高压GIS局部放电的预防

【摘 要】本文介绍了高压gis产品局部放电产生的原因以及预防措施。

【关键词】气体绝缘金属封闭组合电器；局部放电；盆式绝缘子；在线监测

【Abstract】This paper analysises the causes of High Voltage GIS Partial Discharge And the preventive measures.

【Key words】Gas insulated switchgear（GIS）； Partical discharge； Basin-type insulator； Online monitor

0 引言

GIS设备具有结构紧凑、可行性高、易维护等优点，在电网中得到广泛应用，由于其结构复杂、绝缘零件使用较多且存在老化现象，在其生产、安装过程中内部不可避免地存在绝缘隐患，局部放电是GIS设备发生绝缘故障的先兆和表现形式，长期存在的局部放电使得绝缘劣化并扩大，造成最终的绝缘击穿和沿面闪络，因此必须给予严重关注，以提高电网运行的可靠性。

1 局部放电的产生及危害

“局部放电”是指在电场作用下，绝缘系统中只有部分区域发生放电而并没有形成贯穿性放电通道的一种放电。产生局部放电的主要原因是电介质不均匀时，绝缘体各区域承受的电场强度不均匀，在某些区域电场强度达到击穿场强而发生放电，而其它区域仍然保持绝缘的特性。

我们知道，绝缘的破坏或局部老化，多是从局部放电开始的，它的危害性也就突出地表现在使绝缘寿命降低或影响设备的安全运行。局部放电的危害程度，一方面决定于放电的强度和放电次数的多少；另一方面也决定于绝缘材料的耐放电性能和放电作用下绝缘的破坏机理。

局部放电对绝缘的破坏有两种情况：一是放电质点对绝缘的直接轰击，造成局部绝缘破坏，逐步扩大，使绝缘击穿；二是放电产生的热，臭氧、氧化氮等活性气体的化学作用，使局部绝缘受到腐蚀，电导增加，最后导致热击穿。

2 设备运行前GIS局部放电产生的主要原因及预防措施

GIS中可能引起局部放电的因素如图1所示，可以总结为以下几个方面：

图1

（1）固定缺陷：其中包括导电体和筒体内表面上的金属突起，以及固体绝缘表面上的微粒。金属突起通常是在零部件加工和安装过程中造成的，导致较尖毛刺。在稳定的工频状态下不会引起击穿，但在快速电压如冲击、快速暂态过电压（UFTO）条件下很危险；对于此类现象的预防措施为零部件加工完成后，毛刺彻底清理干净，在进行安装前，进行严格清洗及检查。通常高压GIS设备在进行交流耐压试验过程中先预加老练试验电压，老练试验是指对设备逐步施加交流电压，可以阶梯式地逐步施加到交流电压耐受值，通过老练试验既可将设备中可能存在的活动微粒杂质迁移到低电场区域，从而降低甚至消除这些微粒对设备的危害，又可通过放电烧掉细小微粒或电极上的毛刺、附着的尘埃等，以减少对设备的损害。

（2）GIS筒体内部存在金属颗粒及其它异物。在制造装配和运行过程中均有可能产生金属颗粒，交流电压场的影响下能够移动，在很大程度上运动与放电的可能性是随机的，GIS内金属颗粒引起的放电与金属颗粒的大小、位置重量均有关，当金属颗粒落在绝缘子上时，对筒体内部电场的影响远远大于落在筒体内壁上，但当金属颗粒落在GIS筒体内壁上时，因为筒体接地，放电现象就较轻微。当靠近高压导体且并未接触时，放电最可能发生；另外GIS设备筒体内部如果有棉线和发丝等杂物，由于这些绝缘体吸附自由电子，在外施电压峰值或极性变换的时候，也会引起放电。对于此类现象的预防措施为装配车间防尘、主要部件装配防尘、装配时工人需穿专用工作服以及零部件装配前需进行彻底清洗。另外在产品设计时，在GIS外壳底部设置金属颗粒陷阱的结构，使运动到陷阱内的金属颗粒处于低电场强度地区，从而不能再移动、直立和跳跃，不会形成危害。

（3）传导部分接触不良，由于GIS 设备运输中碰撞、颠簸引起紧固件的松动而造成电位悬浮，这种缺陷经电压运行的长期作用，金属件会因局部放电而腐蚀，从而引起绝缘故障。避免此类现象的出现需从运输环节控制，例如在运输运程中加装冲撞记录仪，对运输过程进行监督。

3 设备运行后GIS局部放电产生的原因及预防措施

3.1 水分含量的影响

GIS设备在投入运行时，水分含量均控制在国家标准要求之内，运行状态下，有电弧分解物的气室水分含量需小于300ppm，无电弧分解物的气室水分含量需小于500ppm。GIS筒体内部SF6气体的压力比外界高，但外界的水分压力比内部高。而水分子等效分子直径仅为SF6分子的0.7倍，渗透力极强，在内外巨大压差作用下，大气中的水分会逐渐通过密封件渗入筒体内部SF6气室中。排除设备生产厂家的原因，运行过程中SF6气室中水分含量是会上升的。

在正常情况下，SF6气体是一种化学性质十分稳定、不易分解的无色、无味、不可燃的气体，但在GIS内部出现局部放电（Partial Discharge，简称PD）时，SF6会发生不同程度的分解，生成如SF4、SF3等低氟化物，对于纯净的SF6气体，绝大部分的低氟化物会复合还原成SF6；但是由于SF6气体中水分含量的上升，使得SF6气体中不可避免地会含有微量水分（H2O），它会与这些低氟化物反应，使得这种分解-复合平衡被打破，同时生成更多更复杂的组分，如SOF2、SO2F2、SOF4、SO2、HF、H2S等，其中一些生成物水解后形成的酸性物质，对GIS设备内部固件有腐蚀作用，严重时会损坏设备内部固体绝缘，从而降低了设备的整体绝缘性能，对设备的安全稳定运行造成威胁。另外，SF6气体中的微水通常以水蒸气的形式存在，当温度降低时，可能在设备内部结露，与内部的各种污染物混合后，附着在固体绝缘子的表面，容易引起沿面放电。因此，在GIS设备运行中，要定期对SF6气室水分含量进行监督和处理。

3.2 SF6气室杂质的影响

由于各厂家GIS内部使用材料的不同，在设备运行期间，由于高压、高温作用，在气室内部极易产生各种杂质。例如国内某厂家，由于电流互感器气室选用含硫材料的橡胶板做为绝缘介质，在在运行过程中，由于“电”、“热”等因素的影响， 腔体内的橡胶等有机物挥发出含硫气体。该气体与导杆、电连接的镀银层等发生反应而产生半导体物质Ag2S。该半导体物质以粉末状在气室里移动并附着在盆式绝缘子上，数量累积到一定程度时造成电场畸变进而引发局部放电。因此，在GIS设备运行中，要定期对SF6气室中SF6气体纯度及杂质含量进行监督和处理。

3.3 绝缘件缺陷等发展性故障

在GIS设备现场试验合格并投入运行后，并不代表不会发生局部放电。由于各厂家盆式绝缘子、零部件生产工艺、试验要求参差不齐，在运行过程中，由于元件老化、松动等原因，也会出现局部放电现象，为及时发现该现象，需对GIS产品进行在线监测。

4 目前GIS局部放电的主要检测方法有以下几种

4.1 脉冲电流法

该方法主要通过测量设备发生局部放电时产生的脉冲来直接测量设备放电量的大小。该方法抗干扰能力很弱，设备运行时，测量不准确。

4.2 超声波检测法

其检测原理是当电力设备发生局部放电时，会产生压力波形成超声波脉冲，超声波在气体中衰减很大，但在金属中则衰减不大，它的方向性较强，能量比较集中，通过附着在GIS外壳上的超声传感器可以接收到这个声信号，通过对声信号的分析诊断出是否发生了局部放电。该方法在故障定位时，需对GIS设备进行逐点测量，工作量大。

4.3 超高频检测法

超高频检测法原理是在GIS中，局放脉冲电流信号具有很陡的上升沿，可以向周围辐射出高达3GHz的电磁波信号。电磁波传播时，不仅以横向电磁波形式传播，而且还会建立高次横波和横波。而对于GIS设备特别是母线部分，其同轴结构对于电磁波信号是良好的波导结构，信号在内部传播时衰减很小。通常GIS的盆式绝缘子是环氧树脂材料，对电磁波信号的衰减很小，电磁波信号可以通过盆式绝缘子散出，超声波检测方法即通过对盆式绝缘子散出的高频电磁信号的测量来进行局部放电的检测。它具有抗干扰能力强、可带电测量、定位能力强等特点。

UHF传感器根据安装方式可分为内置式和外置式两种。内置传感器因为安装在GIS设备筒体内部，可获得较高的灵敏度，但对制造安装的要求较高，新建电站可配置该型传感器对于早期设计制造的GIS安装内置传感器通常是不可行的，这时只能选择外置传感器。相对于内置传感器，外置传感器的灵敏度要差一些，但安装灵活、不影响系统的运行、安全性较高，因而也得到了较为广泛的应用。对于内置及外置传感器，都有一些需要注意的问题。对内置传感器的基本要求是不应损害GIS的可靠运行，无论是使气体发生泄漏还是使内部场强增加都可能导致绝缘击穿；对于外置传感器，选择合适的检测位置是确保检测灵敏度的关键，对于采用无金属法兰盆式绝缘子的GIS，可将传感器贴在绝缘子外沿处测量，如盆式绝缘子有金属法兰，因为此处电磁波被屏蔽，必须寻找其它的测试点或与设备生产厂家沟通，预留孔洞。

5 结论

总之，GIS设备是电力系统的关键设备，保证其安全可靠运行对于提高电网供电可靠性意义重大。而局部放电检测作为GIS在安装完毕及正常运行中的必试项目，因此，加强对GIS局部放电的监测，是有效发现GIS设备产生的各种缺陷并及时加以排除的重要举措。

【参考文献】

[1]金立军，刘卫东.GIS金属颗粒局部放电的实验研究[J].高压电器，2002，38（3）：10-13.

[2]中华人民共和国电力行业标准DL/T596-1996.电力设备预防性试验规程[S].1996.

[3]邱毓昌.用超高频法对GIS绝缘进行在线监测[J].高压电器，1997，33（4）：36-39.

[4]王建生，邱毓昌.气体绝缘开关设备中局部放电在线检测技术[J].电工电能新技术，2000（4）：44-48.

[5]黄兴泉.交流耐压条件下的GIS局部放电检测[J].华中电力，2002，15（5）：1-3.

[6]中华人民共和国国家标准GB50150-2006 电气设备安装工程电气设备交接试验标准[S].2006.

[7]CHEN Yu.CHENG Yong-hong.XIE Xiao-jun.A New Kind of Partial Signai On-line Monitoring Method for GIS[C]//Prceedings of ACED-2004.Shenzhen，China，2004：206-209.

[8]CHEN Yu，XIE Xiao-jun，HU Xue-sheng.Experimental Study on the Partial Discharge Characteristic of the Disk-type Spacer with Metallic Contamination for GIS[C]//Proceedings of ACED-2004.Shenzhen，China，2004：254-256.

[9]成永红，李伟.谢恒.超宽频带局部放电传感器的研究[J].高电压技术，1998，24（1）：9-11.