摘 要

气体绝缘变电站的应用十分广泛，且近年来仍有不断增长的趋势。尽管GIS运行可靠性高，维护量相对较少，但随着运行时间的增长，GIS设备故障也时有发生，故障会影响电力系统的安全稳定运行，同时由于GIS的全封闭结构，检修所需时间较长，难度较大，因此对GIS潜伏性绝缘故障的早期征兆进行辨识具有重要的现实意义。本文对GIS潜伏性绝缘故障进行仿真与辨识研究，主要研究内容如下：

（1）分析GIS潜伏性绝缘故障辨识的研究现状，介绍几种GIS典型潜伏性绝缘故障类型，并阐述其产生机理及危害。

（2）根据不同类型潜伏性绝缘故障的特点，运用ANSYS Maxwell对GIS母线和绝缘子的五种典型潜伏性绝缘故障缺陷进行仿真，观察绝缘缺陷类型、绝缘缺陷尺寸大小、绝缘缺陷所处不同位置对其电场分布的影响规律。

（3）结合当前潜伏性绝缘故障辨识的研究现状，根据电场分布特征建立潜伏性绝缘故障类型与SF₆气体分解组分含量变化之间的关联，以此来阐述通过SF₆气体组分分析进行GIS潜伏性绝缘故障辨识的方法。

本文研究的主要结论如下：

（1）在五种潜伏性绝缘故障中，金属突出物、高压导体表面金属微粒和悬浮电位对电场分布的影响较大，而绝缘子气隙和绝缘子表面污秽最大电场强度相较于不存在绝缘故障时只是略有增大，在短时间内对绝缘性能没有太大影响。

（2）SF₆分解组分含量变化与不同类型潜伏性绝缘故障的特点存在一定的联系。金属突出物局部放电能量高、放电稳定，故SF₆分解产物总量大且增长趋势稳定；自由金属微粒放电非常不稳定，故SF₆分解产物的增长速率时快时慢；绝缘子表面污秽放电涉及固体绝缘材料，所以产物CF₄几乎呈线性增长；绝缘子外气隙放电能量低，所以SF₆分解产物总量很少。

关键词：气体绝缘变电站；绝缘故障；电场分布；分解组分分析；故障辨识

Abstract

Gas insulated substation is widely used and increases significantly in recent years. Despite the higher reliability and little maintenance of GIS, with the extension of operating time, the failure presents occasionally.Failure will affects the safe and stable operation of power system.At the same time because the GIS is fully closed structure, maintenance is difficult and needs a long time. Research on identifying the early signs of latent insulation fault has important practical significance.Research on simulation and identification of latent insulation fault is reviewed in this paper.The main research contents are as follows:

Firstly,in this paper, the research status of GIS latent insulation fault identification is reviewed and several typical types of GIS latent insulation fault are introduced.What’s more, the mechanism and harm of latent insulation fault are discussed.

Then,according to the characteristics of different types of latent insulation faults, ANSYS Maxwell was used to simulate five typical latent insulation defects of bus and insulator in GIS.Five kinds of defect models are established to explore the effects of the type of insulation defect, the size of insulation defect and the location of insulation defect on the electric field distribution.

Finally,combined with the current research status of latent insulation fault identification, the correlation between the type of latent insulation fault and the content change of SF₆ gas decomposition component was established according to the characteristics of electric field distribution, so as to elaborate the GIS latent insulation fault identification through SF₆ gas component analysis.

The main conclusions of this paper are as follows:

First,in the five kinds of latent insulation fault, metallic protrusions, free metallic particles and floating potential have great influence on the electric field distribution.The maximum electric field strength of gas-gap defect and contamination defect increased slightly compared with that when there is no insulation fault and in a short time there is no much affect on the insulation performance.

Second,there is a certain relationship between the content change of SF₆ decomposition components and the characteristics of different types of latent insulation faults. Metallic protrusions PD has high energy and stable discharge, so the total amount of SF₆ decomposition products is the largest and the growth trend is stable. The discharge of free metallic particles is very unstable, so the growth rate of SF₆ decomposition products is sometimes fast and sometimes slow. Due to the contamination defect PD involveing solid insulation material, the product CF₄ shows almost linear growth. Gas-gap PD has low discharge energy, so the total amount of SF₆ decomposition products is very small.

Key Words：gas insulated substation；insulation fault；electric field distribution；decomposed components analysis；Fault identification

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 GIS潜伏性绝缘故障辨识的研究意义 1

1.2 GIS潜伏性绝缘故障辨识的研究现状 2

1.3 本文主要研究内容 4

第2章 GIS典型潜伏性绝缘故障产生机理及类型 5

2.1 潜伏性绝缘故障产生机理及危害 5

2.2 GIS典型潜伏性绝缘故障类型 6

2.3 本章小结 7

第3章 典型潜伏性绝缘放电故障仿真 8

3.1 三维静电场有限分析原理及步骤 8

3.2 金属尖端 10

3.2.1 金属尖端位于导体外表面 10

3.2.2 金属尖端位于外壳内表面 12

3.3 金属微粒 14

3.3.1 金属微粒位于导体外表面 15

3.3.2 金属微粒位于外壳内表面 17

3.4 绝缘子缺陷 19

3.4.1 绝缘子内部气泡缺陷 19

3.4.2 绝缘子外气隙缺陷 23

3.4.3 绝缘子表面污秽 24

3.5 悬浮电位 27

3.6 本章小结 29

第4章 SF₆分解组分分析辨识典型潜伏性绝缘放电故障 30

4.1 SF₆局部放电分解机理 30

4.2 特征组分的选取 31

4.3 典型绝缘故障局部放电下SF₆的分解特性 31

4.4 绝缘故障类型与特征组分之间的联系 32

4.5 以分解组分比值作为特征参量进行故障辨识 33

4.6 本章小结 35

第5章 结论与展望 36

5.1 主要结论 36

5.2 后续研究工作展望 36

参考文献 38

致谢 40

第1章 绪论

• 1. GIS潜伏性绝缘故障辨识的研究意义

气体绝缘变电站（Gas Insulated Substation，简称GIS）将母线、断路器、隔离开关、互感器等元件组合封闭在气室中，采用绝缘性能良好的SF₆气体充当绝缘介质。与敞开式的空气绝缘变电站相比，GIS运行可靠性高、结构紧凑、便于安装、维护周期长，如图1.1所示。近年来GIS广泛应用于高压和特高压领域，国家电网公司的统计结果表明，截至2015年底，63-1000kV 气体绝缘组合电器在运量已经超过60000间隔，年平均增长率大于13%^[1]。

图1.1 敞开式变电站和气体绝缘变电站

虽然GIS设备的可靠性非常高，具备少维护甚至免维护的优点，但GIS内部仍然存在一些潜伏性绝缘缺陷，这些绝缘缺陷在初始阶段可能是无害的，对绝缘状态没有太大影响，在常规的出厂试验或交接试验中也不容易被发现，然而随着运行时间的增长，会逐渐降低设备的绝缘性能，进而诱发绝缘故障，故障严重时可能会出现电网大范围停电。近年来GIS故障在各类设备故障中所占比例不断增加，已经成为影响电力系统安全稳定运行的重要因素。国际大电网委员会（CIGRE）的统计结果表明，绝缘故障在GIS故障中所占比例过半，且大部分的绝缘故障都发生在电压等级较高的GIS设备中^[2]，以252kV和126kV电压等级的GIS设备最为普遍^[3]。GIS设备中常见缺陷类型统计如图1.2所示^[4]。

当GIS内部存在一些微小的潜伏性绝缘缺陷时，往往会伴随着局部放电（Partial Discharge，简称PD）和局部过热（Partial Over-thermal，简称POT ）现象的产生，局部放电会使GIS发生电场畸变，局部过热会损伤绝缘材料，两者都会促进绝缘劣化，如果不加干预任其自由发展，最终都会造成严重的绝缘故障。同时，由于GIS设备是封闭式的，且集成度高、内部结构复杂，因此获取GIS内部的绝缘状态信息非常困难，发生故障时所需的检修时间也较长，电网停电的影响范围更广泛，带来的人力经济损失更大。如果可以根据潜伏性绝缘故障的早期征兆，例如局部放电和局部过热的相关特征，对绝缘故障进行类型识别和状态评估，尽早安排相关的检修计划，可以在很大程度上阻止潜伏性绝缘故障的扩大化、严重化，有效提高GIS设备运行的可靠性和经济性，同时能够完善电网的分配管理体制。

图1.2 GIS设备中常见缺陷类型统计

GIS潜伏性绝缘故障辨识的研究现状

当GIS存在潜伏性绝缘缺陷时，电场会发生畸变，局部场强超过SF₆气体绝缘强度时会出现放电现象。局部放电时GIS外壳上会出现电磁波，接地线上会出现高频脉冲电流，SF₆气体受到的压力骤增，产生超声波^[5]。同时，原子外层电子受到高能电子激励发生跃迁会辐射出光子，高能粒子促使SF₆气体的分子键发生断裂^[4]，生成的低氟化物在微水微氧情况下发生一系列物理化学反应。针对局部放电的不同表现形式，相应的辨识方法主要有特高频法、脉冲电流法、超声波法、光检测法和SF₆分解产物分析法。GIS中触头镀银层脱落、闭合不到位等接触不良的情况会引起局部温度升高，目前应对局部过热故障的辨识方法主要有红外检测法和SF₆分解组分分析法。

1. 光检测法

GIS中SF₆分子局部电离，以及正、负离子复合都会产生光子释放能量。不同分子会激发不同频率的光谱成分，利用安装在GIS内部的传感器将光信号转化为电信号来识别不同类型的绝缘缺陷放电^[6]。目前，光检测法主要通过光学-超声波、紫外光、荧光和光纤电流传感器等来进行局部放电检测^[7]，光检测法中的红外检测法一般用于对电弧放电、火花放电、局部过热等引起的温度变化进行检测。

利用光检测法对电气设备进行局放检测开始于20世纪70年代，1996年M.Kaufhold等人对光检测法和脉冲电流法的局放检测结果进行对比，发现光检测法不受电磁干扰的影响，灵敏度较高，通过多个光电传感器可以大致定位局放源^[8]。

1. 脉冲电流法

脉冲电流法是局部放电检测中唯一具有国际标准（IEC60270）的^[9]。当GIS发生局部放电时，脉冲电流流过耦合电容，将检测阻抗两端电压放大滤波后进行测量，可以得到局部放电视在放电量的大小。根据脉冲电流法得到的放电量、放电重复率、放电起始和熄灭电压、放电所在相位区间等信息可以识别典型潜伏性绝缘故障的放电特征^[10]。脉冲电流法的测试回路可以划分为直测法和平衡法，直测法容易受到电磁干扰，平衡法能有效抑制共模干扰但灵敏度低于直测法。对于现场运行的GIS，不易提取其局部放电信号，需要采取一些屏蔽措施来减少干扰，因此，该方法通常用于实验室测量。

1. 特高频法

特高频法（UHF）是通过检测300MHz-3000MHz的电磁波来检测局部放电情况及绝缘状态的。将特高频法作为局放检测方法始于20世纪80年代，由英国中央电力局提出，随后英国的Scottish Power等人开发了基于特高频法的局放监测系统，将其用于英国Torness变电站的420kV GIS设备上^[11]，M.D.Judd等人用并矢格林函数解释了GIS内PD电流脉冲对电磁波的激励特性，并对实验与理论计算进行比较^[12]。华北电力大学的李成榕等人应用特高频局放测量系统对GIS内金属微粒、金属尖刺、悬浮电位这三种绝缘缺陷进行检测，建立了基于时域检波波形的PD模式识别库^[13]。

GIS的腔体结构相当于一个良好的同轴波导^[5]，仅盆式绝缘子处可以接收到电磁波。UHF传感器可以划分为外置式和内置式，内置式传感器是在GIS投运前就安装在GIS内部的，而外置式传感器则一般在检测时安装在盆式绝缘子或者金属法兰处。特高频法抗干扰性好、灵敏度高、可进行放电源定位，在在线监测方面得到了广泛使用，与脉冲电流法类似，根据特高频法采集到的数据形成局放图谱可直接进行典型潜伏性绝缘缺陷的识别和判断，对于特高频的局放源数学模型、小波变换进行降噪处理以及局部放电模式识别等的相关研究已经相对成熟，但目前的技术暂且无法实现对视在放电量的标定，不能进行定量分析。

（4）超声波法

当GIS内发生局部放电时，分子间剧烈碰撞会产生超声波脉冲，从放电源向四周的介质扩散，局放信号由安装在GIS外壳的超声波传感器来接收。L.E.Lundgaard等人对超声波的传播特性、GIS局放类型识别、应用超声波进行故障定位等内容进行了研究，Hucher和Kranz将超声波检测到的局放波形由时域转至频域来进行频谱识别^[14]。

超声波信号放大后进行频谱分析可以判断几种典型绝缘缺陷类型。同时，应用多个传感器可以对放电源进行定位。因为传感器与GIS无电气连接，所以不受电磁波干扰^[15]。然而，超声波信号在GIS内传播衰减严重，超声波检测的灵敏度受信号传播路径的影响较显著，因此超声波法一般作为局放辅助检测手段用于周期性的运行检查。

（5）SF₆分解产物分析法

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