气体绝缘组合电器内部局部放电产生原因及检测方法探析

2014-04-16代文章陈海东

机电信息 2014年30期

关键词：检测法微粒绝缘子

代文章杨慧黄华陈海东

(宁夏石嘴山供电局，宁夏石嘴山 753000)

气体绝缘组合电器内部局部放电产生原因及检测方法探析

代文章杨慧黄华陈海东

(宁夏石嘴山供电局，宁夏石嘴山 753000)

概述了研究气体绝缘组合电器(GIS)局部放电的重要意义，对GIS内部局部放电故障产生的原因及类型进行了探讨，并提出GIS局部放电的几种检测方法。

GIS；局部放电；原因；在线检测

0 引言

气体绝缘组合电器(Gas Insulated Switchgear，简称GIS)因为占地面积小、运行可靠性高以及电磁污染低等一系列优点，被广泛应用于城市封闭式变电站中。但是，GIS也存在各类绝缘缺陷，在实际运行时，其内部会产生局部放电，对设备绝缘造成损坏，对电网的安全运行产生影响。

1 研究GIS局部放电的重要意义

GIS是一种新型电气装置，其绝缘介质是SF6气体。变电站中，GIS将变压器除外的诸如隔离开关、断路器、母线、避雷器、互感器、接地刀闸等不同的电气设备按照接线要求组合成为一个整体。相比于开放式的输电设备，GIS具有一系列优点：受外界干扰小、安装周期短、运行安全稳定、电磁污染低、维护工作量小以及结构紧凑，能够减少整套装置的空间体积及占地面积等，在大城市的高密度建筑群中应用广泛，缓解了大型变电站占地面积大和城市中的建设用地不断缩小之间的矛盾。

虽然现场运行时，GIS的稳定性及可靠性都很高，但因为结构、组成以及运行等方面的原因，GIS内部不可避免地存在各类绝缘缺陷，其内部会产生局部放电，引发绝缘及设备故障，造成重大事故。分析国家电网公司72.5～800 kV组合电器的运行情况，统计数据和资料显示，截至2008年6月底，共发生GIS绝缘事故24次，绝缘障碍13次，分别占事故总数的72.7%、17.6%。气体组合电器运行时，造成故障的主要原因为内部绝缘问题，其主要表现为闪络前产生局部放电(Partial Discharge，简称PD)。而局部放电不仅是引发绝缘故障的主要因素，也是反映介质绝缘状况的特征量。所以，对GIS的运行状况及内部局部放电进行研究具有十分重要的现实意义。

2 GIS内部局部放电产生的原因及类型

2.1 金属突出物

由于机械破坏、加工不良或者装配时相互碰撞擦刮，在GIS内部，经常会有非常尖锐的金属突出物。这种金属突出物常以两种形式存在：一种为罐体内壁上突起的金属毛刺，另一种为高压导体上突起的金属毛刺。实际运行时，在一定电压等级下，这种金属突出物在绝缘气体中会形成高场强区，诱发GIS内部局部放电的产生。

2.2 绝缘子表面的金属微粒

除在安装过程中，绝缘子表面的金属微粒可能产生吸附，其他情况下基本因为其他内部缺陷类型进而引发二次效应。该类金属微粒对设备绝缘的影响一般具有潜伏期。设备内部，该类金属微粒在电场力的作用下一般移至低场强区，从而不发生局部放电，但随着设备的长期运行，在某些情况下该类金属微粒长期固定于绝缘子表面，进而形成固定金属微粒，该类金属微粒便与金属突出物类似，最终诱发局部放电的产生。

2.3 绝缘子的气隙缺陷

在制造GIS的盆式绝缘子时，所使用的材料为环氧树脂，环氧树脂在固化过程中会产生收缩现象，并且环氧树脂与金属电极的温度热膨胀系数不同，加之工艺配合不当，会使设备内部出现层离及空隙。实际运行中，由于气体介质的介电系数远小于固体介质，如果高压导体间和绝缘子交界处有间隙，则间隙会有很高的电场强度，进而产生有损于固体绝缘子的局部放电，对绝缘造成破坏。

2.4 自由导电微粒

GIS中自由导电微粒可能是机械装置动作时金属相互磨擦产生的金属粉末，也可能是装配过程中清洗不彻底的遗留物。外电场作用下，自由导电微粒可以获得很大能量，进而移动至对绝缘有损害的地方，当自由导电微粒未接触但是很接近高压导体时，设备内部非常容易发生局部放电。GIS中，危害最大并且最常见的绝缘缺陷便是自由金属微粒。

3 GIS局部放电检测方法

在研究中发现，GIS内部发生局部放电时，放电脉冲上升非常快，并常伴随声光电热等现象。根据局部放电引发的不同形式的化学反应及物理效应，可以将常用GIS局部放电检测方法分为两大类。

3.1 电测法

3.1.1 脉冲电流法

由于某种绝缘缺陷诱发GIS内部局部放电时检测阻抗两端，脉冲电流经过耦合电容会耦合随时间变化的脉冲电压，经过采集、放大、显示等处理过程，就能通过脉冲电压检测局部放电强度，其一般检测频段为10 MHz以内，适用于局部放电较低频段成分。同时，脉冲电流法还可以校准测量回路，对视在电荷进行定量。脉冲电流法是检测局部放电最常用的方法。

3.1.2 射频电流检测法

该方法采用射频传感器对GIS内部的局部放电强度进行检测，测试的信号频段为1～30 MHz。一般检测室常用的射频传感器主要有耦合电容传感器、Rogowski线圈以及射频天线传感器等。采用射频电流检测法可以一定程度上避开电磁波干扰，但不能完全消除。射频法主要应用在实验室环境下，检测研究GIS内部的局部放电。

3.1.3 超高频法

GIS内部发生局部放电时，辐射出300～3 000 MHz的超高频电磁波。因为GIS结构为同轴，其气室类似于一个低损耗的微波共振腔，电磁波只能从支撑GIS内部导体的盆式绝缘子处泄漏出来，因此，可以在此处利用超高频传感器对泄漏出的电磁信号进行检测。超高频法检测局部放电灵敏度高，抗空间电磁干扰能力强，并且能够识别绝缘放电类型。

3.2 非电检测法

3.2.1 超声波检测法

超声波检测法检测的信号频段为20至数百千赫兹。GIS内部发生局部放电时，内部分子发生激烈撞击，会发出超声波信号并同时很快向介质四周传播。在GIS外壳处安装超声波传感器，就能够捕捉局部放电时发出的超声波信号，进而判断GIS内部是否发生局部放电现象。超声波检测法不影响GIS的运行，能够实现对局部放电源的定位及在线检测，并且不受电气干扰，但无法进行局部放电类型识别及放电量标定，因此是一种辅助性测量方法。

3.2.2 化学检测法

GIS内部发生局部放电时，会诱发其中的SF6气体分解，得到如SOF2、SO2F2、SOF4、S2F10、HF、CO、CO2、CH4、SO2等化合气体。研究结果表明，不同的化合气体分解物代表不同种类的绝缘缺陷，所以对局部放电诱发SF6分解后的不同分解化合气体的含量、成分以及变化趋势进行检测，可以分析GIS内部局部放电情况及绝缘缺陷的严重程度，进而对GIS的绝缘状态进行评估。化学检测法不能检测出精确的放电量，检测分解产物时所用周期较长，因此只运用于实验室条件下对GIS内部局部放电的研究。

3.2.3 光测法

GIS内部发生局部放电时，强场区局部可使SF6分子电离，较高能级原子回到基态，部分正离子和负离子复合，进而以光的形式释放能量，其中分子不同将会激发出频率不同的光谱成分，光测法利用光电传感器对内部光信号进行检测，依据光谱成分分析局部放电强度及绝缘缺陷类型。光测法灵敏度较高，受外界干扰小，但气体密度增大时，GIS内壁可能有反射现象发生，出现检测“死角”，准确性不高，该方法不适用于在线检测。