1 概述
近年来,随着城市电网建设的发展,GIS变电站的数量不断增加。目前,河南省内GIS变电站已接近40座,预计今后几年内还将继续增加。由于GIS设备的运行电压高、其内空间极为有限,导致GIS设备的工作场强很高。另一方面,GIS设备中绝缘裕度相对较小,在严格控制的环境条件下,GIS设备中SF6气体的击穿强度可望达到相当高的水平,但实际通常只能达到期望值的一半,甚至更低。一旦GIS设备内部出现某种缺陷,极易发生设备故障。随着GIS变电站数量的增多,GIS设备发生故障的几率也在增加。由于以往人们认为GIS设备属于免维护设备,加之GIS变电站数量较少,监测设备故障的手段和措施相对有限。因此,加强和完善GIS设备交接试验以及GIS设备的运行监测,对保障GIS设备的安全运行具有重要意义。
研究表明,GIS设备内部故障以绝缘性故障为多。2001年河南省发生的3起GIS设备故障均为绝缘性故障。国内其它省份亦有类似情况。GIS设备的局部放电往往是绝缘性故障的先兆和表现形式。一般认为,GIS设备中放电使SF6气体分解,严重影响电场分布,导致电场畸变,绝缘材料腐蚀,最终引发绝缘击穿。实践证明,开展局部放电检测可以有效避免GIS事故的发生。目前,河南省有关部门正在研究和制定GIS设备局部放电测量的具体实施方案,拟将GIS设备局部放电测量列入GIS设备交接试验和运行监测项目。
2 GIS设备局部放电检测方法
GIS设备局部放电既是内部绝缘故障的先兆,又是绝缘故障的典型表现。
2.1 GIS设备内部常见缺陷
a.GIS设备中固体绝缘材料内部的缺陷 如生产工艺过程中残存在盆式绝缘子内部或与导体交界处的气隙。
b.GIS设备内残留自由导电微粒,如金属碎屑或金属颗粒 这是较为普遍存在的一种缺陷,一般是由于制造、安装等原因造成的。
c.GIS设备中的导体表面存在突出物,如毛刺、尖角等 这种缺陷易发生电晕放电,在稳定的运行电压下一般不会引发绝缘击穿,但在冲击电压下可能导致绝缘击穿。
d.GIS设备内的导体接触不良等。
上述缺陷往往可以引发GIS设备局部放电。
2.2 GIS设备内部缺陷产生局部放电的特征
a.发生在导体周围的电晕放电,由于气体中的分子是自由移动的,因此GIS设备中的电晕放电过程与空气中的电晕放电相似。
b.GIS设备中绝缘子内部的气隙放电在工频正负两个半周内基本相同,即正负半周放电指纹基本对称。放电脉冲一般出现在试验电压幅值绝对值的上升部分,放电频率依赖于所加电压大小,只有在放电强烈时,才会扩展到电压绝对值下降部分的相位上,且每次放电的大小不相等。绝缘子缺陷在出厂时可能并不出现,但在运输及安装过程中有可能造成损伤。一些缺陷最初可能无害,只是在机械振动和静电力作用下可能轻微移动,形成潜在的隐患。
c.绝缘子表面的缺陷(如污秽等)有助于表面电荷的增加,可能会形成表面放电,导致绝缘子表面的绝缘劣化,甚至击穿。
d.自由导电微粒和固体导体上金属突起放电的相位分布有着明显不同。这个特征通常可以用来区分缺陷的类型。GIS设备中自由导电微粒有积累电荷能力,在交流电压作用下,静电力可使导电微粒在GIS筒内跳动,如直立旋转、舞动运动等。这种运动与放电的出现在很大程度上是随机的,这一过程与所加电压大小以及微粒的特性有关。如果一个跳动的微粒接近或运动至GIS设备中的高场强区时,伴随产生的局部放电有可能形成导电通道,造成绝缘击穿。相对而言,GIS设备内残留的金属碎屑或金属颗粒产生的各种效应是最为严重的,因此,金属颗粒的放电对GIS设备的危害相对较大。