裝、調(diào)試、檢修工作。