（广东电网有限责任公司东莞供电局 广东东莞 52300）
摘要：研究了GIS设备的结构特点和常见故障原因，以一起220kV变电站GIS设备故障引起母差保护动作事故为例，分析了事故原因，改进了工作方法。
关键词：GIS；变电站；故障
0 引言
GIS组合电器是以SF6气体作为绝缘，由断路器、母线、隔离开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、套管7种高压电器通过金属全封闭式结构组合而成。具有体积小、占地空间少、日常检修维护工作量小、故障发生频率低等优点，在我国城市高压和超高压电网系统中逐渐广泛使用。GIS在生产和现场安装中可能存在缺陷，由于其设计结构的紧凑性，一旦发生事故，影响范围广，故障查找困难，修复时间长，对供电系统影响大。
1 GIS设备结构特点
GIS组合电器（以下简称：GIS）自投入使用以来，已在全世界各地广泛应用。GIS在不同电压等级领域都被广泛应用，包括高压领域、超高压领域以及特高压领域。对比于敞开式常规变电站，GIS的优点在于结构紧密、所占空间小、具有高可靠性、可根据用户需求灵活配置、现场安装方便、安全性高、周边环境适应能力强，日常维护工作量不多，主要元件的维护和修理周期一般在20年以内，与常规电气设备相比，结构性能上有以下特点：
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图1 GIS结构图
（1）GIS利用SF6气体作为设备内部绝缘和灭弧的介质，由于SF6气体的特性，能极大缩减导电体与金属地电位壳体之间的绝缘距离，因此从占地面积和安装空间来说，GIS只有相同电压等级下常规电气设备所占有的20%。并且这个比例随着电压等级升高而不断减少。
（2）所有的电气元件均被封装在一个接地的金属壳内，使带电部件不暴露于空气（除了采用架空引出线的部分），运行中受自然条件影响小，其可靠性和安全性比常规电器好得多。
（3）SF6气体是不燃不爆的惰性气体，所以GIS属防爆设备，适合在城市中心地区和其他防爆场合安装使用。
（4）GIS主要组装调试工作已在制造厂内完成，现场安装和调试工作量较小，因而可以缩短变电站安装周期。
（5）只要产品的制造和安装调试质量得到保证，在使用过程中除了断路器需要定期维修外，其它元件几乎无需检修，因而维修工作量和年运行费用大为降低。
（6）GIS设备结构比较复杂，要求设计制造安装调试水平高。
（7）GIS价格比较贵，变电站建设一次性投资大。但选用GIS后，变电站的土地和年运行费用很低，因而从总体效益讲，选用GIS有很大的优越性。
2 GIS常见故障原因
在多年的运行过程中，国内外许多变电站都发生过设备的闪络和击穿事故，产生故障的主要原因是内部绝缘缺陷，具体分析如下：
（1）内部气泡放电
在GIS设备中，绝缘子内部的气隙放电在工频正负半周内基本一致，也就是说，放电波形中的正负半周基本对称。在试验电压幅值绝对值的上升部分，一般会出现放电脉冲，放电的频率取决于所给的电压值，当放电强度越来越强时，脉冲会达到电压绝对值的下降相位上，并且放电的强度都不相同。在GIS设备出厂之前，绝缘子的缺陷可能不会出现，但是在搬运和安装固定中出现损坏的可能性较大。本来这些缺陷对该设备是没有危害的，但由于在静电力以及机械振动的作用下发生一定的移动，从而造成不定时的隐患。
（2）绝缘子沿面放电
绝缘子表面如污秽等缺陷会使电荷增加，有可能沿着绝缘子表面产生局部放电，从而导致其绝缘性能降低，甚至击穿。它的放电特点是：在电流最大相位过零时，会引起小电荷的局部放电脉冲，然后随着电压的增大，又会出现更多不规则的放电脉冲。
（3）悬浮放电
GIS内部存在着用于改善电场分布的屏蔽电极，应与高压导体存在电气连接，一旦运行中等电位连接脱离，既会形成浮动电位。这种浮动电位体会产生局部放电，伴随着超声波和电磁辐射，其分解物具有腐蚀性，会导致GIS内部环境发生恶化，引起设备绝缘表面的腐蚀，严重的将导致绝缘故障的发生。其放电特征是：在施加电压峰值附近发生大局部放电脉冲，随电压上升局部放电电平不变，频度增加。信号稳定，呈周期性重复，一个周期内会出现两簇较集中的信号聚集点。
（4）金属颗粒放电
自由金属颗粒是GIS内部较为常见的缺陷，制造、组装过程中遗留的金属残留物或者断路器装置动作过程中的碎渣都可能导致颗粒类放电。在外电场的作用下，金属颗粒会释放电子，形成带有正电荷的粒子，从而影响内部局部电场的分布，引起电场畸变。当场强畸变到一定程度后，电子就会从金属电极表面溢出，使气体发生碰撞电离、光电离和热电离，在两个电极之间形成间歇性或连续性的放电。带有正电荷的金属颗粒还会在电场作用下，受到库伦力、洛伦兹力以及电场梯度力的影响，向负极性电极移动。当金属颗粒接近高压导体，就会产生局部放电。它的放电特点是：在施加电压峰值附近有较大的呈散开状的局部放电的脉冲，当电压上升，电平无较大变化，频度会加大。GIS设备内残留的金属颗粒所产生的局部放电效应是非常严重的。
（5）电晕放电
一般来说，GIS电场分布设计为稍不均匀的，在固体导体上的金属突起的局部放电，属于严重的不均匀电场，其放电特征是：在施加电压峰值附近发生大局部放电脉冲，随电压上升局部放电电平是不会改变的，频度加大，同时由于放电存在显著的极性效应。毛刺分为导体上及壳体上两类。导体上放电频带较宽，调整带通滤波器的频率范围，如果信号出现明显变小的，这就说明是壳体上的毛刺放电，若信号没什么改变，则可认为是导体上的毛刺放电。一般导体上的毛刺放电更具危险性，只要信号高于背景值，都对正常运行产生威胁。
3 案例分析
2017年9月5日18:00，东莞地区某220kV变电站Ⅰ母线母差保护动作，母联200开关、1号主变高压侧201开关、A线214开关掉闸，母差保护故障C相，故障电流26A，B线213开关在合位。18:45分，A线214-2刀闸气室气体压力降低报警信号发出。监控人员根据调度命令，拉开B线213开关，变电站全站停电。经检查，故障部位为A线母线侧CT间隔，类似故障今年在多家供电单位已发生过多起，故障原因为CT设备内部橡胶材料硫化不彻底，长时间运行硫挥发生成硫化银，最终造成气体绝缘性能降低，发生内部闪络，属于厂方制造原因造成的家族性缺陷。在此期间，220千伏B线、A线和110千伏C线停电，电网运行处于非正常状态，并且D牵引站单电源运行。9月6日，召集相关单位对设备抢修、电网调度、设备巡视、对外联系、配合检修等工作进行了安排，请各单位切实履行职责，确保电网安全运行和抢修速度，迅速对母线CT间隔进行了更换处理。通过此次解体，发现一例典型生产GIS配套CT家族性缺陷，要求厂家尽早提供其同期、同种设计的GIS产品在南方电网的分布情况，并要求厂家提供或明确针对此种家族性缺陷的整改措施。在后续监控中，针对其他运行的设备，建议有同类型、同批次GIS运行的供电局，加强进行局部放电特高频在线监测，无安装在线监测的变电站应加大特高频和超声波检查手段，并进行气体成分分析，将结果上报。
4 结论
GIS设备在节约运维成本、节省用地方面占有很大优势，但GIS设备一旦发生紧急（重大）缺陷，就会造成停电风险，对社会产生一定影响，因此必须加强对GIS设备的日常监控与维护。
参考文献：
[1]汤铭华. GIS组合电器典型故障分析及改进[D].华南理工大学,2013.
[2]谢顺添. GIS超高频局部放电在线监测系统研究及应用[D].华南理工大学,2015.
作者简介：
袁淦钦，（1985-），男，本科，工程师，技师，从事变电运行工作，
论文作者:袁淦钦
论文发表刊物:《电力设备》2019年第20期
论文发表时间:2020/3/3
标签：设备论文; 变电站论文; 局部论文; 电压论文; 电场论文; 故障论文; 金属论文; 《电力设备》2019年第20期论文;