GIS设备

背景、设备研制及难点、核心部件国产化、设备质量现状、后续提升措施

在G1S制造、安装、调试过程中，不可避免地出现导体表面尖刺、自由导电微粒等局部电场集中造成的绝缘缺陷。该类绝缘缺陷在GIS设备运行及遭受过电压情况下可能导致异常放电，影响系统安全稳定运行。 2014年至2018年，国家电网公司投运的组合电器发生了47起绝缘故障，占比85.5%；其中由微粒起的绝缘击穿放电共计39起。 由于金属微粒导致的绝缘故障仍然是GIS设备可靠运行亟待解决的问题。 金属微粒按照出现的位置可分为导体附着微粒、绝缘界面附着微粒和自由导电微粒三类，下面分别论述工频局部放电试验对这三类缺陷的检测有效性。

为助力“双碳”目标，适应SF6气体限制使用需求，提升电网设备环境友好性，需要开展SF6混合气体和环保替代气体设备标准化研究。立足环保气体设备研发与应用现状，梳理了SF6/N2混合气体设备技术标准，从设备材料、运维检修、试验检测、仪器仪表等方面构建标准化框架；并针对环保替代SF6的C4F7N气体设备，构建了包含气体性能检测技术和方法、设备运行维护、试验检测、回收再利用等标准化框架，在此基础上提出了SF6混合气体和环保替代气体设备准体系，6个子分支与原电力行业GIS设备标准体系一致，体现了环保气体设备标准化建设方向。

目前GIS已经成为高压电器的主流开关设备。截至2015年底,国网公司GIS在运量已经超过60000间隔。GIS壳体已经成为GIS设备稳定运行的重要因素。据国网公司统计，2006年至2015年壳体损伤引起的缺陷，包括壳体损伤漏气（如图1)，壳体焊缝开裂（如图2)及壳体爆炸（如图3)等，占GIS缺陷总数的15%，高居第二位。GIS壳体损伤轻则引起SF6气体泄漏导致绝缘性能下降影响GIS设备安全运行，重则危害人体健康造成人身伤亡事故。因此GIS壳体特别是具有更高参数的特高压GIS壳体的安全性显得日益重要。目前GIS壳体安全方面存在以下两大问题:一是设备入网前GIS壳体无损检测技术不完善，GIS壳体质量检测存在盲区。例如:常规超声、射线等检测方法是逐点检测，无法实现GIS壳体整体快速检测而且存在检测盲区;对于GIS壳体的一些复杂结构如角焊缝,不锈钢壳体，常规的检测方法无能为力，使得这些设备的制造质量缺乏有效监督。二是在运行阶段，特高压GIS壳体环境载荷复杂，参考数据缺乏，壳体缺陷定量精度差，也无GIS壳体的安全性评定方法，导致壳体的安全状况无法准确掌握。针对以上问题，本项目成果开发特高压GIS壳体的无损检测及安全性评定的关键技术，为特高压GIS壳体的安全保驾护航。

SF6气体作为一种性能板佳的绝缘（灭弧）介质，被广泛应用于电力系统各美设备中，包括：断路器、电压互感器、电流互感器、GIS成套设备、HGIS设备等。 由于气温变化、密封老化、设备质量、安装不当等原因，设备SF6气体泄露情况频发。为提高供电可靠性，一般采用运行设备不停电的带电补气方式进行缺陷处理，该项作业已成为一项常态化工作。 本成果属于原创性创新产品，在市场上无美似产品。装置彻底解决了SF6充气设备带电补气工作效率低，作业过程排放SF6废气导致环境污染等问题，具有较好的社会效益和经济效益，可在行业内全面推广应用。

水电站出线遭受雷击时将产生严重的雷击侵入过电压，站内GIS（气体绝缘组合电器）隔离开关和断路器操作也将激发VFTO（特快速暂态过电压），严重威胁GIS及变压器设备的绝缘安全。为此，在水电站主变压器高压侧的GIS设备上增设超宽频暂态电压传感器，构建水电站暂态电压在线监测系统，完整记录水电站出线遭受雷击时的站内暂态响应过程。通过对暂态电压时域和频域特征分析发现：水电站出线遭受雷击接地故障时，断路器可能出现断口重燃；基于侵入水电站的雷击暂态电压波形可实现准确的故障单端定位，当线路雷击距离水电站10 km以内时，侵入水电站内部的暂态电压将威胁变压器绝缘。利用超宽频暂态电压监测系统可准确记录水电站内异常暂态事件，通过各测点暂态波形的时域和频域特征对比分析，可定位暂态激励源位置，有助于发现设备异常并及时预警，保障设备运行可靠性和水电稳定外送。 When lightning strikes the outgoing lines of a hydropower station, it induces severe overvoltages. Then, the operation of gas-insulated switchgear(GIS) and circuit breakers within the station also triggers very fast transient overvoltages(VFTO), posing a significant threat to the insulation safety of GIS and transformer equipment. To address this, an ultra-wideband transient voltage sensor is installed on the high-voltage side of the GIS equipment at the main transformer of the hydropower station. This establishes an online monitoring system for transient voltages, capturing the transient response process in the hydropower station during lightning strikes on its outgoing lines.Through the analysis of time domain and frequency domain characteristics of transient voltage, it is observed that when the outgoing lines of the hydropower station experience a lightning-induced ground fault, fracture reignition may occur in the circuit breaker. Based on the waveform of the lightning transient voltage infiltrating the hydropower station, accurate single-end fault location can be achieved. When the lightning strike on line

特高频法对GIS/HGIS进行局部放电检测成为国内外局放检测领域研究的重点和热点，然而如今特高频检测技术遇到了瓶颈，主要是在线监测系统诊断结果的可靠性存在严重的问题，国内许多500kV及以上变电站都安装了特高频局放在线监测系统，运今为止，成功预警的次数很少，经常发出报警信息，虚警和漏警同时存在，严重扰乱了运维的工作秩序、降低了安装在线监测系统的必要性和价值。诊断结果的可靠性低，其本质是在超高压、特高压变电站存在请多的外部电磁干扰，目前特高频检测方法的免疫力还不够，既难以抑制，也难以判别。 光学检测方法由于检测的是发光现象，不受电磁环境干扰的影响，具有优良的抗干扰性能，另外，由于GIS/HGIS是全封闭的结构，在GIS/HGIS内部不存在千扰光源，能进一步提高光学检测结果的有效性，因而，从放电时会伴随发光现象的角度，采用光学方法检测GIS/HGIS内部的放电情况将会具有其它方法无法比拟的优势。 目前基于光电信息的监测系统已成功应用于欧洲、澳洲、亚洲多个变电站的GIS设备，取得了良好的效果，具有广泛应用前景，然而在国内变电站的应用中基本还处于空白。

随着我国电网的快速发展，气体绝缘组合电器（GIS）得到大规模应用，近三年国网公司330kV以上GIS间隔平均增长率达22.5%。GIS设备在运输、储存和安装中可能发生的多种间题原因产生各种绝缘缺陷，仅2017年国网系统中发由于绝缘间题导致的故障跳闸占到84%以上。说明交流耐压试验对发现GIS设备潜在故障的局限性，而冲击耐压试验的必要性也因此而体现，对于及时发现GIS设备所存在的问题进而确保GIS的安全运行有重要的实际意义。现有冲击试验装置由于体积等间题造成试验成本较高，本课题针对现场高效试验开展相关研究。 国网宁夏电力公司电力科学研究院自2015年起，开展了散开自立式GJS现场冲击耐压试验装置及试验方法进行了针对性的研究，并取得了圆满的成功。项目成果已在多个现场得到了应用，丰富了现场检测手段，有效提高了入网GIS设备的可靠性，经济社会效益显著。

随着新型电力系统的建设及电网数字化转型的不断推进，各类感知装置及在线监测的安装应用规模愈来愈大，对于特高压GIS设备早已实现特高频局放在线监测全覆盖，并逐步向550kV GIS推广。但对近十年设备运行情况的统计分析发现，特高频在线监测存在漏报误报比例高、装置性能管控不足等问题，实际应用有效性亟待提升。上海公司分别从装置全环节性能检验方法研究、统一的局放监测与分析平台搭建、装置供应商绩效评价方案制定等方面开展相关工作，已取得了一定成效。

以组合电器为例，针对故障须发的增量GIS设各，启动提高入网GIS设备质以组合电器为例，针对故障频发的增量GIS设各，启动提高入网GIS设备质量管控专项工作，通过制定装备技术导则、修编技术规范、开展设备型号审查，加强交接验收管理，开展技术监督等措施，有效控制了增量GS设备故障的发生，随者入网GS设备质量管控专项工作的逐步落实，大部分制造厂商都积极响应各项工作要求，对产品的结构、材料、工艺和试验方面都进行了相应的改进。新投220 kV GIS设各故障率星现明显的下降趋势，2017年没有发生新投220 kV GIS设备故障，