SF6气体分解物组份检测法在GIS局部放电故障诊断中的应用

毛建坤 汤会增 洪西凯 姚 东 金 轲

（国网河南省电力公司检修公司，郑州 450007）

SF6气体分解物组份检测法在GIS局部放电故障诊断中的应用

毛建坤 汤会增 洪西凯 姚 东 金 轲

（国网河南省电力公司检修公司，郑州 450007）

绝缘降低是GIS气体绝缘组合电器设备故障的主要原因，对GIS进行局部放电在线检测可有效掌握设备绝缘状况。本文分析 SF6气体分解物组份检测方法的原理，并搭建实验平台模拟几种典型绝缘故障，得出相应的检测频谱图。通过对检测频谱图分析，总结出该方法在GIS故障类型识别方面的特点，为后续GIS局部放电引起故障类型的研究提供参考。

SF6气体分解物组份检测法；GIS局部放电；故障类型识别；模拟试验

气体绝缘组合电器（Gas Insulated Switchgear，GIS）是将断路器、隔离开关、接地开关、母线等多种设备全部封闭在充满 SF6气体（作为绝缘和灭弧介质）金属外壳中的组合式开关电器［1］，GIS是高压输变电工程中的关键设备，一旦出现故障，将可能造成电网重大事故发生。绝缘降低是GIS设备故障的主要原因，对 GIS进行在线局部放电（Partial Discharge，PD）检测可有效掌握GIS内部绝缘状况，预防因 GIS故障跳闸造成的电网事故。SF6气体局部放电后，高温分解产物主要有SOF2、SO2F2、CO2、CF4等四种低氟硫化物，本文主要通过分解物传感器检测法，与计算机配合实现在线自动检测，是目前新兴的热点研究方向。

1　检测原理

GIS中PD发生时会产生ns级上升前沿的PD脉冲激励的电磁波，这些电磁波在充满 SF6气体的GIS气室内传播，存在的微小火花以及电晕放电都有可能沿离子化气体通道进行扩展，PD还会使SF6气体分解或发光。图1所示为通过针-板模型试验中不同放电区域内SF6气体的化学反应情况。

在微氧及微水等杂质环境中，PD会使SF6气体分解生成各种组份气体，其含量大小、变化规律等特征与GIS内部绝缘缺陷所产生的PD程度和类型有着密切的关联，故称之为特征组份气体［2］。通过检测 GIS气室中分解组份的含量即可判断是否有PD发生，SF6气体分解物检测法通过对PD引起的GIS内部 SF6气体分解生成的各种特征气体含量来检测PD信号［3］。影响SF6分解的因素主要有放电能量、电极材料、水分和氧气含量以及吸附剂等。

图1　区域反应模型

气敏传感器是一种能够测定特定气体及其浓度的传感器件，当被测气体被吸附到气敏半导体表面时，其电阻值会发生变化，可有效检测 SF6气体分解物组份［4］。碳纳米管气敏传感器是气敏传感器与纳米技术相结合，其特殊结构对气体吸附力强，并与吸附的气体分子相互作用，从而改变了其费米能级，引起宏观电阻发生较大改变，通过对电阻变化的检测即可测出气体的成份［5］。

2　局部放电模拟试验平台搭建

2.1GIS局部放电检测模拟试验设备

GIS高压试验系统如图 2所示，它由一套实际出厂工频耐压及常规局部放电检测系统、一套 SF6分解组份检测装置以及实际500kV GIS产品的通管模型构成。

图2　试验测试系统电路图

其中变压器采用工频试验变压器型号为200B4M-380V/1000kV；耦合电容为工频分压电容（TAWF-500/600），限流滤波阻抗R为工频试验保护电阻（GR500-1/6）；气体分解组份检测系统，主要利用碳纳米管（CNTs）传感器吸附气体时阻值变化的特点，进气口3与GIS模型中SF6压力表计的放气阀相连接，分别对4种缺陷下SOF2、SO2F2、CO2、CF4局部放电的特征气体进行分析，通过阻抗分析仪进行处理显示。GIS通管模块外壳直径为248mm、长约3.5m的通管和5个气室构成。

图3　GIS局部放电实际试验系统模型图

2.2GIS局部放电故障缺陷模型

在图4所示GIS模型内部分别设置4种绝缘缺陷：导电杆上系一根长约为12mm的铜丝模拟突出物缺陷，绝缘子表面沾上直径0.2mm的铜丝模拟附着物缺陷，环氧树脂绝缘棒中设置一个长约15mm、直径为10mm孔洞后再将表面封好来模拟绝缘子气隙缺陷，用数个约 2×2mm2和 2×3mm2的矩形薄铝片模拟微粒缺陷。

图4　GIS模型人工故障设置处

3　SF6分解物组份检测结果及分析

试验开始前先将人工设置的GIS缺陷模型放置在GIS模型中，对GIS模型进行清洁、干燥、抽真空、用氮气清洗完毕，最后充入0.6MPa的SF6气体，并静置一段时间。关闭 SF6分解组份检测装置放气口10，打开GIS模型的放气阀。试验过程中调节试验变压器的升压器缓慢调高电压，利用图5所示碳纳米管传感器检测SF6分解组分装置，对4种缺陷下SOF2、SO2F2、CO2、CF4特征气体含量进行在线分析。

图5　GIS中碳纳米管传感器检测SF6分解组份装置

图6　金属尖端突出物模型及示意图

图7　绝缘子金属附着物模型及示意图

图8　绝缘子气隙模型及示意图

图9　自由金属颗粒模型及示意图

图10（a）为绝缘子气隙缺陷下各特征分解组份的含量都较低，在实验结束时，由高至低依次为SO2F2（7.48μL/L）、CO2（6.29μL/L）、SOF2（3.67μL/L）、CF4（1.24μL/L）。图10（b）为表面污秽附着物缺陷下各种特征分解组分的含量差别较气隙缺陷大，在实验结束时，各特征组分含量由高至低依次为SOF2（42.64μL/L）、SO2F2（14.89μL/L）、CF4（6.15μL/L）、CO2（2.13μL/L）。图10（c）为金属突出物缺陷下各种特征分解组分的含量差别较大，在实验结束时，各特征组分含量由高至低依次为 SOF2（1117.8μL/L）、SO2F2（473.4μL/L）、CO2（123.2μL/L）、CF4（3.6μL/L）。图 10（d）为自由导电微粒缺陷下各种特征分解组分的含量，实验结束时，各特征组分含量由高至低依次为 SOF2（237.6μL/L）、CF4（32.59μL/L）、CO2（16.49μL/L）、SO2F2（15.67μL/L）。通过图谱分析可知，不同绝缘缺陷下的 PD使 SF6分解物组分及其所占比例均有所不同，其中金属突出物缺陷产生的 PD最稳定，且放电能量大，PD下SF6产气量大、分解速率高；自由导电微粒缺陷单次 PD放电强度高，SOF2、SO2F2气体组分含量较高；表面附着物缺陷由于PD发生时与固体绝缘材料反应，故CF4含量明显增加；绝缘子气隙缺陷PD强度较高，但产气量相对较小。

图10　4种典型缺陷下气体分解组份含量

4　结论

通过搭建GIS局部放电模拟实验平台，对4种绝缘缺陷进行在线模拟测试，对各种缺陷下 SF6分解组份装置检测出的SOF2、SO2F2、CO2、CF4特征气体含量进行分析，得出 SF6气体分解组份检测方法在GIS故障类型识别方面的特征。该方法使用碳纳米管传感器受温度变化有影响，虽然有一定误差，但对高压导体突出物和自由导电微粒缺陷下 PD检测效果明显，对绝缘子气隙缺陷放电检测效果较差。一般是在PD发生15h后，SF6气体分解物含量达到一定数量，才能够进行 PD有效识别，同时结合超高频、超声波等技术对GIS内部局部放电故障作出预判。

［1］ 邱毓昌. GIS装置及其绝缘技术［M］. 北京： 水利电力出版社， 1994.

［2］ 谭志红. SF6局部放电分解特性及碳纳米管气敏传感器检测研究［D］. 重庆重庆大学博士论文， 2011， 10.

［3］ 罗勇芬， 孟凡凤， 李彦明. 局部放电超声波信号的检测及预处理［J］. 西安交通大学学报， 2006， 40（8）：964-968.

［4］ 丁登伟， 唐诚， 高文胜， 等. GIS中典型局部放电的频谱特征及传播特性［J］. 高电压技术， 2014， 40（10）：305-313.

［5］ 刘有为， 吴立远， 弓艳朋. GIS设备气体分解物及其影响因素研究［J］. 电网技术， 2009， 33（5）： 58-61.

［6］ 程应武， 杨志， 魏浩， 等. 碳纳米管气体传感器研究进展［J］. 物理化学学报， 2010， 12： 3127-3142.

［7］ 张晓星， 姚尧， 唐炬， 等. SF6放电分解气体组份分析的现状和发展［J］. 高电压技术， 2008， 34（4）：664-669.

基于云储能终端的能源互联网系统构建方法和设备

近日，国家知识产权局公布专利“基于云储能终端的能源互联网系统构建方法和设备”，申请人为四川大学。

一种基于云储能终端的能源互联网系统构建方法和设备。基于云储能终端构建由一个控制中心和若干个云储能终端组成能源互联网系统，控制中心与云储能终端一对一通信，对电网负载大小进行分析，对云储能终端中充电控制系统及其可调输入电抗和对逆变系统及其输出电抗可调电路进行调控，进而对电网的电源和负载进行调控。

控制中心含工业控制计算机，控制中心电参数采集模块、控制中心电力线载波通信模块分别与三相电力线连接，在三相电力线A相、B相和C相上分别连接若干云储能终端，构成基于云储能终端的能源互联网络。

Application of SF6Gas Decomposition Component Detection Method in the Diagnosis of Partial Discharge in GIS

Mao Jiankun Tang Huizeng Hong Xikai Yao Dong Jin Ke
（State Grid Henan Electric Power Corporation Maintenance Company， Zhengzhou 450007）

Insulation reduction is the main reason for the failure of the gas insulated switchgear. The insulation status of equipment can be controlled effectively by the GIS partial discharge on-line detection. In this paper， the principle of detection method of SF6gas decomposition components is analyzed， and the experimental platform is built to simulate several typical insulation failures， and the corresponding detection spectrum is obtained. Through the analysis of the spectrum， the characteristics of the method are summarized， which provide a reference for the study of the fault type of the partial discharge in GIS.

SF6gas decomposition components inspection method； GIS partial discharge； fault type recognition； simulation test

毛建坤（1983-），男，河南郑州人，本科，工程师，从事超特高压变电二次检修工作。