GIS局部放电故障诊断研究

2014-05-11王天正

通信电源技术 2014年2期

闫杰，王天正

（山西省电力公司电力科学研究院，山西太原030001）

0 引言

随着电力体制改革不断深入，电力系统内部设备不断更新。GIS设备因其体积小、可靠性高等优点，被广泛应用于电力系统中。但是GIS一旦发生事故，修复时间长，对电力系统危害极大。因此，必须要对GIS故障进行诊断，局部放电检测是一个较为有效的方法。该方法已经成为有关行业的重要研究对象。

1 GIS设备的应用

随着经济的发展、社会的进步，人们对电力供应的质量以及可靠性要求不断提高。在这种形势下众多先进的技术以及设备被广泛应用于电力系统中，包括GIS设备。GIS设备即SF6全封闭组合电器，它是20世纪70年代初期出现的一种先进的高压电气配电装置，国际上称为Gas Isolated Switcher，简称GIS。GIS设备中存在SF6气体，该气体稳定性非常高。在设备运行中通过提高该气体的压力来确保自身的绝缘性能，从而使得GIS设备的绝缘性能非常好。GIS设备比传统绝缘开关占地面积小，受外界环境污染影响小，具有较高的可靠性。总之，其具有良好的绝缘性能和高可靠性，能够保障操作人员的人身安全。

但是，GIS设备也具有一定的缺陷，主要表现在：GIS设备的内部绝缘距离短，长期处于高强度电场下运行，极易发生故障。其属于全封闭组合设备，发生故障后造成的影响程度深，对电力系统以及人们的用电带来严重的损害。因此，为了充分利用该设备的优势，使得其更好地服务于电力系统，必须重视GIS设备的生产以及安装流程，对其进行必要的检测。此外，由于GIS设备容易发生局部放电现象，会对绝缘材料产生侵蚀，其产生的热力等还会分解绝缘材料，造成材料的损坏。因此，必须针对局部放电开展必要的检测。

2 GIS局部放电故障检测

2.1 局部放电

局部放电是放电现象的一种，是电气设备中发生的没有贯穿整个绝缘材料，而是产生于局部的放电，其产生原因主要是由GIS设备局部电场过强造成的。一般地，依据产生原因可以把局部放电简单地分为内局部放电和外局部放电。内局部放电主要包括气体中的放电、固体绝缘材料中的放电、液体中的放电；外局部放电包括辉光放电、电晕放电、脉冲放电等。局部放电类型见图1。关于内部局放的气体放电，该气体主要存在于GIS设备固体绝缘材料内部。内部气体局放是一个综合的过程，其主要原理是：GIS设备在运行中，由于外部电离、阴极放射等原因会造成设备内部产生原始自由电子，并且这些电子会在电场中高速运转，容易与其他的分子产生碰撞，从而使得自由电子的数量急剧增加，设备内部电场的强度也急剧增加，当到达一个界限之后，则会产生电子崩现象。这种现象极易造成设备内部绝缘距离被击穿。GIS设备内部的气体局放就由此产生。此外，由于该设备中SF6气体的特性，导致电子崩现象极易发生。因为SF6气体属于电负性气体，在这些具有强绝缘性能的气体之中，自由电子与气体分子相结合，导致电场强度持续增加，当强度达到界限值后，设备中气体的电极间就会发生电子崩现象，此时一旦形成导电通道，则会使得设备中的整个绝缘距离被击穿。

图1 局部放电类型

2.2 局部放电故障检测

局部放电在各电气设备中均有可能发生，是一种非常普遍的现象。为了确保GIS设备的运行可靠性，必须要对其进行必要的检测。这就涉及到局部放电检测技术。GIS局部放电故障检测起源于20世纪60年代，发展至今已经较为成熟。这种技术是高压检测技术一个主要的组成部分，属于无破坏性的检测。GIS局部放电故障诊断主要是基于局放产生能量的检测，通常设备中局部放电现象作用于绝缘材料时，会呈现集中性的特征，而局部放电故障检测技术正是利用此特征来判断GIS设备是否存在局部放电，从而为采取必要的措施提供依据。

3 GIS局部放电故障诊断技术

3.1 化学检测法

该方法又称气体分析法，其原理是基于分析局部放电量与GIS内发生局部放电时产生的SF4、S0FZ、HF、SO2等分解气体量之间的关系。过去，本方法要用气相识谱仪等对分解气体进行精密分析，其特点是抗电气干扰、抗振动干扰性能较优、安装方便，但检测灵敏度欠佳。

3.2 超高频检测法（UHF法）

超高频监测法的基本原理是：GIS发生绝缘故障的原因是其内部电场的畸变，往往伴随着局部放电现象，产生脉冲电流，电流脉冲上升时间及持续时间仅为纳秒（ns）级。该电流脉冲将激发出高频电磁波，其主要频段为0.3～3GHz。该电磁波可以从GIS上的盘式绝缘子处泄露出来，采用超高频传感器（频段为0.3～3GHz）测量绝缘缝隙处的电磁波，然后根据接收的信号强度来分析局部放电的严重程度。这种方法的优点：可以带电测量，测量方法不改变设备的运行方式；并且可以实现在线连续监测，可有效地抑制背景噪声，如空气电晕等产生的电磁干扰频率一般较低，超高频方法可对其进行有效抑制。抗干扰能力强。但是利用这种方法只能知道发生了故障，不能对发生故障的点进行准确的定位。

4 UHF局部放电故障诊断系统应用

通过对以上检测方法的研究，综合检测实例，发现超高频监测是GIS局部放电检测较为理想的方法。本文结合实践以及相关分析，采用一套UHF局放检测系统作为GIS设备局放故障诊断设备。

4.1 系统设备

该系统由SF6气体绝缘设备、GIS设备中的传感器、光纤通信设备、中央处理单元、操作单元等设备组成。试验在某真实GIS中进行，被试设备中装有5个局放传感器，如图2。

图2 局放检测系统

试验用测试变压器可以使试验电压在0～500 kV范围内变化且自身没有局部放电。保护电阻安装在测试变压器和GIS的导体之间。试验在不同的SF6气压下进行。

4.2 故障诊断

本次试验目的是得到一套在GIS中不同故障下的局部放电特征图谱，从而建立GIS中各种缺陷类型的局部放电数据库。通过各种图谱的比较，选择了试验结果以振幅相位发生率图（PRPD）（图1）和短时趋势图（STT）两种图谱来建立局放特征数据库。PRPD图和STT图较好地表示出典型故障的特点，为故障类型的识别打下了基础。在测试容器中模拟GIS设备中常见的故障类型：悬浮电位电极（Fp）、高压侧尖端（Ht）、高压侧钝体（Hb）、粘贴在绝缘体上的颗粒（Pi）、绝缘体上的移动颗粒（Mi）等，。通过系统的检测，能够直接转换为可视化的图形，为GIS局部放电的故障诊断提供依据。

图3 局部放电PRPD图

4.3 系统评价

检测系统可以通过处理得到两种图谱：局放发生率对振幅和相位的分布图（PRPD）、振幅和局放发生率分布的短时图。这两种图谱可以为故障诊断提供了可视化的实物，检测人员能够通过这些图谱对故障类型进行分析，掌握GIS局部放电情况，采取必要措施处理不合格的GIS设备，从而保障GIS的绝缘性能，提高电力系统的安全可靠性。