GIS设备状态检测诊断及检修处理分析

张 康，李志强，杨 正

（国网新疆电力有限公司阿克苏供电公司，新疆阿克苏 843000）

随着电力工程建设的不断开展，当前的电网规模越来越大，电网中的GIS 设备也越来越多，受自身构造的影响，GIS 设备比较容易出现各种事故问题，因此如何保证GIS 设备的持续平稳运行是相关运维管理人员考虑的重点问题，目前GIS 设备带电测试已经得到电力领域的认可与肯定，针对局部放电检测、SF6气体检测等各种带电检测技术方法进行有效分析，加强GIS 设备常见故障以及故障诊断的研究探讨，可以在保证GIS 设备正常稳定运行的同时，促进电力设备运维管理水平的提高。

1 GIS设备状态监测对象

1.1 局部放电

GIS 是气体绝缘金属封闭开关设备的英文缩写，它有着比较特殊的自身结构，一旦进入运行状态，常规条件下一般不再对它开展电气试验。这种设备的事故多半是由绝缘因素引起的，而且大多来源于这种设备的内部放电现象。有多种原因可引起这种设备的内部放电，举例来说，产品不合格，安装作业不达标，粉尘颗粒物或毛刺污染了载流体表面，抑或SF6达不到原有的气体绝缘强度等。这种设备无法在现场开展局部放电测试，所以局部放电试验不会选择在设备交接时进行。即使在设备交接时实施试验，常规的耐压试验也很难发现局部放电现象，这是由于耐压试验过程中只产生很少的局部放电能量，量小到无法引发击穿事故。而随着运行的时间越来越长，气体绝缘金属封闭开关设备的内部放电现象会越来越严重，早晚引发绝缘击穿。这就要求相关单位必须加强对这种设备的局部放电现象的间接测试，它是最主要的监测对象。

1.2 SF6气体

SF6中文名字是六氟化硫，在气体绝缘金属封闭开关设备中用作绝缘的主要介质，它的物理和化学性能都很稳定，不仅绝缘性能良好，灭弧能力也很强。通常情况下，SF6很难发生性状改变，但是随着相关设备年深月久的运行时长，密封件不可避免地会有老化现象，SF6则肯定外泄，同时空气里面的潮湿气体也会向设备内部侵入，此时SF6在设备内部的密度就无法达到标准值，同时设备内部会出现气体微水含量超标，一旦设备内部遭遇温度太高或放电，就会有分解物质产生。所以，SF6也是主要局部放电监测对象之一。

1.3 GIS温度

隔离开关以及断路器是气体绝缘金属封闭开关设备内部的接触性构件，一旦出现接触不良遇到流通的大电流即产生发热现象，温度到达某个阈值，SF6会分解，大幅降低气体绝缘性能。所以这种设备的内部温度也可以当做主要监测对象之一。

2 GIS设备状态监测的带电测试技术

2.1 局部放电检测技术

（1）超高频法。SF6是气体绝缘金属封闭开关设备内部的主要绝缘介质，如果这种设备出现内部放电现象，它的脉冲信号也会持续很短的上升时长，以ns 级居多，几个ns 持续时长而已，这就导致这些脉冲信号里面出现大量超高频信号，这类信号有极强的穿透力，可经由这种设备的盆式绝缘子外泄，技术人员可把超高频传感器放置在盆式绝缘子不远处，即可实现对设备内部放电进行超高频信号监测的目的。超高频传感器通常有300～1500MHZ 的工作频带，而超高频信号会出现大幅衰减，因此信号到达测试区域时就很弱了，这就要求传感器必须具备极高的灵敏度。这种方法方便快捷，应用很广。

（2）超声波法。一但气体绝缘金属封闭开关设备出现内部放电，会同步产生超声波信号，只要把超声波传感器放置在这种设备外面，就会监测到内部放电时的超声波信号，可对有无内部放电现象做出间接判断。超声波传感器具有接近20～200kHz 的工作频带，频率上升则噪声下降。它的技术优势在于很好的抗干扰性能，环境因素的影响程度微乎其微，能精准定位内部放电具体位置。

相关单位可以很轻松地在市场上采购到关于气体绝缘金属封闭开关设备内部放电的成熟检测设备，超高频和超声波是它的主要监测手段。一些检测设备还会附带局部放电现象的信息技术诊断软件，可准确判断监测信号属性，是否为局部放电信号，极大提升了判断局部放电的准确率。目前国内在检测局部放电现象方面已经开始应用超高频和超声波信号，也有成功经验，而且利用带电测试技术对局部放电进行检测也在不断发展，会具备越来越高的安全稳定性。

2.2 SF6气体检测技术

（1）压力检测。利用SF6的压力能准确判断断路器气密性，这是对绝缘强度的间接反映。监测SF6压力有两种形式。即密度继电器和相关压力表的现场查看。

（2）微水含量检测。当SF6出现微量水含量时，会给绝缘强度带来很大负面影响，如果出现较高的微水含量，SF6就很容易分解，产生的物质不但有害还有腐蚀性，给周边区域和灭弧室造成不利影响，积累到一定程度就会导致绝缘击穿。微水含量的检测仪器是便携式的，对SF6进行现场带电测试，常用的技术原理是露点法，当SF6处于微水含量状态时，监测它的气压或结露温度，即可对微水含量进行间接判断。

（3）分解产物检测。SF6的分子结构极其稳定，如果置于常规运行状态，即压力小于0.8MPa，环境温度为-40～80℃，它不会跟包括铝，银，铜，不锈钢等在内的金属材料以及包括玻璃或树脂等在内的有机固体出现化学反应，但是如果SF6受到放电，电弧以及环境温度超过200℃时，会有分解化学反应产生，生成物包括气态或固态氟化物或者金属氟化物。检测SF6的分解物质的主要方法有4种，即检测管法，动态离子法，气相色谱法以及红外图谱法，目前以动态离子法最为普遍采用，也很有效。它是把污染过的和纯净的SF6进行动态离子谱图比对，对它的分解物质进行浓度判断，也就是SF6污染达到怎样的程度，以此推定相关设备的缺陷程度。

2.3 红外测温技术

红外测温技术在带电测试技术中属于应用比较成熟的一类，如果气体绝缘金属封闭开关设备出现了因接触不良导致的过热或出现了电弧，热量会向设备外壁传导，利用红外热像仪即可监测设备温度。

3 GIS设备常见故障

气体绝缘金属封闭开关设备的组成部分包括很多元器件，一个元器件故障会导致整体设备出现运行故障。故障原因可能是设备没有达到科学合理的设计制造标准，运输期间损害了设备，安装作业或日常运维不当等。故障类型主要包括机械，绝缘，二次回路，气体外泄以及其它类型的故障。

3.1 触头接触异常故障

气体绝缘金属封闭开关设备是组合类型的精密电气设备，它的内部结构非常复杂。一旦有元器件出现位移，设备就会失灵，也可能导致内部电磁场出现异常导致气体外泄或绝缘故障。这种设备的机械故障类型包括触头接触异常，机械结构卡涩以及紧固螺栓出现松动等。

导致触头接触异常故障的成因有：①触头没有达到科学合理的设计制造标准，动和静触头不适配，无法达到接触的完美程度；②闸体的分合频次过密，静触头容易引发侧弹簧异常，弹性下降而接触不良；③触头是金属材料，如果运行期间出现过载使触头流经电流过大，触头的接触面会热熔变形而接触不良。同时，运行正常时这种设备内部的交流电会有较大电流，电流的电磁场会在设备内部形成异常复杂的分布形式，设备的金属材料外壳会因磁力引发的伸缩作用以及电磁力出现稳定振动现象。

3.2 绝缘故障

标准气压的SF6是气体绝缘金属封闭开关设备内部的绝缘介质，鉴于这种设备很高的额定电压等级，设备内部有一些电磁场分布，它们极其微小且动态变化，极易诱发绝缘击穿事故。绝缘故障的主要成因是腔壁或导体异常突起，内部有空隙，接触不良，金属自由颗粒物以及有杂物附着在绝缘子表面等。

①导体或腔壁突起。设备制造不达标，腔壁或导体有微小毛刺存在，它们会有不均匀磁场产生，拉低设备的耐压力，遇到高压会产生局部放电。虽然都是一种原因引起的局部放电，腔壁或导体二者之间的局部放电是有差异性的，导体局部放电信号的传播形式是扇形，围绕毛刺进行，传播区域在气室内部；而腔壁局部放电信号是很集中的，放电部位强度最大。导体周围存在强大电场，因此由它引起的局部放电危害性更高；②自由金属颗粒。运行正常时设备内部有大量复杂电磁场分布，为自由金属颗粒物施加电磁力，它们在腔室内部胡乱碰撞，机械撞击信号向金属材质外壳传导。这些胡乱碰撞会极大拉低设备的工频耐压力，导致设备内部绝缘性能下降；③绝缘子表面附着物及内部空隙。此时气室内部的电磁场会产生分布畸变绝缘击穿在不大的范围内产生引发局部放电；④导体与绝缘设备接触不良。运行正常时出于屏蔽设备的需要，绝缘设备和导体是紧紧相连的，如果有松动或接触不良，腔室内就会有电位悬浮产生，而绝缘耐受电压是有限度的，一旦超限产生的放电规模会很大，给绝缘性能带来伤害。

3.3 气体泄漏故障

通常SF6如果是高纯度的，它不具备毒性，如果是气体绝缘金属封闭开关设备内部外泄的六氟化硫，还是有一定危害性的。①SF6拥有高于空气的分子重量，一旦外泄会向底层积聚。而变电站为了接地的稳固性，设备安装位置都普遍偏低，一旦外泄会使SF6把底层空气排挤掉，空间因此全部是SF6，检修人员如果此时实施常规检修，极易诱发缺氧而中毒窒息；②如果这种设备内部有缺陷存在，会有电弧或局部放电现象，它们产生的高温促进SF6在腔室内分解，生成有毒的氟化物，一旦这种气体外泄，就会给现场作业人员造成危害；③如果这种设备的腔室密封性能遭到破坏，再遇到恶劣天气，水分就会有侵入设备内部的可能，与里面的SF6发生复杂多变的化学反应，生成的氟化物既有毒有害也具有腐蚀性，给设备和现场作业人员带来很大安全威胁。气体绝缘金属封闭开关设备要求的密封性能等级很高，密封作业和充气过程都须交由生产厂家负责。纵观国内目前运行中的气体绝缘金属封闭开关设备，发生气体外泄故障的成因主要是设备的端盖安装作业达不到技术标准，密封圈以次充好，有杂物附着在接触面，对接口没有牢固固定螺栓等。外部大气压力比气室内部SF6气压低，如果这种设备达不到良好的密封性能，缺口处就会不断有气体外泄，拉低气室内部气压，设备的绝缘性能受到伤害。

4 GIS设备故障诊断总体框架

通过对上述故障的分析总结，在多状态监测变量的基础上，就气体绝缘金属封闭开关设备故障诊断提出了通过残差和状态估计对故障进行诊断分类的算法，由建立状态估计器，故障预警和识别三个部分组成。①状态估计器。对运行正常时的气体绝缘金属封闭开关设备实施多状态变量监测，通过改进后的向量回归和粒子滤波算法完成状态估计器的构建；②故障预警。把估计所得状态变量数据与实际监测数据进行比对，由状态变量得到状态变量残差数据，通过自适应阈值完成检测故障和及时预警；③故障识别。将多状态变量残差数据完成分类，可准确识别故障类型。

5 结束语

文章首先分析了GIS 设备状态监测的主要内容，然后分别进行各种GIS 设备状态监测带电测试技术的探讨和论述，并详细梳理了GIS 设备运行过程中比较容易发生的触头接触异常故障、绝缘故障及气体泄漏故障，希望能对相关工作人员有所帮助。GIS 设备是电网设备中的重要一员，加强GIS 设备检测维护，在保证电网正常有序运行方面能够发挥关键作用，所以工作人员应重点加强GIS 设备状态检测诊断及检修处理的研究。