GIS 设备局部放电故障分析研究

谢江平

（新疆伊河电力有限责任公司，新疆 伊宁835400）

随着社会的进步，我国的科技创新事业得到迅速发展，GIS设备广泛应用于电力系统、水利工程等领域，但仍处于创新应用的探索期。GIS 设备具有体积小、技术可靠性高、不受外在因素干扰、危险性低、设备运行周期长等优点。但不同事物都存在两面性，GIS 设备也存在着一些缺陷，比如GIS 是一个全封闭性的电组合设备，无法通过感官推测故障出现的原因。其次设备的体积比较小，安装时十分紧凑，运行过程中内部的零件损坏会波及到其他部分，影响向外扩散，最终使设备整体遭到损坏。本文以新疆吉林化二级水电站220 kVGIS 设备局部放电故障为例，通过现场技术专家勘察，分析其发生故障的原因，进而总结GIS 设备局部放电故障发生的全部原因，提出GIS 设备局部放电的解决对策和预防措施。

1 新疆吉林化二级水电站GIS 设备局部放电故障概况

新疆吉林化二级水电站GIS 一期设备是ZF9-252 产品，额定电压220 kV，额定电流2000A，为三个间隔的单母线结构，在2009 年，设备安装完毕投入运行，二期设备在2013 年扩建，共四个间隔），该产品在运行期间未进行过例行维修和大修。在2017 年10 月4 日，该设备正常运行时，一间隔主母线气室出现内部绝缘故障（图1）。

图1 故障位置（一间隔主母线A 相）

经专业人士拆除主母线端头盖板后，显示一间隔母线筒内壁、母线触头和导体表面均附着着大量白色的粉末，内壁铁红环氧底漆存在变色、起皮、脱落、烧穿等现象；一间隔A 相母线支撑导体与隔离开关静侧绝缘盆子连接处烧损较严重，且受热变色，其表面存在大量粉尘；接近故障处的母线筒，存在清晰的喷溅痕迹（图2）。经技术人员分析在维修拆卸过程中，未发现紧固件松动，可排除内部装配不当引起的绝缘故障。在现场未发现故障气室漏气，气室漏气可以造成绝缘度降低导致放电，但是，假如气室漏气压力降低，工作后台会接收到报警信号。此外，气室压力降低至报警压力值时GIS 设备仍可以正常运行，继续下降才有可能造成绝缘故障，故排除气室漏气造成放电故障；进一步分析可能是气室存在异物，导致局部放电故障。异物可能的来源是：①现场一期设备对接安装时操作不严、控制不当，未严格按照行业标准执行，导致气室内部带入异物。此外，在现场组装对接、更换吸附剂、清理工作中清洁度管控和工艺控制不到位，造成异物进入气室内部。②根据现场反馈，二期设备由泰开公司2013 年扩建4 个间隔。从扩建现场情况看，泰开公司对此次放电的母线气室进行过开盖处理，在开盖处理结束后恢复时，未严格遵守工艺要求，导致缺陷存在于气室内部，造成设备局部放电故障。综上分析，如何解决GIS 设备局部放电问题，是当前急需研究的重要课题。

图2 故障现场形态图

2 GIS 设备局部放电故障分析

在长时间的工作中，GIS 设备内部很容易出现故障，由于该设备是密封的，一旦发生故障，很难查找原因，而且维修困难，费用昂贵[1]，特别是局部放电故障，局部放电会损坏GIS 设备的绝缘，造成绝缘性能低，随着损坏规模的增大，危害将会越来越严重，在达到一定程度时会击穿绝缘，造成设备短路，进而停止工作[2]。一旦故障发生将会给水电工程造成极大地损失。造成局部放电的原因有多种，比如设备材料质量劣质、设备安装不符合标准、微尘异物进入等，针对此种故障，应对其原因进行细致分析。

（1）设备材料劣质

材料把关不严谨，外购的绝缘件配件质量参差不齐，其清洁度与标准有差异。母线气室内有超过允许长度范围的自由金属体，包括导体和外壳内表面的突起金属。金属突起一般是在生产和安装过程中造成的，导致产生毛刺，而且比较尖锐，在快速的工作频率状态下产生自由导电微粒，进而造成故障。

（2）安装标准不符规定

在安装时，未按照正规的程序标准进行，在连接电极表面处未进行彻底的清理，存在表面划伤痕迹、安装位置错误、电极错位、密封不严等情况。

（3）微尘异物的进入

主要是由于组装条件有限，没有彻底清除GIS 设备内部的微尘和异物引起，微尘和异物中以自由金属微粒的危害最为严重，极易引起局部放电，进而导致设备故障。此外，由于工作现场环境较恶劣，有微尘异物等杂质进入设备内部。

（4）设备接触不良

包括主触头接触不良、屏蔽罩接触不良两大类，此状况易造成设备振动及过热，降低GIS 设备的绝缘性能，导致局部放电。此外，传导部分接触不良也可能导致局部放电，如静电屏蔽和其它浮动部件等。

（5）气室漏气

气室漏气将导致绝缘性能下降，造成绝缘击穿，进而导致放电故障发生。

（6）绝缘子缺陷

绝缘子缺陷在出厂时不会出现，一般在运输和安装过程中造成损伤[3]，部分缺陷最初是无害的，但在机械振动及静电力的作用下会发生轻微移动，具有潜在隐患。绝缘子表面的缺陷会引起电荷数的增加，形成表面放电，造成绝缘子表面的绝缘劣化，进而击穿。此外，由于环氧树脂和金属电极的收缩系数不同，在实际中形成气泡或空隙，这类绝缘缺陷也可能在GIS 设备中产生局部放电，绝缘体中长时间局部放电会腐蚀绝缘材料，严重者将导致绝缘击穿。

（7）其他原因的影响

GIS 设备在运输和搬运过程中，由于机械振动及组件的互相摩擦等外力，使得设备紧固件松动、元件损伤导致局部放电。

（8）外部原因的影响

导致此次局部放电故障的原因可能是（1）在二期工程扩建与一期GIS 设备对接过程中，未通知一期厂家监工，在操作过程中，有杂质进入一期GIS 设备母线管内；（2）在对接过程中，一期设备某些零部件松动、变形，进而导致局部放电故障。气室中存在异物微粒是导致大多数GIS 设备局部放电的普遍原因之一。

3 GIS 设备局部放电对策研究

GIS 设备对于水电站的发展具有重要的意义，其密封性高，发生故障后维修难度和成本较大，由此，在原材料的选择、设备的安装和测试、后期检测等过程中均应加强监督，务必落实好各个环节的质量关。

3.1 加强设备的质量监督

设备在出厂前，必须经过严格的质量检查，如果不合格，要求查明原因，并加以解决，必须保证产品的高质量。对于特殊的元件，例如绝缘件的制作，在加工时应做特殊加工。此外，务必重视生产车间的环境和清洁度。

（1）建立完善的质量保证体系，进行多级检查，并做好检查记录，上道工序未达标，坚决不进行下道工序。对于出售的设备，进行定期检查，一旦发现问题，立即停止作业，查明原因及时解决。

（2）重视技术创新，加大管理力度，制订相应的标准和规程，加强工作人员的安全意识，促使其尽职尽责，保证设备的合格率。加强技术人员交流，在处理重大故障时，由多人共同商榷，集思广益，全面考虑，制订出可行的对策，同时聘请业内的专家教授进行现场指导，学习更多的新方法、新技术。

3.2 加强管理监督

（1）加强设备的维护力度，在运行作业过程中及时检查，及时发现问题并解决。在检修时，严格按照标准执行，打开气室，回收气体，及时用氮气冲洗，同时室内应足够通风，保证人身安全。

（2）在设备安装时，尽量多留出活动空间，保证后期检查检测及故障后维修的顺利进行。

（3）据调查GIS 设备在运行的第一年的故障率较高，之后逐渐降低，因此在安装设备的第一年必须增加检查频率，加大巡查力度。由于隔离开关故障发生较为频繁，应将其作为重点检测设备，同时及时检测气室压力的变化，以保证气室密封性良好。

3.3 建设检测系统

GIS 设备整体金属密封，当发生故障时难以定位，在运行时无法掌握其内部状况[4]，此外它的内部元件多、结构复杂，一个元件的故障很容易波及周围元件，扩大故障范围，进而影响整个设备的正常运行。因此，对GIS 设备故障进行早期预测和预防十分重要。目前，局部放电检测的方法包括：电测法（脉冲电流法、超高频法）和非电测法（超声波监测法、光学监测法、化学监测法）[5]。

（1）脉冲电流法，又称耦合电容法。此方法操作简单，便于实现；但是在现场测试时，由于外壳上的电容电极耦合探测局放信号与多种噪声混和在一起，无法识别，这一缺陷限制了该方法在实际中的推广。

（2）超高频法。其方法灵敏度高，通过放电源到传感器的时间差对放电源部位进行精确定位。该种方法对传感器的要求较高，成本较昂贵。

（3）超声波监测法。当GIS 设备内部产生局部放电时会产生冲击振动和声音，通过腔体外壁上安装的超声波传感器检测局部放电[6]，此方法是目前比较成熟的监测方法，它可以抵抗电磁干扰，但是，其声音信号在通过不同介质时的传播速率不同，而且会产生反射，高频部分衰减较快。这一特性要求工作人员必须有丰富的经验，同时，长时间监测需要较多传感器，实际使用不太方便。

（4）化学监测法。通过分析GIS 设备中局部放电所产生气体生成物的浓度变化来确认局部放电的程度，但是GIS 设备中存在大量吸附剂和干燥剂，这些物质会影响化学检测，因此用化学方法监测的灵敏度不稳定。此外，该方法在实际应用中不能进行长时间监测。

（5）光学监测法。此仪器内部的光电倍增器可以监测到一个光子的发射，但是射线容易被SF6 气体吸收，进而无法监测。该方法监测已知位置的放电部位比较有效，同时GIS 设备内壁光滑使得该仪器灵敏度不高。

4 结语

随着科技的发展，GIS 设备在水电工程建设中必将发挥重要的作用，但其频繁发生故障也是阻碍GIS 设备应用普及的主要问题之一。本文通过对GIS 设备局部放电的分析，提出防患局部放电故障的对策，对实际运行、维修工作具有一定的参考价值。对于运行期间发生的故障，应找准原因，及时采取相应措施解决，避免产生严重的事故；在平常应加大对设备的检修力度，积极摸索新型的检测手段，对于设备的安全运行及水电工程的发展具有重要的意义。