GIS設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)診斷及檢修處理分析

張 康，李志強(qiáng)，楊 正

（國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司阿克蘇供電公司，新疆阿克蘇 843000）

隨著電力工程建設(shè)的不斷開展，當(dāng)前的電網(wǎng)規(guī)模越來越大，電網(wǎng)中的GIS 設(shè)備也越來越多，受自身構(gòu)造的影響，GIS 設(shè)備比較容易出現(xiàn)各種事故問題，因此如何保證GIS 設(shè)備的持續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行是相關(guān)運(yùn)維管理人員考慮的重點(diǎn)問題，目前GIS 設(shè)備帶電測(cè)試已經(jīng)得到電力領(lǐng)域的認(rèn)可與肯定，針對(duì)局部放電檢測(cè)、SF6氣體檢測(cè)等各種帶電檢測(cè)技術(shù)方法進(jìn)行有效分析，加強(qiáng)GIS 設(shè)備常見故障以及故障診斷的研究探討，可以在保證GIS 設(shè)備正常穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，促進(jìn)電力設(shè)備運(yùn)維管理水平的提高。

1 GIS設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)象

1.1 局部放電

GIS 是氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的英文縮寫，它有著比較特殊的自身結(jié)構(gòu)，一旦進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，常規(guī)條件下一般不再對(duì)它開展電氣試驗(yàn)。這種設(shè)備的事故多半是由絕緣因素引起的，而且大多來源于這種設(shè)備的內(nèi)部放電現(xiàn)象。有多種原因可引起這種設(shè)備的內(nèi)部放電，舉例來說，產(chǎn)品不合格，安裝作業(yè)不達(dá)標(biāo)，粉塵顆粒物或毛刺污染了載流體表面，抑或SF6達(dá)不到原有的氣體絕緣強(qiáng)度等。這種設(shè)備無法在現(xiàn)場(chǎng)開展局部放電測(cè)試，所以局部放電試驗(yàn)不會(huì)選擇在設(shè)備交接時(shí)進(jìn)行。即使在設(shè)備交接時(shí)實(shí)施試驗(yàn)，常規(guī)的耐壓試驗(yàn)也很難發(fā)現(xiàn)局部放電現(xiàn)象，這是由于耐壓試驗(yàn)過程中只產(chǎn)生很少的局部放電能量，量小到無法引發(fā)擊穿事故。而隨著運(yùn)行的時(shí)間越來越長(zhǎng)，氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的內(nèi)部放電現(xiàn)象會(huì)越來越嚴(yán)重，早晚引發(fā)絕緣擊穿。這就要求相關(guān)單位必須加強(qiáng)對(duì)這種設(shè)備的局部放電現(xiàn)象的間接測(cè)試，它是最主要的監(jiān)測(cè)對(duì)象。

1.2 SF6氣體

SF6中文名字是六氟化硫，在氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備中用作絕緣的主要介質(zhì)，它的物理和化學(xué)性能都很穩(wěn)定，不僅絕緣性能良好，滅弧能力也很強(qiáng)。通常情況下，SF6很難發(fā)生性狀改變，但是隨著相關(guān)設(shè)備年深月久的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，密封件不可避免地會(huì)有老化現(xiàn)象，SF6則肯定外泄，同時(shí)空氣里面的潮濕氣體也會(huì)向設(shè)備內(nèi)部侵入，此時(shí)SF6在設(shè)備內(nèi)部的密度就無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值，同時(shí)設(shè)備內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)氣體微水含量超標(biāo)，一旦設(shè)備內(nèi)部遭遇溫度太高或放電，就會(huì)有分解物質(zhì)產(chǎn)生。所以，SF6也是主要局部放電監(jiān)測(cè)對(duì)象之一。

1.3 GIS溫度

隔離開關(guān)以及斷路器是氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備內(nèi)部的接觸性構(gòu)件，一旦出現(xiàn)接觸不良遇到流通的大電流即產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象，溫度到達(dá)某個(gè)閾值，SF6會(huì)分解，大幅降低氣體絕緣性能。所以這種設(shè)備的內(nèi)部溫度也可以當(dāng)做主要監(jiān)測(cè)對(duì)象之一。

2 GIS設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的帶電測(cè)試技術(shù)

2.1 局部放電檢測(cè)技術(shù)

（1）超高頻法。SF6是氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備內(nèi)部的主要絕緣介質(zhì)，如果這種設(shè)備出現(xiàn)內(nèi)部放電現(xiàn)象，它的脈沖信號(hào)也會(huì)持續(xù)很短的上升時(shí)長(zhǎng)，以ns 級(jí)居多，幾個(gè)ns 持續(xù)時(shí)長(zhǎng)而已，這就導(dǎo)致這些脈沖信號(hào)里面出現(xiàn)大量超高頻信號(hào)，這類信號(hào)有極強(qiáng)的穿透力，可經(jīng)由這種設(shè)備的盆式絕緣子外泄，技術(shù)人員可把超高頻傳感器放置在盆式絕緣子不遠(yuǎn)處，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備內(nèi)部放電進(jìn)行超高頻信號(hào)監(jiān)測(cè)的目的。超高頻傳感器通常有300～1500MHZ 的工作頻帶，而超高頻信號(hào)會(huì)出現(xiàn)大幅衰減，因此信號(hào)到達(dá)測(cè)試區(qū)域時(shí)就很弱了，這就要求傳感器必須具備極高的靈敏度。這種方法方便快捷，應(yīng)用很廣。

（2）超聲波法。一但氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備出現(xiàn)內(nèi)部放電，會(huì)同步產(chǎn)生超聲波信號(hào)，只要把超聲波傳感器放置在這種設(shè)備外面，就會(huì)監(jiān)測(cè)到內(nèi)部放電時(shí)的超聲波信號(hào)，可對(duì)有無內(nèi)部放電現(xiàn)象做出間接判斷。超聲波傳感器具有接近20～200kHz 的工作頻帶，頻率上升則噪聲下降。它的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于很好的抗干擾性能，環(huán)境因素的影響程度微乎其微，能精準(zhǔn)定位內(nèi)部放電具體位置。

相關(guān)單位可以很輕松地在市場(chǎng)上采購(gòu)到關(guān)于氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備內(nèi)部放電的成熟檢測(cè)設(shè)備，超高頻和超聲波是它的主要監(jiān)測(cè)手段。一些檢測(cè)設(shè)備還會(huì)附帶局部放電現(xiàn)象的信息技術(shù)診斷軟件，可準(zhǔn)確判斷監(jiān)測(cè)信號(hào)屬性，是否為局部放電信號(hào)，極大提升了判斷局部放電的準(zhǔn)確率。目前國(guó)內(nèi)在檢測(cè)局部放電現(xiàn)象方面已經(jīng)開始應(yīng)用超高頻和超聲波信號(hào)，也有成功經(jīng)驗(yàn)，而且利用帶電測(cè)試技術(shù)對(duì)局部放電進(jìn)行檢測(cè)也在不斷發(fā)展，會(huì)具備越來越高的安全穩(wěn)定性。

2.2 SF6氣體檢測(cè)技術(shù)

（1）壓力檢測(cè)。利用SF6的壓力能準(zhǔn)確判斷斷路器氣密性，這是對(duì)絕緣強(qiáng)度的間接反映。監(jiān)測(cè)SF6壓力有兩種形式。即密度繼電器和相關(guān)壓力表的現(xiàn)場(chǎng)查看。

（2）微水含量檢測(cè)。當(dāng)SF6出現(xiàn)微量水含量時(shí)，會(huì)給絕緣強(qiáng)度帶來很大負(fù)面影響，如果出現(xiàn)較高的微水含量，SF6就很容易分解，產(chǎn)生的物質(zhì)不但有害還有腐蝕性，給周邊區(qū)域和滅弧室造成不利影響，積累到一定程度就會(huì)導(dǎo)致絕緣擊穿。微水含量的檢測(cè)儀器是便攜式的，對(duì)SF6進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)帶電測(cè)試，常用的技術(shù)原理是露點(diǎn)法，當(dāng)SF6處于微水含量狀態(tài)時(shí)，監(jiān)測(cè)它的氣壓或結(jié)露溫度，即可對(duì)微水含量進(jìn)行間接判斷。

（3）分解產(chǎn)物檢測(cè)。SF6的分子結(jié)構(gòu)極其穩(wěn)定，如果置于常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)，即壓力小于0.8MPa，環(huán)境溫度為-40～80℃，它不會(huì)跟包括鋁，銀，銅，不銹鋼等在內(nèi)的金屬材料以及包括玻璃或樹脂等在內(nèi)的有機(jī)固體出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，但是如果SF6受到放電，電弧以及環(huán)境溫度超過200℃時(shí)，會(huì)有分解化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生，生成物包括氣態(tài)或固態(tài)氟化物或者金屬氟化物。檢測(cè)SF6的分解物質(zhì)的主要方法有4種，即檢測(cè)管法，動(dòng)態(tài)離子法，氣相色譜法以及紅外圖譜法，目前以動(dòng)態(tài)離子法最為普遍采用，也很有效。它是把污染過的和純凈的SF6進(jìn)行動(dòng)態(tài)離子譜圖比對(duì)，對(duì)它的分解物質(zhì)進(jìn)行濃度判斷，也就是SF6污染達(dá)到怎樣的程度，以此推定相關(guān)設(shè)備的缺陷程度。

2.3 紅外測(cè)溫技術(shù)

紅外測(cè)溫技術(shù)在帶電測(cè)試技術(shù)中屬于應(yīng)用比較成熟的一類，如果氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備出現(xiàn)了因接觸不良導(dǎo)致的過熱或出現(xiàn)了電弧，熱量會(huì)向設(shè)備外壁傳導(dǎo)，利用紅外熱像儀即可監(jiān)測(cè)設(shè)備溫度。

3 GIS設(shè)備常見故障

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的組成部分包括很多元器件，一個(gè)元器件故障會(huì)導(dǎo)致整體設(shè)備出現(xiàn)運(yùn)行故障。故障原因可能是設(shè)備沒有達(dá)到科學(xué)合理的設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)輸期間損害了設(shè)備，安裝作業(yè)或日常運(yùn)維不當(dāng)?shù)?。故障類型主要包括機(jī)械，絕緣，二次回路，氣體外泄以及其它類型的故障。

3.1 觸頭接觸異常故障

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備是組合類型的精密電氣設(shè)備，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。一旦有元器件出現(xiàn)位移，設(shè)備就會(huì)失靈，也可能導(dǎo)致內(nèi)部電磁場(chǎng)出現(xiàn)異常導(dǎo)致氣體外泄或絕緣故障。這種設(shè)備的機(jī)械故障類型包括觸頭接觸異常，機(jī)械結(jié)構(gòu)卡澀以及緊固螺栓出現(xiàn)松動(dòng)等。

導(dǎo)致觸頭接觸異常故障的成因有：①觸頭沒有達(dá)到科學(xué)合理的設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)，動(dòng)和靜觸頭不適配，無法達(dá)到接觸的完美程度；②閘體的分合頻次過密，靜觸頭容易引發(fā)側(cè)彈簧異常，彈性下降而接觸不良；③觸頭是金屬材料，如果運(yùn)行期間出現(xiàn)過載使觸頭流經(jīng)電流過大，觸頭的接觸面會(huì)熱熔變形而接觸不良。同時(shí)，運(yùn)行正常時(shí)這種設(shè)備內(nèi)部的交流電會(huì)有較大電流，電流的電磁場(chǎng)會(huì)在設(shè)備內(nèi)部形成異常復(fù)雜的分布形式，設(shè)備的金屬材料外殼會(huì)因磁力引發(fā)的伸縮作用以及電磁力出現(xiàn)穩(wěn)定振動(dòng)現(xiàn)象。

3.2 絕緣故障

標(biāo)準(zhǔn)氣壓的SF6是氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備內(nèi)部的絕緣介質(zhì)，鑒于這種設(shè)備很高的額定電壓等級(jí)，設(shè)備內(nèi)部有一些電磁場(chǎng)分布，它們極其微小且動(dòng)態(tài)變化，極易誘發(fā)絕緣擊穿事故。絕緣故障的主要成因是腔壁或?qū)w異常突起，內(nèi)部有空隙，接觸不良，金屬自由顆粒物以及有雜物附著在絕緣子表面等。

①導(dǎo)體或腔壁突起。設(shè)備制造不達(dá)標(biāo)，腔壁或?qū)w有微小毛刺存在，它們會(huì)有不均勻磁場(chǎng)產(chǎn)生，拉低設(shè)備的耐壓力，遇到高壓會(huì)產(chǎn)生局部放電。雖然都是一種原因引起的局部放電，腔壁或?qū)w二者之間的局部放電是有差異性的，導(dǎo)體局部放電信號(hào)的傳播形式是扇形，圍繞毛刺進(jìn)行，傳播區(qū)域在氣室內(nèi)部；而腔壁局部放電信號(hào)是很集中的，放電部位強(qiáng)度最大。導(dǎo)體周圍存在強(qiáng)大電場(chǎng)，因此由它引起的局部放電危害性更高；②自由金屬顆粒。運(yùn)行正常時(shí)設(shè)備內(nèi)部有大量復(fù)雜電磁場(chǎng)分布，為自由金屬顆粒物施加電磁力，它們?cè)谇皇覂?nèi)部胡亂碰撞，機(jī)械撞擊信號(hào)向金屬材質(zhì)外殼傳導(dǎo)。這些胡亂碰撞會(huì)極大拉低設(shè)備的工頻耐壓力，導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部絕緣性能下降；③絕緣子表面附著物及內(nèi)部空隙。此時(shí)氣室內(nèi)部的電磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生分布畸變絕緣擊穿在不大的范圍內(nèi)產(chǎn)生引發(fā)局部放電；④導(dǎo)體與絕緣設(shè)備接觸不良。運(yùn)行正常時(shí)出于屏蔽設(shè)備的需要，絕緣設(shè)備和導(dǎo)體是緊緊相連的，如果有松動(dòng)或接觸不良，腔室內(nèi)就會(huì)有電位懸浮產(chǎn)生，而絕緣耐受電壓是有限度的，一旦超限產(chǎn)生的放電規(guī)模會(huì)很大，給絕緣性能帶來傷害。

3.3 氣體泄漏故障

通常SF6如果是高純度的，它不具備毒性，如果是氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備內(nèi)部外泄的六氟化硫，還是有一定危害性的。①SF6擁有高于空氣的分子重量，一旦外泄會(huì)向底層積聚。而變電站為了接地的穩(wěn)固性，設(shè)備安裝位置都普遍偏低，一旦外泄會(huì)使SF6把底層空氣排擠掉，空間因此全部是SF6，檢修人員如果此時(shí)實(shí)施常規(guī)檢修，極易誘發(fā)缺氧而中毒窒息；②如果這種設(shè)備內(nèi)部有缺陷存在，會(huì)有電弧或局部放電現(xiàn)象，它們產(chǎn)生的高溫促進(jìn)SF6在腔室內(nèi)分解，生成有毒的氟化物，一旦這種氣體外泄，就會(huì)給現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員造成危害；③如果這種設(shè)備的腔室密封性能遭到破壞，再遇到惡劣天氣，水分就會(huì)有侵入設(shè)備內(nèi)部的可能，與里面的SF6發(fā)生復(fù)雜多變的化學(xué)反應(yīng)，生成的氟化物既有毒有害也具有腐蝕性，給設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員帶來很大安全威脅。氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備要求的密封性能等級(jí)很高，密封作業(yè)和充氣過程都須交由生產(chǎn)廠家負(fù)責(zé)?？v觀國(guó)內(nèi)目前運(yùn)行中的氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備，發(fā)生氣體外泄故障的成因主要是設(shè)備的端蓋安裝作業(yè)達(dá)不到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，密封圈以次充好，有雜物附著在接觸面，對(duì)接口沒有牢固固定螺栓等。外部大氣壓力比氣室內(nèi)部SF6氣壓低，如果這種設(shè)備達(dá)不到良好的密封性能，缺口處就會(huì)不斷有氣體外泄，拉低氣室內(nèi)部氣壓，設(shè)備的絕緣性能受到傷害。

4 GIS設(shè)備故障診斷總體框架

通過對(duì)上述故障的分析總結(jié)，在多狀態(tài)監(jiān)測(cè)變量的基礎(chǔ)上，就氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備故障診斷提出了通過殘差和狀態(tài)估計(jì)對(duì)故障進(jìn)行診斷分類的算法，由建立狀態(tài)估計(jì)器，故障預(yù)警和識(shí)別三個(gè)部分組成。①狀態(tài)估計(jì)器。對(duì)運(yùn)行正常時(shí)的氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備實(shí)施多狀態(tài)變量監(jiān)測(cè)，通過改進(jìn)后的向量回歸和粒子濾波算法完成狀態(tài)估計(jì)器的構(gòu)建；②故障預(yù)警。把估計(jì)所得狀態(tài)變量數(shù)據(jù)與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，由狀態(tài)變量得到狀態(tài)變量殘差數(shù)據(jù)，通過自適應(yīng)閾值完成檢測(cè)故障和及時(shí)預(yù)警；③故障識(shí)別。將多狀態(tài)變量殘差數(shù)據(jù)完成分類，可準(zhǔn)確識(shí)別故障類型。

5 結(jié)束語

文章首先分析了GIS 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容，然后分別進(jìn)行各種GIS 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)帶電測(cè)試技術(shù)的探討和論述，并詳細(xì)梳理了GIS 設(shè)備運(yùn)行過程中比較容易發(fā)生的觸頭接觸異常故障、絕緣故障及氣體泄漏故障，希望能對(duì)相關(guān)工作人員有所幫助。GIS 設(shè)備是電網(wǎng)設(shè)備中的重要一員，加強(qiáng)GIS 設(shè)備檢測(cè)維護(hù)，在保證電網(wǎng)正常有序運(yùn)行方面能夠發(fā)揮關(guān)鍵作用，所以工作人員應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)GIS 設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)診斷及檢修處理的研究。