SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear，即GIS），是指全部或部分采用氣體而不采用大氣壓下的空氣作為絕緣介質(zhì)的金屬封閉開關(guān)設(shè)備。GIS是變電站的重要組成部分，具有占地面積小、元件全部封閉、不受環(huán)境干擾、可靠性高、運(yùn)行方便、檢修周期長、維護(hù)工作量少、安裝迅速、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。

雖然有著諸多優(yōu)點(diǎn)，但因其內(nèi)部場強(qiáng)高，GIS設(shè)備在制造、裝備及運(yùn)行過程中造成的一些細(xì)微的隱患都有可能導(dǎo)致故障發(fā)生，一旦GIS設(shè)備發(fā)生故障，將會(huì)帶來停電面積大，停電時(shí)間長，維修費(fèi)用高等一系列嚴(yán)重后果。

GIS設(shè)備投運(yùn)后，因其獨(dú)特的全密封結(jié)構(gòu)，無法對(duì)其內(nèi)部的缺陷進(jìn)行直觀判斷，極大的提高了故障點(diǎn)、故障類型的定位難度，不利于檢修工作的順利開展。因此GIS發(fā)生故障時(shí)，如何采取有效的檢測(cè)手段和檢測(cè)方法進(jìn)行原因分析、準(zhǔn)確定位、故障處理，對(duì)縮短GIS維修時(shí)間，減小影響面積，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

長期以來，預(yù)防性試驗(yàn)是檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀況的傳統(tǒng)方法，對(duì)設(shè)備的健康狀況起到一定的診斷作用。但是，隨著電氣設(shè)備向高電壓、大容量、智能化、緊湊化方向發(fā)展，預(yù)防性試驗(yàn)的弊端也愈發(fā)明顯，主要體現(xiàn)為：

（1）設(shè)備需停電，預(yù)防性試驗(yàn)一般按照固定周期進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)設(shè)備需停電，而大多數(shù)情況下，設(shè)備狀態(tài)情況良好，因此停電后影響電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性；

（2）預(yù)防性試驗(yàn)通常在較低電壓（小于10kV）下進(jìn)行，難以模擬設(shè)備運(yùn)行電壓下的狀況，因此，試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一定的局限性，不能真實(shí)反映設(shè)備的運(yùn)行狀況；

（3）對(duì)于GIS設(shè)備，由于其內(nèi)部元件都密封在筒體內(nèi)，停電試驗(yàn)時(shí)無法進(jìn)行接線，即無法檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀況。

鑒于此，目前國內(nèi)較多單位開展了帶電檢測(cè)工作，如GIS氣體組份、超聲波、特高頻局放測(cè)試、紅外測(cè)溫、振動(dòng)檢測(cè)等，且具有較高的靈敏度和精確度，能夠及早發(fā)現(xiàn)電氣設(shè)備的異常及缺陷情況，因此，帶電檢測(cè)技術(shù)是開展設(shè)備狀態(tài)檢修的主要手段和趨勢(shì)。

本文結(jié)合一起500kV GIS設(shè)備異響缺陷，分析了可能存在異響的原因，并通過綜合運(yùn)用超聲波檢測(cè)、SF6氣體組分測(cè)試、紅外測(cè)溫以及振動(dòng)測(cè)試等多種帶電檢測(cè)手段，對(duì)可能引起異響的原因進(jìn)行排查分析，最后通過解體檢查得出產(chǎn)生振動(dòng)的原因，從而達(dá)到有效指導(dǎo)解體后的檢修、確保現(xiàn)場快速進(jìn)行故障處理、減少檢修時(shí)間的目的。

1異響發(fā)生過程

山東地區(qū)某500kV變電站內(nèi)運(yùn)行人員在一次全站巡視時(shí)發(fā)現(xiàn)500kV GIS Ⅱ母A相端頭部位筒體有異響現(xiàn)象，出現(xiàn)持續(xù)不斷的“嗡嗡”聲，觸摸時(shí)有振動(dòng)感，具體位置如圖1所示。運(yùn)行人員通過一個(gè)多月的跟蹤觀察，發(fā)現(xiàn)異音略有放大，振動(dòng)感也逐漸增強(qiáng)。

圖1 現(xiàn)場圖片

2異響原因排查及分析

2.1可能造成異響的原因

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)理論以及工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合該變電站GIS設(shè)備的具體情況，技術(shù)人員初步分析總結(jié)了可能造成異響的原因，主要包括以下幾種：

（1）異響處筒體緊固螺栓、支撐緊固螺栓等未完全緊固，存在振動(dòng)現(xiàn)象。

（2）筒體接地線未牢固連接，通過入地電流時(shí)接地線振動(dòng)產(chǎn)生異響。

（3）設(shè)備內(nèi)部存在局部放電。

（4）異響部位內(nèi)部零部件松動(dòng)，振動(dòng)產(chǎn)生異響。

（5）可能存在螺栓未完全緊固的情況，導(dǎo)致導(dǎo)電桿固有頻率變化，接近100Hz，此時(shí)在頻率為100Hz的電動(dòng)力作用下，產(chǎn)生共振現(xiàn)象，通過盆式絕緣子、支柱絕緣子等結(jié)構(gòu)傳遞至筒體，使筒體也產(chǎn)生頻率為100Hz的振動(dòng)，造成異響。

（6）相鄰部位設(shè)備內(nèi)部存在零部件松動(dòng)或振動(dòng)現(xiàn)象，振動(dòng)產(chǎn)生的聲響在氣體腔內(nèi)產(chǎn)生共鳴，在端部達(dá)到最大。

2.2現(xiàn)場檢測(cè)分析

為進(jìn)一步確定異響原因，技術(shù)人員對(duì)異響可能存在的部位利用了力矩校核、帶電測(cè)試、振動(dòng)測(cè)試等方法進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。

2.2.1螺栓力矩校核

技術(shù)人員現(xiàn)場對(duì)異響處筒體的緊固螺栓進(jìn)行了力矩校驗(yàn)，經(jīng)確認(rèn)，相關(guān)螺栓均已按照要求力矩緊固，接地線均可靠連接，故可排除上述可能性中的（1）和（2）項(xiàng)。

2.2.2帶電測(cè)試

GIS內(nèi)部有缺陷通常會(huì)改變其電場強(qiáng)度分布，從而伴隨局部放電現(xiàn)象。局部放電是一種脈沖放電，會(huì)在設(shè)備內(nèi)部和周圍空間產(chǎn)生一系列的光、聲、電氣和機(jī)械振動(dòng)等物理現(xiàn)象和化學(xué)變化，可以為帶電檢測(cè)設(shè)備內(nèi)部絕緣狀態(tài)提供檢測(cè)信號(hào)。

（1）超聲波局放測(cè)量

GIS發(fā)生局部放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生超聲波脈沖傳到外殼引起外殼機(jī)械振動(dòng)，利用便攜式超聲局放測(cè)量儀收集、分析超聲波信號(hào)可以判斷缺陷類型。

在連續(xù)檢測(cè)模式下，對(duì)異響部位及相鄰部位進(jìn)行巡查。巡查時(shí)發(fā)現(xiàn)異響三通筒體處顯示異常，測(cè)量結(jié)果如圖2所示。

圖2 連續(xù)模式測(cè)量結(jié)果

從圖中可以看出，測(cè)試信號(hào)的有效值約為20mV，周期內(nèi)峰值約為110mV，50Hz頻率分量為0.6mV, 100Hz頻率分量為1mV。

相位模式下，測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

圖3相位模式下測(cè)量結(jié)果

從圖3中可以看出，在相位模式下，檢測(cè)圖譜呈多條豎線并在180度左右兩側(cè)均勻分布，信號(hào)有規(guī)律重復(fù)但無頻率相關(guān)性，符合機(jī)械振動(dòng)的特點(diǎn)。

（2）SF6氣體組分測(cè)試

用SF6氣體成分分析儀測(cè)量該處氣室內(nèi)氣體成分，測(cè)量結(jié)果顯示該氣室氣體純度為99.98%，CO、SO2、HF等氣體含量均為0。

研究結(jié)果表明：在GIS設(shè)備中發(fā)生尖端放電、懸浮放電、沿面放電三種類型中均會(huì)產(chǎn)生CO、SO2與HF氣體。通過分析上述分解氣體組分，可以分析判斷該設(shè)備不存在尖端放電、懸浮放電、沿面放電等現(xiàn)象。

（3）紅外測(cè)溫測(cè)試

技術(shù)人員對(duì)振動(dòng)部位的筒體進(jìn)行紅外測(cè)溫，溫度范圍在32~34℃之間，與其余部分進(jìn)行對(duì)比無異常。

綜上所述三種帶電檢測(cè)可以判斷，設(shè)備不存在絕緣件局放、尖端放電、異物等現(xiàn)象，排除上述可能性中的（3）項(xiàng)。

2.2.3筒體振動(dòng)測(cè)試

振動(dòng)分析儀可以通過傳感器測(cè)得設(shè)備各個(gè)不同位置的位移距離，判斷其振幅大小及振動(dòng)頻率，有不受電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)。

為了準(zhǔn)確測(cè)量出設(shè)備不同位置的振動(dòng)情況，找出振源，使用振動(dòng)分析儀對(duì)圖4中的8個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果如表1所示。圖5、圖6分別為振動(dòng)位移最大和最小處波形。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置圖

表1 振動(dòng)測(cè)試結(jié)果

圖5 測(cè)點(diǎn)3（測(cè)量位移最大處）波形圖

圖6 測(cè)點(diǎn)8（測(cè)量位移最小處）波形圖

通過筒體振動(dòng)情況的測(cè)量結(jié)果顯示，II母A相端部（測(cè)點(diǎn)3）處振動(dòng)幅值最大，相鄰母線的振動(dòng)幅值呈遞減趨勢(shì)，隔離開關(guān)動(dòng)端（測(cè)點(diǎn)1）及相鄰母線（測(cè)點(diǎn)8）處振動(dòng)幅值很小；可見異響部位筒體存在振動(dòng)，最大幅值譜對(duì)應(yīng)的頻率分別為300Hz、500Hz、600Hz、1700Hz，不存在100Hz的頻率，同時(shí)振動(dòng)幅值很?。ㄗ畲?5.7μm），可以排除共振現(xiàn)象，即導(dǎo)電桿不存在100Hz附近的固有頻率。

設(shè)備Ⅱ母A相端頭處存在異常聲響，本站共有六處相同結(jié)構(gòu)，其余五處均無聲響，因此導(dǎo)電桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的，從而排除上述可能性中的（5）和（6）項(xiàng)。

2.3故障原因分析

通過上述檢測(cè)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)：在可能造成異響的原因中，只有第（4）項(xiàng)符合條件，因此可以確定造成缺陷的原因是內(nèi)部零部件存在松動(dòng)，并由振動(dòng)產(chǎn)生異響。為進(jìn)一步提高對(duì)異響部位的定位精度，對(duì)檢測(cè)到有異響信號(hào)的部位進(jìn)行剖面分析，如圖7所示。

圖7 異響部位內(nèi)部結(jié)構(gòu)

通過圖中可以看出，引起振動(dòng)的部位可能有螺紋質(zhì)量不過關(guān)，螺栓未起到應(yīng)有的緊固作用，造成松動(dòng)的屏蔽罩及螺栓在操作、電動(dòng)力沖擊下發(fā)生振動(dòng)導(dǎo)致變形損壞。

2.4解體檢查

根據(jù)上述故障原因排查，以及定位判斷，相關(guān)單位對(duì)設(shè)備展開解體檢修。

2.4.1檢查部位

解體檢查#2母A 相端頭上下端屏蔽罩，檢查部位如圖8、圖9所示。

圖8 檢查部位

圖9 屏蔽罩處結(jié)構(gòu)圖

2.4.2發(fā)現(xiàn)問題

解體后檢查發(fā)現(xiàn)，在下端屏蔽過渡塊上的M16 鋼絲螺套尾端絲扣損壞，螺栓拆掉后端部螺紋損壞，拆出屏蔽和過渡塊后，在外部恢復(fù)此處螺栓裝配發(fā)現(xiàn)螺栓端頭被鋼絲螺套頂住，螺栓無法進(jìn)行有效的緊固，如圖10、圖11所示。

若不及時(shí)處理將造成懸浮電位而引發(fā)火花放電，屏蔽罩及螺栓變位甚至脫落，改變GIS內(nèi)部場強(qiáng)分部，致使GIS絕緣強(qiáng)度降低，引發(fā)絕緣擊穿等嚴(yán)重事故。其他部位在檢查時(shí)未發(fā)現(xiàn)異常，與故障分析得到的結(jié)論相符。

圖10 屏蔽罩螺紋

圖11 屏蔽罩螺栓

3 缺陷處理和反事故措施

3.1處理措施

設(shè)備解體后，技術(shù)人員更換了屏蔽罩和平、彈墊圈，重新按力矩要求對(duì)螺栓緊固，恢復(fù)裝配，并逐一檢查了解體筒體內(nèi)螺栓緊固部位的力矩情況，確保所有連接部位可靠緊固，螺栓無類似缺陷。

3.2反事故措施

制造單位應(yīng)提高設(shè)備的生產(chǎn)工藝、制造技術(shù)，嚴(yán)格執(zhí)行出廠試驗(yàn)規(guī)程要求，從根源上杜絕安全隱患。

安裝單位應(yīng)嚴(yán)格把關(guān)安裝零部件質(zhì)量，控制裝配過程中的水分、雜質(zhì)及灰塵，提高安裝工藝和安裝技術(shù)水平，完成安裝后還要進(jìn)行相關(guān)的檢查與試驗(yàn)。

對(duì)設(shè)備運(yùn)維單位而言，由于大部分絕緣故障是由缺陷逐漸積累發(fā)展而來，從帶缺陷運(yùn)行到最終絕緣擊穿導(dǎo)致故障有一個(gè)較長的發(fā)展過程，所以運(yùn)行中應(yīng)加強(qiáng)巡視，定期檢測(cè)，利用帶電檢測(cè)技術(shù)和在線監(jiān)測(cè)裝置對(duì)GIS運(yùn)行情況嚴(yán)格把關(guān)，盡早發(fā)現(xiàn)缺陷，防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大。同時(shí)，科研單位應(yīng)不斷倡導(dǎo)GIS故障檢測(cè)的新技術(shù)和新方法，提高對(duì)設(shè)備故障的診斷精度和定位精度，提升GIS故障排查效率，縮短故障檢測(cè)和排除的時(shí)間。

4 結(jié)語

本文提出了一起500kV GIS設(shè)備異響現(xiàn)象及其分析處理的實(shí)例。通過運(yùn)行中的日常巡視及時(shí)發(fā)現(xiàn)了設(shè)備的異響現(xiàn)象，通過利用力矩校驗(yàn)、超聲波局放檢測(cè)、紅外測(cè)溫以及振動(dòng)測(cè)試等帶電檢測(cè)手段進(jìn)行分析排查，排除了設(shè)計(jì)缺陷、施工工藝以及內(nèi)部放電等可能引起異響的原因，確定了GIS內(nèi)部零部件松動(dòng)是引起異響的主要原因，并對(duì)異響部位進(jìn)行了精確定位，現(xiàn)場解體后驗(yàn)證了結(jié)論的正確性，從而有效指導(dǎo)了設(shè)備解體后的檢修，縮短了檢修時(shí)間，避免了缺陷的進(jìn)一步發(fā)展，并進(jìn)一步積累了GIS設(shè)備帶電檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)。

本文編自《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“一起500kV GIS異響缺陷的檢測(cè)分析與處理”，作者為吳迪、陳仁剛 等。