电气开关设备GIS内部绝缘故障的分析及对策

电气开关设备GIS内部绝缘故障的分析及对策

开万硕 毛燕冉

中国电建集团核电工程有限公司 山东省济南市 250100

摘要：气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）作为电力系统中最为常用的设备之一，在运行中经常会出现内部绝缘故障，对电力系统的运行安全造成危险。文章详细分析了 GIS 内部绝缘故障的常见类型，如SF6 气体泄漏、微水超标、开关故障、内部放电以及外部干扰等，并进一步阐述了相应的检测方法，同时结合具体故障案例对检测方法的应用和故障处理对策进行了分析研究，为类似绝缘故障处理，提供参考。

关键词：GIS；内部绝缘故障；检测方法；处理对策

引言

GIS以其占地面积小、可靠性高、维护方便等优点，在现代电力系统中得到了广泛应用，尤其是在城市电网、变电站以及一些对空间要求较高的场所。然而GIS设备在运行中也会出现内部绝缘故障，一旦出现该类故障了，不仅会导致设备停运，影响电力供应，还可能引发严重的电力事故，造成巨大的经济损失和社会影响。因此，深入研究GIS内部绝缘故障的原因、检测方法以及有效的对策具有重要意义。

1GIS内部绝缘故障的常见类型

1.1SF6气体泄漏

SF6气体作为GIS的绝缘和灭弧介质，据统计，约有20%～30%的GIS故障与SF6气体泄漏有关。SF6气体泄漏一般出现在设备的密封部位，如阀门、法兰连接、绝缘子密封处等。当SF6气体泄漏量达到一定程度时，设备内部的气体压力降低，绝缘性能随之下降，容易引发局部放电甚至绝缘击穿事故[1]。例如，某220kVGIS变电站，由于一处法兰连接部位的密封垫片老化，导致SF6气体缓慢泄漏，在运行一段时间后，设备内部压力下降，最终在一次系统操作时发生了内部放电故障，造成了局部停电事故。

1.2SF6气体微水超标

SF6气体中的水分含量过高（即微水超标）也是影响GIS内部绝缘性能的重要因素。正常情况下，SF6气体中的水分含量应控制在一定范围内（如20℃时，体积比不超过150μL/L）。当微水超标时，在高电压作用下，水分会与SF6气体分解产物发生化学反应，生成具有腐蚀性的物质，如HF、SO2等，这些物质会腐蚀设备内部的金属部件和绝缘材料，降低绝缘性能，同时也会影响SF6气体的灭弧能力。

1.3开关故障

GIS中的开关是控制电路通断的关键部件，其故障也会导致内部绝缘问题。开关故障主要包括触头接触不良、操作机构卡涩等。触头接触不良会导致接触电阻增大，在通流时产生局部过热，使触头表面氧化、烧蚀，进而影响绝缘性能；操作机构卡涩可能导致开关分合闸不及时或不到位，在分合闸过程中产生电弧，烧损绝缘部件，引发绝缘故障。

1.4内部放电

内部放电是GIS内部绝缘故障的重要表现形式之一，故障一般以电晕放电、沿面放电和内部绝缘击穿等形式出现。其中，电晕放电通常发生在电场强度较高的部位，如电极边缘、绝缘子表面等，其产生的臭氧和氮氧化物等会腐蚀绝缘材料；沿面放电一般沿着绝缘表面发生，多是由于绝缘表面污染、受潮或存在缺陷等原因引起；内部绝缘击穿是最严重的放电形式，会导致设备短路，严重影响电力系统运行安全[2]。比如在一些GIS设备中，由于绝缘子制造过程中存在内部缺陷，在运行电压作用下逐渐发展为内部绝缘击穿，造成严重的电力事故。

1.5外部干扰

GIS设备在运行过程中还可能受到外部干扰，如电磁干扰、雷电冲击等，这些干扰可能会影响设备的正常运行，甚至引发误动作或绝缘故障。电磁干扰可能来自附近的高压设备、通信设备等，会干扰设备的控制信号和监测信号，导致设备误判或误动作；雷电冲击可能通过输电线路侵入GIS设备，对设备的绝缘造成瞬间的过电压冲击，损坏绝缘部件。虽然外部干扰引发的绝缘故障相对较少，但一旦发生，后果往往较为严重。

2GIS内部绝缘故障的检测方法

2.1SF6气体湿度监测试验

SF6气体湿度监测试验通过高精度的湿度传感器实时监测SF6气体的湿度参数和压力值。当湿度值在短时间内快速上升，可能预示着设备内部存在水分浸入的问题，如密封部件损坏或气体处理系统故障。因为SF6气体中的水分在高电压作用下会发生电解，产生的氢离子和氢氧根离子会降低气体的绝缘强度，同时与SF6气体分解产物发生化学反应，生成具有腐蚀性的物质，如HF、SO2等，这些物质会腐蚀设备内部的金属部件和绝缘材料，加速绝缘性能的劣化。然而，需要注意的是，SF6气体湿度参数的变化与绝缘故障概率之间的关联性并非简单的线性关系，还需要综合考虑其他因素，如气体压力、设备运行工况等，进行全面判断[3]。例如，在高温环境下，气体湿度可能会相对较低，但这并不意味着绝缘性能良好，因为高温可能会使绝缘材料老化加速；而在气体压力较低时，即使湿度处于正常范围，也可能因气体密度减小导致绝缘性能下降。因此，建立湿度、压力、温度等多参数的综合评估模型对于准确判断绝缘状态更为科学合理，例如采用基于人工神经网络或模糊逻辑的智能诊断方法，能够更好地处理这些复杂的非线性关系，提高故障预测的准确性。

2.2泄漏气体试验

泄漏气体试验主要采用气体检漏仪对GIS设备的各个密封部位进行检测。常用的检漏仪包括氦质谱检漏仪和SF6定量检漏仪等。

（1）氦质谱检漏仪能够准确检测到微小的气体泄漏，其检测精度可达10^-12Pa・m³/s量级，该仪器利用氦气作为示踪气体，当含有氦气的混合气体进入检漏仪的离子源后，被电离成离子，然后在磁场的作用下发生偏转，根据离子的偏转轨迹和数量来确定氦气的泄漏量，进而推断出SF6气体的泄漏情况。这种检漏仪适用于对泄漏要求极高的场合，如高压GIS设备的关键密封部位检测。

（2）SF6定量检漏仪则可以直接测量SF6气体的泄漏速率，例如在某GIS设备安装调试过程中，使用SF6定量检漏仪对设备进行泄漏检测，发现一处阀门连接处的泄漏速率超过了允许值（一般为0.5%/年），及时进行了密封处理，避免了因气体泄漏导致的绝缘性能下降问题。该检漏仪通常采用红外吸收原理，通过检测SF6气体对特定波长红外线的吸收程度来确定气体浓度，从而计算出泄漏速率。需要注意，为了提高检测的准确性和可靠性，要多次检测取平均值，并结合其他检测手段进行相互验证，如压力降法等，以确保检测结果的真实性和有效性。

2.3交流耐压试验

交流耐压试验是检验GIS设备绝缘性能的重要手段之一，其主要利用电介质的击穿特性。当对设备施加高于运行电压的交流电压时，电介质中的电场强度会相应增加，如果电介质存在绝缘缺陷，如内部气泡、杂质或局部绝缘薄弱区域，在高电场强度作用下，这些部位的电场会发生畸变，导致局部放电或绝缘击穿现象的发生。试验时，对设备施加高于运行电压的交流电压，一般为设备额定电压的1.3-1.5倍，持续时间为1分钟（对于一些特殊设备，试验时间和电压倍数可能会有所调整）[4]。例如，对于220kVGIS设备，通常施加的试验电压约为286kV-330kV之间，持续时间为1分钟。在试验过程中，通过检测设备是否发生绝缘击穿或局部放电来判断绝缘状况，如果检测到局部放电信号，需要对其进行详细的分析和定位，以确定绝缘缺陷的位置和性质。而对于一些难以确定的放电信号，还可以采用改变试验电压、频率或采用分相试验等方法进行进一步的排查和分析，以提高故障诊断的准确性。

2.4局部放电检测

2.4.1特高频检测法

特高频检测法利用特高频天线接收局部放电产生的特高频电磁波信号，其频率范围通常在300MHz-3GHz之间。由于特高频信号的传播特性，该方法具有检测灵敏度高、抗干扰能力相对较强等优点。在GIS设备内部中，特高频信号在传播中会受到设备结构、绝缘材料等因素的影响，产生反射、折射和衰减现象，通过对信号的频谱分析、脉冲序列分析等方法，可以提取出局部放电的特征参数，如放电频率、脉冲重复率、相位分布等，从而判断放电的类型和严重程度。例如，当检测到的信号频谱主要集中在500MHz-1GHz之间，且脉冲重复率较高时，可能预示着存在较为活跃的局部放电现象，需要进一步进行排查和分析。然而，特高频检测法对检测设备的性能要求较高，而且电磁波信号在传播过程中容易受到其他电磁干扰源的影响，如变电站内的通信设备、二次回路等，需要采取有效的屏蔽和滤波措施来提高检测的准确性。例如，在检测设备的外壳采用金属屏蔽层，对电源线和信号线进行滤波处理，同时合理规划检测设备的安装位置，远离强干扰源，以减少外部电磁干扰对检测结果的影响。

2.4.2化学分析法

化学分析法通过分析设备内部气体成分变化来判断放电缺陷。当GIS设备内部发生局部放电时，SF6气体会发生分解，产生一些特征性的分解产物，如SOF2、SO2F2、CF4等。这些分解产物的生成量和种类与局部放电的能量、类型和持续时间等因素密切相关。正常状态下，电气开关设备GIS中SF6气体分解产物的参考值如表1所示，如果超过该值，则说明存在故障问题。通过对这些分解产物的种类和含量进行检测和分析，可以判断放电的严重程度和类型。例如，采用气相色谱仪或质谱仪等分析仪器，对SF6气体分解产物进行定量分析，当检测到SOF2和SO2F2的含量明显增加时，可能预示着设备内部存在较为严重的局部放电现象，因为这两种分解产物通常是在高能量放电过程中产生的[5]。而CF4的生成量相对较多时，则可能提示存在电晕放电等低能量放电现象。然而，化学分析法的反应时间较长，对气体采样和分析技术要求较高，需要专业的实验室设备和技术人员进行操作。在气体采样过程中，要确保采样方法的科学性和规范性，避免采样过程中引入杂质或造成气体成分的改变。同时，分析仪器的校准和维护也至关重要，以保证检测结果的准确性和可靠性。此外，由于气体分解产物的浓度通常较低，需要采用高灵敏度的检测方法和先进的分析技术，如气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）、傅里叶变换红外光谱技术（FTIR）等，更准确地检测和识别各种微量的分解产物，这样才能够为故障诊断提供依据。

表1SF6气体分解产物的参考值

3电气开关设备GIS内部绝缘故障的实例分析与处理对策

3.1故障现象

某220kV变电站的GIS设备在运行过程中，监控系统发出局部放电告警信号，其局部放电量超过了正常运行允许值（一般正常运行时局部放电量应小于5pC，而此次告警值达到了50pC）。同时，现场运维人员发现该设备的某气室压力从正常的0.45MPa（绝对压力）出现轻微下降趋势，在24小时内下降了约0.005MPa，但尚未达到报警阈值（一般报警阈值设定为0.01MPa/天）。

3.2故障检测与分析

（1）初步外观检查。对设备进行外观检查，未发现明显的外壳破裂、变形或异常发热迹象。但在对设备连接部位和密封处进行仔细检查时，使用SF6定量检漏仪（检测精度可达0.01%/年）发现一处阀门的密封处有极其细微的SF6气体泄漏迹象，泄漏速率经检测约为0.003%/年，表现为在密封面周围有极少量的白色粉末（可能是SF6气体分解产物与空气中水分反应生成的物质）。

（2）气体成分分析。对该气室的SF6气体进行采样，并送回实验室进行详细的成分分析。通过配备高灵敏度检测器的气相色谱仪和质谱仪检测发现，气体中除了正常的SF6气体成分外，SOF₂的含量达到了5μL/L（正常运行时应小于1μL/L），SO₂F₂的含量为3μL/L（正常运行时应小于0.5μL/L），这些分解产物的含量超出了正常运行允许值，这表明设备内部可能存在较为严重的局部放电现象，导致SF6气体发生分解。

（3）局部放电检测。采用特高频检测法对该GIS设备进行局部放电定位检测。在设备周围布置了4个特高频天线，其检测频率范围为300MHz-3GHz，检测到在500MHz-1GHz频段内存在明显的局部放电信号，且信号强度在某一区域相对较强，初步判断放电位置在靠近母线连接部位的绝缘子附近。通过对特高频信号的脉冲序列分析，发现脉冲重复率达到了500次/秒（正常无放电时应接近0），进一步表明放电活动较为频繁。

（4）交流耐压试验辅助诊断。通过局部放电监测装置（检测灵敏度为1pC）发现，当电压升至250kV左右时，局部放电信号明显增大，且随着电压升高，放电量也逐渐增加，最大放电量达到了100pC，这表明设备内部的绝缘缺陷在高电压下更加明显，绝缘性能已经严重下降，无法承受正常的运行电压。

综合以上各项检测结果，可以判断该GIS设备的绝缘故障是由于绝缘子根部存在内部缺陷，导致局部电场畸变，引发局部放电，进而使SF6气体分解，同时伴随着轻微的气体泄漏。长时间的局部放电和气体泄漏进一步加剧了绝缘的损坏程度，如果不及时处理，可能会导致绝缘击穿，引发严重的电力事故。

3.3故障处理措施

根据故障分析结果，在处理前需要先对GIS设备进行停电操作，并做好安全接地措施。第一，更换故障部件。打开故障气室，拆除存在问题的绝缘子，安装新的绝缘子。第二，气体处理与回充。使用SF6气体回收装置，将气室内的SF6气体全部回收并进行净化处理，去除其中的分解产物和杂质。对气室内部进行抽真空处理，真空度达到10Pa以下并保持4小时，以确保气室内的水分和空气含量符合要求。然后将经过检测合格的SF6气体重新充入气室，充入过程中严格控制气体的压力和流量（充入速率为5m³/h），使其达到设备正常运行的额定压力值（0.45MPa）。

3.4修复后检测与验证

在完成故障部件更换和气体处理后，对该GIS设备进行全面的检测和验证。

（1）设备的阀门、法兰连接等关键部位没有气体泄漏现象，泄漏速率低于0.001%/年；（2）使用特高频检测法进行局部放电检测，未检测到明显的局部放电信号，局部放电量低于3pC，表明设备内部的局部放电问题已得到解决；（3）按照设备的试验标准，对该气室重新进行交流耐压试验，试验电压升至1.5倍额定电压（330kV），持续时间1分钟，设备顺利通过试验，没有出现绝缘击穿或局部放电现象。经过上述处理措施，该220kVGIS设备成功修复并恢复正常运行，保障了电力系统的安全稳定供电。

结语

为了确保电气开关设备GIS的安全稳定运行，需要深入研究内部绝缘故障的各种表现形式和原因，并根据故障的实际情况制定合理的检测方案，综合运用不同检测方法，相互补充和验证，全面准确地检测出设备内部的绝缘故障，将故障影响和发生率降至最低。但是随着诊断技术和方法的不断发展，在后续工作中需要持续进行新技术和新方法的学习，不断提高故障检测水平和检测效率，确保电力系统的安全稳定运行。

参考文献

[1]何明勇.气体绝缘组合电器GIS预防性维护措施研究[J].中国设备工程,2024,(16):88-90.

[2]李威，可翀，王敏，等。220 kV GIS隔离开关放电故障的分析与处理[J/OL]。高压电器，1-5[2024-12-30].

[3]李云松,崔健,唐颖.变电站GIS设备故障类型及典型案例分析[J].农村电工,2023,31(07):46-47.

[4]薛景天.500kVGIS绝缘故障分析及处理[J].中国设备工程,2022,(21):162-164.

[5]王国利,高超,杨芸,等.GIS绝缘缺陷局部放电检测的有效性研究[J].高压电器,2018,54(11):62-72.