电气开关设备GIS内部绝缘故障的分析及处理研究

电气开关设备GIS内部绝缘故障的分析及处理研究

董淑春

（北海银河开关设备有限公司广西壮族自治区北海市536000）

摘要：随着城市供电压力的不断提升，系统容量和电压等级都出现明显提高，在此情况下，电气开关设备GIS经常发生内部绝缘故障，比如绝缘拉杆击穿、绝缘子闪络等。GIS设备内部绝缘故障严重时会导致机组停机，给电力企业带来巨大经济损失。因此，有必要对GIS设备的内部绝缘故障及处理方法进行研究，将事前防范与事后处理方法相结合，确保GIS设备的稳定运行。

关键词：电气开关；设备；GIS；内部绝缘；故障

一、绝缘故障风险因素分析

1、绝缘部件制造缺陷和机械损伤

GIS的绝缘部件主要包括盆式绝缘子、支柱式绝缘子、绝缘拉杆等。制造缺陷和机械损伤对绝缘部件绝缘性能的影响主要表现为裂纹缺陷、气泡缺陷和金属杂质三方面。下面以盆式绝缘子为例。

a）裂纹缺陷。在制造GIS时，盆式绝缘子如果自身机械强度不足，运行中应力释放后可能产生局部裂纹。在工厂装配或现场组装环节中，如果装配不当或螺栓紧力不均，盆式绝缘子可能因残留异常应力而出现局部裂纹。在现场母线对接时，因磕碰或蛮力施工，也可能导致对接面的盆式绝缘子出现局部裂纹。此外，冷热温差造成的内应力也可能导致绝缘子表面出现微小裂纹。当盆式绝缘子出现较长贯穿性裂纹时，会造成绝缘子表面闪络电压明显降低，绝缘性能下降，进而直接导致绝缘子闪络事故。虽然有些裂纹在发展初期很微小，其长度和厚度都较小，裂纹处电场分布较均匀，所以不发生局部放电。但微小裂纹出现后，在其发展过程中，裂纹厚度将慢慢增大。例如，河北某电厂500kVGIS的线路II因组装时造成绝缘子的微小应力裂纹，裂纹扩大后，出现击穿接地。

b）气泡缺陷。由于原材料不稳定、操作不规范、模具不合格或工艺不完善等原因，盆式绝缘子的环氧树脂绝缘件在制造时，内部存在气泡的情况屡见不鲜。

环氧树脂的相对介电常数远大于气泡内空气，所以当盆式绝缘子内部出现气泡时，气泡所在部位的电场将出现严重畸变。同时空气的击穿电压还远小于环氧树脂，一旦气泡内的场强超过一定值，气泡内就会发生局部放电。虽然这种现象不会迅速造成贯穿性放电通道，但是因为局部放电持续时间长，会逐渐引起绝缘劣化的发展和扩大。当气泡缺陷出现位置离绝缘子表面很近时，该位置沿面的切向电场强度将被大幅度提升，可导致盆式绝缘子沿面放电的现象更易发生。

c）金属杂质。盆式绝缘子的生产制造过程中，由于中心导体的硬度和强度均低于模具，若模具和中心导体不能完好对中，则在二者配合面处，模具棱角很有可能从中心导体上削下金属屑。如果清理不及时，在浇注绝缘件时浇注体内部很可能混入金属屑。金属杂质被混入后，盆式绝缘件内部电场将发生很大畸变，造成金属杂质附近的电场强度大于允许值。同时，金属杂质还会减小盆式绝缘子的有效绝缘长度。随着运行时间增长，盆式绝缘子很可能因此而被击穿。

2、绝缘部件表面粉尘杂质积累

现场实际情况显示，GIS绝缘部件表面积累粉尘杂质的现象不可避免。在制造厂的装配、设备运输以及现场气室组装环节中，GIS设备绝缘部件表面都有可能受到粉尘、杂质以及汗渍或油垢等污染。在气室隐蔽处也可能残留金属微粒、粉末等导电性杂质，若不经过严格清理，绝缘表面和气室内部就会留下绝缘隐患。此外，在开关动作和定期试验过程中，也会或多或少地在气室内产生导电性杂质和电荷。

气室内导电杂质的自由运动会影响局部SF6气体的纯度，降低其绝缘性能。此外，导电杂质在交直流电压的作用下，易附着到绝缘子表面，致使绝缘子表面局部电场被集中，引起表面闪络电压明显降低，严重时会出现沿面放电现象。由于SF6的击穿电压远高于绝缘部件表面的闪络电压，所以绝缘部件表面积累导电杂质更容易引起GIS的内部绝缘故障，其危害也更大。研究表明，随着绝缘子表面电荷沉积量的增加，其沿面闪络电压将至少减小10%，所以表面粉尘杂质的积累对绝缘故障的影响不容忽视。例如，辽宁某电厂500kVGIS的3号线路B相出线的盆式绝缘子就曾因表面清理不净而沿弧面发生放电故障。

3、导体部件表面毛刺或划痕

在GIS设备的结构技术中，对导体表面的光洁度要求很高，不能存在毛刺、划痕及凹凸不平之处。但导体表面存在毛刺或划痕而发生GIS绝缘故障的事件仍时有发生。毛刺或划痕通常是在制造或组装时所造成，多数是因为工作不严谨导致。此外，当GIS遭受大幅值冲击过电压后，均压罩等薄导体附近发生放电现象时，释放的能量也可能使薄导体变形，导致其表面出现凹凸不平，该公司某电厂的SF6罐式断路器内的均压罩即发生过此类事件。

当毛刺、划痕或凹凸不平出现后，其楞角因曲率较大、面电荷密度较高，故其附近的电场强度也较强。由于SF6绝缘性能好，在正常运行电压下，尖端部位也许可以保持稳定；但当遭遇较大的过电压时，尖端附近的SF6就可能被电离，发生尖端放电，引发跳机事件。

二、GIS设备内部绝缘故障处理方法

1、加强设备质量管控

从上述GIS设备内部绝缘故障分析中可以看出，许多故障问题都源于GIS设备的生产、安装环节，做好相关质量检查工作，加强产品验收，可以有效避免内部绝缘故障的发生。具体应采取以下几方面措施：（1）合理进行GIS设备选型，对重要配套产品进行谨慎选择，对产品质量严格把关，防止出现选配不当的问题；（2）加强绝缘部件质量检查，对生产安装工艺的操作过程进行严格检查，防止出现机械损伤，并做好清洁度检查；（3）做好制造装配、现场组装的风险控制工作，做好防污、防潮措施，使GIS设备内部绝缘风险得到有效控制；（4）做好出厂试验、现场组装前的开盖检查工作，增加冲击电压检测项目，避免气室组装与其他工程发生交叉干扰，安排专业人员进行质量复查。

2、完善现场绝缘试验

GIS设备绝缘检测试验分为型式试验、出厂试验和现场试验，其中现场试验是GIS带电运行前的最后检验环节，如果设备存在绝缘故障隐患，可以在试验中发现异常。因此，做好现场试验十分重要，可以提前找出设备缺陷，并及时加以处理。此外，在进行状态评估和检修时，也要进行现场绝缘试验，必须对现场试验进行不断完善。目前GIS设备的现场剧院试验主要包括SF6气体湿度测试、交流耐压测试和设备泄漏测试等。其中，GIS设备要获得较好的绝缘性能，必须保证SF6气体的压力和质量符合要求。交流耐压试验则可以检测出GIS设备内部绝缘子的污染、工具遗留等缺陷。但值得注意的是，SF6气体湿度测试和交流耐压测试不能完全检测出GIS设备的内部缺陷，因此，还要对GIS设备进行局部放电试压和SF6气体分解试验。

3、局部放电试验

根据GIS设备故障统计结果显示，无论是何种原因导致的绝缘故障问题，都是从局部放电现象开始的，而且绝缘故障问题越严重，局部放电现象越明显。因此，对GIS设备进行局部放电试压，可以有效诊断出GIS设备是否存在内部绝缘挂账。目前使用的技术手段主要包括超高频电磁波、超声波等，可以准确捕捉到微小的局部放电现象。一些先进的专用局部放电检测仪，可以捕捉到1pC的局部放电量。在此基础上，进行SF6气体分解试验，可以找出具体的故障位置，判断故障性质及严重程度。一般在GIS设备投入运行后的1个月以内，要进行一次SF6气体分解物检测，3～6个月时进行一次复测，若无异常，则应每年检测1次。

4、实时在线监测

在采用给上述故障诊断处理方法的基础上，还应利用在线监测诊断系统，对GIS设备的运行状态进行实时监测。在线监测系统的检测内容主要包括设备内部气体压力、局部放电量、微水量和SF6气体分解物等。用户可以根据实际需要，选用合适的在线监测产品，为其灵敏度和抗干扰能力提供保障。在实时在线监测系统的支持下，随时掌握GIS设备运行状态，避免发生严重的绝缘故障事故。

结束语

GIS设备的绝缘性能是确保其安全可靠运行的重要条件。目前，GIS设备的许多内部绝缘故障的发生都涉及工艺质量，不管是厂家的制造装配环节，还是用户的现场组装环节，都是GIS设备质量控制的短板。各环节工作应认真实施相应的质量管控措施，注重细节管理，严格工艺和操作流程。同时，要完善交接时和投运后的现场绝缘试验，从而大大提高GIS设备及系统运行的安全可靠性。

参考文献

[1]苑维琦.特高压盆式绝缘子裂纹缺陷放电研究[D].北京：华北电力大学，2014.

[2]罗文天.存在气泡缺陷的盆式绝缘子电场仿真分析[D].沈阳：沈阳工业大学，2014.