描述
开 本: 16开包 装: 平装是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787030475480
编辑推荐
组合电器,局部放电,特高频,检测,组合电器,局部放电,特高频,故障诊断
内容简介
《组合电器设备局部放电特高频检测与故障诊断》就*能反映设备内绝缘故障特征与程度的特高频局部放电信号传播、传感、噪声去除、特征提取、故障识别、定位和放电量标定等关键科学技术难题进行深入分析与探讨。第1章综述GIS设备PD监测方法和意义，第2章分析GIS设备内部UHF电磁波传播特性，第3章分析GIS设备内绝缘缺陷的UHFPD信号波形特征，第4章介绍用于检测GIS设备UHFPD的各种内外置传感器，第5章建立UHFPD信号数学模型，第6章分析GIS设备监测现场的噪声特点及去噪效果评价体系，第7章采用小波去除噪声，第8章利用复小波变换抑制白噪声干扰，第9章利用谐波复小波抑制周期性窄带干扰，第10章介绍PD模式识别方法，第11章介绍PD信息融合技术，第12章介绍GIS设备PD定位技术，第13章探讨PD放电量标定原理及方法，第14章介绍GIS设备UHFPD监测装置，第15章结合现场应用进行实例分析。
目 录
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 气体绝缘组合电器结构及应用 1
1.1.1 气体绝缘组合电器总体结构 1
1.1.2 气体绝缘组合电器应用与发展 4
1.2 局部放电危害、产生及放电过程 6
1.2.1 局部放电对组合电器绝缘的危害 6
1.2.2 局部放电产生与发展过程 7
1.3 局部放电检测方法与评价 9
1.3.1 非电检测法 9
1.3.2 电检测法 11
1.4 特高频局部放电检测特点 12
参考文献 15
第2章 组合电器内特高频电磁波传播特性 16
2.1 特高频电磁波传播基本原理 16
2.2 组合电器内特高频电磁波的传播特性 17
2.2.1 横电磁波的传播特性 17
2.2.2 横电波和横磁波的传播特性 18
2.2.3 传播截止现象分析与截止波长确定 19
2.3 特高频局部放电电磁波泄漏 20
2.4 陡脉冲电流激发特高频局部放电信号 22
2.4.1 并矢格林函数法用于局部放电瞬变电场的计算 22
2.4.2 特高频局部放电瞬变电场的简便计算 24
2.5 电磁场仿真组合电器内特高频局部放电信号 26
2.5.1 局部放电脉冲电流源模拟 26
2.5.2 电磁场仿真局部放电信号源 26
参考文献 33
第3章 组合电器特高频局部放电信号特征分析 35
3.1 组合电器缺陷物理模型和采集系统 35
3.1.1 组合电器试验装置 35
3.1.2 组合电器内部绝缘缺陷物理模型 40
3.1.3 特高频传感器 42
3.2 特高频局部放电试验步骤 42
3.3 典型绝缘缺陷局部放电试验及特征分析 44
3.3.1 金属突出物缺陷 44
3.3.2 自由金属微粒缺陷 46
3.3.3 绝缘子表面金属污染物缺陷 47
3.3.4 气隙缺陷 49
3.3.5 四种缺陷放电特征的区别 50
参考文献 50
第4章 特高频传感器 52
4.1 特高频传感器的基本参数 52
4.1.1 方向特性 52
4.1.2 天线效率 54
4.1.3 增益 54
4.1.4 驻波比 54
4.1.5 输入阻抗 55
4.1.6 极化方式 55
4.1.7 频率带宽 56
4.2 特高频传感器的分类 57
4.2.1 内置传感器检测局部放电原理 57
4.2.2 外置传感器检测局部放电原理 58
4.3 内置传感器 59
4.3.1 内置传感器天线模型分析 59
4.3.2 内置传感器设计与安装 60
4.3.3 圆板传感器 62
4.3.4 圆环传感器 63
4.3.5 内置传感器检测组合电器局部放电实测 64
4.4 外置传感器 67
4.4.1 振子传感器 67
4.4.2 屏蔽谐振环传感器 78
4.4.3 微带传感器 86
4.4.4 螺旋传感器 92
4.4.5 TEM喇叭传感器 102
4.4.6 分形传感器 109
4.4.7 微带单极子传感器 115
参考文献 121
第5章 特高频局部放电信号数学模型 125
5.1 传统局部放电信号数学模型 126
5.2 特高频局部放电信号数学模型 126
5.2.1 数学建模方法 126
5.2.2 数学模型构建 129
5.2.3 数学模型检验与分析 132
5.3 时频域等效源信号测试法 139
5.3.1 特高频局部放电等效源信号测试 140
5.3.2 典型绝缘缺陷局部放电试验结果分析 143
5.4 源电流信号数学模型 150
5.4.1 源电流信号数学模型构建 150
5.4.2 源电流信号数学模型检验与分析 155
参考文献 160
第6章 电磁干扰与去噪效果评价 162
6.1 局部放电监测中常见电磁干扰 162
6.1.1 白噪声干扰 162
6.1.2 周期性窄带干扰 163
6.1.3 随机脉冲型干扰 165
6.2 常用噪声抑制方法 165
6.2.1 白噪声干扰抑制 165
6.2.2 窄带干扰抑制 167
6.2.3 脉冲型干扰抑制 169
6.3 去噪效果评价参数 170
6.3.1 SNR、NCC及NRR定义 170
6.3.2 VTP的定义 171
6.3.3 VTP参数验证与评价方法 172
参考文献 176
第7章 小波变换抑制强电磁干扰 179
7.1 小波变换技术 179
7.1.1 小波构造 179
7.1.2 小波包构造 183
7.2 阈值算法 186
7.2.1 阈值分类及阈值选择规则 187
7.2.2 噪声信号的小波分解特性及降噪步骤 188
7.2.3 小波包降噪浮动阈值法 190
7.3 小波(包)变换抑制干扰原理 191
7.3.1 抑制白噪声干扰原理 191
7.3.2 抑制窄带干扰原理 192
7.4 小波(包)变换抑制白噪干扰技术 194
7.4.1 小波变换抑制白噪干扰 194
7.4.2 小波包变换抑制白噪干扰 197
7.5 小波(包)变换抑制周期窄带干扰技术 199
7.5.1 基于小波功率谱特性的窄带干扰抑制 199
7.5.2 小波包变换抑制周期窄带干扰 206
7.6 实测局部放电信号干扰抑制 208
7.6.1 实测局部放电白噪干扰抑制 208
7.6.2 实测局部放电窄带干扰抑制 209
参考文献 211
第8章 复小波变换抑制白噪声干扰 212
8.1 复小波变换理论基础 212
8.1.1 复小波变换特点 212
8.1.2 正交复小波构造 213
8.2 复母小波选择 219
8.2.1 局部放电信号源数学模型 219
8.2.2 复母小波选择 220
8.2.3 复小波变换抑制白噪声 222
8.3 复小波变换的复合信息 224
8.3.1 复合信息构造方法 224
8.3.2 复合信息抑制白噪声 225
8.4 用于复小波变换的复阈值算法 231
8.4.1 构造复阈值的方法 232
8.4.2 抑制白噪声的仿真研究 233
8.5 实测局部放电信号的白噪声抑制 238
8.5.1 局部放电信号的实小波去噪 240
8.5.2 局部放电信号的复小波去噪 242
参考文献 244
第9章 谐波复小波抑制周期性窄带干扰 246
9.1 谐波小波变换 247
9.1.1 谐波小波概念 247
9.1.2 谐波小波变换 249
9.2 谐波小波包变换 252
9.2.1 广义谐波小波 252
9.2.2 谐波小波包变换 254
9.3 谐波小波包与实小波包去噪对比 255
9.4 仿真局部放电信号去噪效果及评价 258
9.4.1 **谐波小波包变换算法 258
9.4.2 子带熵比值阈值 259
9.4.3 去噪效果及评价 259
9.5 实测特高频局部放电信号去噪 262
参考文献 265
第10章 特高频局部放电模式识别 266
10.1 局部放电模式 266
10.1.1 脉冲序列相位分布分析模式 267
10.1.2 局部放电相位分布模式 267
10.1.3 Δu模式 268
10.1.4 局部放电时间分布模式 268
10.2 局部放电特征参数提取 270
10.2.1 统计特征参数 270
10.2.2 威布尔参数 272
10.2.3 图像矩特征参数 273
10.2.4 分形特征参数 274
10.2.5 波形特征参数 277
10.2.6 小波特征参数 277
10.3 局部放电模式识别分类器 279
10.3.1 基于距离的模式分类器 279
10.3.2 线性及非线性分类器 281
10.3.3 人工神经网络分类器 291
10.3.4 支持向量分类器 303
参考文献 315
第11章 基于DS证据理论的故障诊断 319
11.1 DS证据理论的基本原理 320
11.1.1 基本概念 320
11.1.2 结合多源信息的Dempster准则 322
11.1.3 基本概率赋值的获取 323
11.1.4 DS证据理论的优缺点 325
11.1.5 DS证据理论的应用 325
11.2 用DS证据理论辨识局部放电模式 326
11.2.1 TRPD和PRPD信号的模式识别 326
11.2.2 基于特高频与IEC60270检测信息相关性的模式识别 329
11.3 基于DS证据理论的多信息融合故障诊断 332
11.4 局部放电诊断实例分析 334
11.4.1 缺陷测试 334
11.4.2 样本测试 337
参考文献 337
第12章 特高频局部放电源定位 340
12.1 特高频局部放电源定位测量系统 340
12.1.1 检测装置结构图 340
12.1.2 局部放电源定位原理 341
12.2 组合电器特高频局部放电源定位常用方法 342
12.2.1 信号幅值比较法 342
12.2.2 信号先后比较法 343
12.2.3 时间差计算法 343
12.2.4 特高频时间差法定位存在的问题 344
12.3 提取时间差的各种常用算法 345
12.3.1 互相关函数法 345
12.3.2 累积能量曲线法 346
12.3.3 功率曲线法 347
12.3.4 广义相位谱法 348
12.3.5 参量模型法 349
12.4 基于多样本能量相关搜索提取时间差改进算法 350
12.4.1 多样本“相关G移位G叠加” 350
12.4.2 能量相关搜索时间差 351
12.4.3 试验数据分析 353
12.5 用逐次逼近理论定位局部放电源 355
12.5.1 局部放电源定位的数学模型 356
12.5.2 逐次逼近定位原理 357
12.5.3 基于多样本的逐次逼近定位算法步骤 359
12.5.4 实测局部放电信号定位试验分析 361
参考文献 365
第13章 特高频局部放电定量检测 368
13.1 低频脉冲电流定量法 368
13.1.1 脉冲电流定量法原理 368
13.1.2 低频脉冲电流法的基本测量回路 369
13.1.3 检测阻抗 370
13.1.4 放电量校准 370
13.2 特高频局部放电定量检测 371
13.2.1 特高频局部放电量标定方法 371
13.2.2 特高频局部放电信号参量与放电量的关系 375
13.2.3 不同气压下特高频局部放电信号与放电量的关系 389
13.3 特高频局部放电量现场标定技术 394
参考文献 396
第14章 组合电器设备特高频局部放电监测系统 397
14.1 信号滤波器 397
14.1.1 滤波器分类 397
14.1.2 理想滤波器与实际滤
前言
第1章 绪论 1
1.1 气体绝缘组合电器结构及应用 1
1.1.1 气体绝缘组合电器总体结构 1
1.1.2 气体绝缘组合电器应用与发展 4
1.2 局部放电危害、产生及放电过程 6
1.2.1 局部放电对组合电器绝缘的危害 6
1.2.2 局部放电产生与发展过程 7
1.3 局部放电检测方法与评价 9
1.3.1 非电检测法 9
1.3.2 电检测法 11
1.4 特高频局部放电检测特点 12
参考文献 15
第2章 组合电器内特高频电磁波传播特性 16
2.1 特高频电磁波传播基本原理 16
2.2 组合电器内特高频电磁波的传播特性 17
2.2.1 横电磁波的传播特性 17
2.2.2 横电波和横磁波的传播特性 18
2.2.3 传播截止现象分析与截止波长确定 19
2.3 特高频局部放电电磁波泄漏 20
2.4 陡脉冲电流激发特高频局部放电信号 22
2.4.1 并矢格林函数法用于局部放电瞬变电场的计算 22
2.4.2 特高频局部放电瞬变电场的简便计算 24
2.5 电磁场仿真组合电器内特高频局部放电信号 26
2.5.1 局部放电脉冲电流源模拟 26
2.5.2 电磁场仿真局部放电信号源 26
参考文献 33
第3章 组合电器特高频局部放电信号特征分析 35
3.1 组合电器缺陷物理模型和采集系统 35
3.1.1 组合电器试验装置 35
3.1.2 组合电器内部绝缘缺陷物理模型 40
3.1.3 特高频传感器 42
3.2 特高频局部放电试验步骤 42
3.3 典型绝缘缺陷局部放电试验及特征分析 44
3.3.1 金属突出物缺陷 44
3.3.2 自由金属微粒缺陷 46
3.3.3 绝缘子表面金属污染物缺陷 47
3.3.4 气隙缺陷 49
3.3.5 四种缺陷放电特征的区别 50
参考文献 50
第4章 特高频传感器 52
4.1 特高频传感器的基本参数 52
4.1.1 方向特性 52
4.1.2 天线效率 54
4.1.3 增益 54
4.1.4 驻波比 54
4.1.5 输入阻抗 55
4.1.6 极化方式 55
4.1.7 频率带宽 56
4.2 特高频传感器的分类 57
4.2.1 内置传感器检测局部放电原理 57
4.2.2 外置传感器检测局部放电原理 58
4.3 内置传感器 59
4.3.1 内置传感器天线模型分析 59
4.3.2 内置传感器设计与安装 60
4.3.3 圆板传感器 62
4.3.4 圆环传感器 63
4.3.5 内置传感器检测组合电器局部放电实测 64
4.4 外置传感器 67
4.4.1 振子传感器 67
4.4.2 屏蔽谐振环传感器 78
4.4.3 微带传感器 86
4.4.4 螺旋传感器 92
4.4.5 TEM喇叭传感器 102
4.4.6 分形传感器 109
4.4.7 微带单极子传感器 115
参考文献 121
第5章 特高频局部放电信号数学模型 125
5.1 传统局部放电信号数学模型 126
5.2 特高频局部放电信号数学模型 126
5.2.1 数学建模方法 126
5.2.2 数学模型构建 129
5.2.3 数学模型检验与分析 132
5.3 时频域等效源信号测试法 139
5.3.1 特高频局部放电等效源信号测试 140
5.3.2 典型绝缘缺陷局部放电试验结果分析 143
5.4 源电流信号数学模型 150
5.4.1 源电流信号数学模型构建 150
5.4.2 源电流信号数学模型检验与分析 155
参考文献 160
第6章 电磁干扰与去噪效果评价 162
6.1 局部放电监测中常见电磁干扰 162
6.1.1 白噪声干扰 162
6.1.2 周期性窄带干扰 163
6.1.3 随机脉冲型干扰 165
6.2 常用噪声抑制方法 165
6.2.1 白噪声干扰抑制 165
6.2.2 窄带干扰抑制 167
6.2.3 脉冲型干扰抑制 169
6.3 去噪效果评价参数 170
6.3.1 SNR、NCC及NRR定义 170
6.3.2 VTP的定义 171
6.3.3 VTP参数验证与评价方法 172
参考文献 176
第7章 小波变换抑制强电磁干扰 179
7.1 小波变换技术 179
7.1.1 小波构造 179
7.1.2 小波包构造 183
7.2 阈值算法 186
7.2.1 阈值分类及阈值选择规则 187
7.2.2 噪声信号的小波分解特性及降噪步骤 188
7.2.3 小波包降噪浮动阈值法 190
7.3 小波(包)变换抑制干扰原理 191
7.3.1 抑制白噪声干扰原理 191
7.3.2 抑制窄带干扰原理 192
7.4 小波(包)变换抑制白噪干扰技术 194
7.4.1 小波变换抑制白噪干扰 194
7.4.2 小波包变换抑制白噪干扰 197
7.5 小波(包)变换抑制周期窄带干扰技术 199
7.5.1 基于小波功率谱特性的窄带干扰抑制 199
7.5.2 小波包变换抑制周期窄带干扰 206
7.6 实测局部放电信号干扰抑制 208
7.6.1 实测局部放电白噪干扰抑制 208
7.6.2 实测局部放电窄带干扰抑制 209
参考文献 211
第8章 复小波变换抑制白噪声干扰 212
8.1 复小波变换理论基础 212
8.1.1 复小波变换特点 212
8.1.2 正交复小波构造 213
8.2 复母小波选择 219
8.2.1 局部放电信号源数学模型 219
8.2.2 复母小波选择 220
8.2.3 复小波变换抑制白噪声 222
8.3 复小波变换的复合信息 224
8.3.1 复合信息构造方法 224
8.3.2 复合信息抑制白噪声 225
8.4 用于复小波变换的复阈值算法 231
8.4.1 构造复阈值的方法 232
8.4.2 抑制白噪声的仿真研究 233
8.5 实测局部放电信号的白噪声抑制 238
8.5.1 局部放电信号的实小波去噪 240
8.5.2 局部放电信号的复小波去噪 242
参考文献 244
第9章 谐波复小波抑制周期性窄带干扰 246
9.1 谐波小波变换 247
9.1.1 谐波小波概念 247
9.1.2 谐波小波变换 249
9.2 谐波小波包变换 252
9.2.1 广义谐波小波 252
9.2.2 谐波小波包变换 254
9.3 谐波小波包与实小波包去噪对比 255
9.4 仿真局部放电信号去噪效果及评价 258
9.4.1 **谐波小波包变换算法 258
9.4.2 子带熵比值阈值 259
9.4.3 去噪效果及评价 259
9.5 实测特高频局部放电信号去噪 262
参考文献 265
第10章 特高频局部放电模式识别 266
10.1 局部放电模式 266
10.1.1 脉冲序列相位分布分析模式 267
10.1.2 局部放电相位分布模式 267
10.1.3 Δu模式 268
10.1.4 局部放电时间分布模式 268
10.2 局部放电特征参数提取 270
10.2.1 统计特征参数 270
10.2.2 威布尔参数 272
10.2.3 图像矩特征参数 273
10.2.4 分形特征参数 274
10.2.5 波形特征参数 277
10.2.6 小波特征参数 277
10.3 局部放电模式识别分类器 279
10.3.1 基于距离的模式分类器 279
10.3.2 线性及非线性分类器 281
10.3.3 人工神经网络分类器 291
10.3.4 支持向量分类器 303
参考文献 315
第11章 基于DS证据理论的故障诊断 319
11.1 DS证据理论的基本原理 320
11.1.1 基本概念 320
11.1.2 结合多源信息的Dempster准则 322
11.1.3 基本概率赋值的获取 323
11.1.4 DS证据理论的优缺点 325
11.1.5 DS证据理论的应用 325
11.2 用DS证据理论辨识局部放电模式 326
11.2.1 TRPD和PRPD信号的模式识别 326
11.2.2 基于特高频与IEC60270检测信息相关性的模式识别 329
11.3 基于DS证据理论的多信息融合故障诊断 332
11.4 局部放电诊断实例分析 334
11.4.1 缺陷测试 334
11.4.2 样本测试 337
参考文献 337
第12章 特高频局部放电源定位 340
12.1 特高频局部放电源定位测量系统 340
12.1.1 检测装置结构图 340
12.1.2 局部放电源定位原理 341
12.2 组合电器特高频局部放电源定位常用方法 342
12.2.1 信号幅值比较法 342
12.2.2 信号先后比较法 343
12.2.3 时间差计算法 343
12.2.4 特高频时间差法定位存在的问题 344
12.3 提取时间差的各种常用算法 345
12.3.1 互相关函数法 345
12.3.2 累积能量曲线法 346
12.3.3 功率曲线法 347
12.3.4 广义相位谱法 348
12.3.5 参量模型法 349
12.4 基于多样本能量相关搜索提取时间差改进算法 350
12.4.1 多样本“相关G移位G叠加” 350
12.4.2 能量相关搜索时间差 351
12.4.3 试验数据分析 353
12.5 用逐次逼近理论定位局部放电源 355
12.5.1 局部放电源定位的数学模型 356
12.5.2 逐次逼近定位原理 357
12.5.3 基于多样本的逐次逼近定位算法步骤 359
12.5.4 实测局部放电信号定位试验分析 361
参考文献 365
第13章 特高频局部放电定量检测 368
13.1 低频脉冲电流定量法 368
13.1.1 脉冲电流定量法原理 368
13.1.2 低频脉冲电流法的基本测量回路 369
13.1.3 检测阻抗 370
13.1.4 放电量校准 370
13.2 特高频局部放电定量检测 371
13.2.1 特高频局部放电量标定方法 371
13.2.2 特高频局部放电信号参量与放电量的关系 375
13.2.3 不同气压下特高频局部放电信号与放电量的关系 389
13.3 特高频局部放电量现场标定技术 394
参考文献 396
第14章 组合电器设备特高频局部放电监测系统 397
14.1 信号滤波器 397
14.1.1 滤波器分类 397
14.1.2 理想滤波器与实际滤
前 言
序言
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第1章 绪论
1.1 气体绝缘组合电器结构及应用
1.1.1 气体绝缘组合电器总体结构气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear，GIS)是以SF6气体作为绝缘介质的金属全封闭系统[1].变电站除变压器，GIS设备将断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、母线(三相或单相)、过渡元件(SF6电缆头、SF6空气套管、SF6油套管)等全部封闭在一个接地的金属管道系统内，充以0.3~0.6MPa的SF6绝缘气体介质，以实现导体对断口、相间及断口间的绝缘[2].
GIS设备的内部元件，为了能满足变电站灵活的接线方式，一般将实现独立电气功能的元件或几个元件配合生产独立功能的器件，设计放入一个气室或一个间隔里，再根据实际变电站要求进行选配和组合，既可以实现GIS变电站的灵活建造，还能在SF6气体发生泄漏时减少退出运行的电气元件数目或单元数，以提高GIS设备运行的可靠性.
对于GIS设备的内部结构，可以分为三相共箱和单相单箱.三相共箱是将三相电气元器件采用三角对称布置形式，安装在同一箱体内，用绝缘支柱或隔板进行电气隔离，能节省金属外壳材料和安装空间.同时，由于三相磁力线在GIS设备腔体外壳中的相互抵消，可以减小金属外壳中的涡流损失以及对外界的工频电磁场干扰.单相单箱是将各相电气元器件独立安装在单箱的金属圆筒内，各相主回路有独立的金属圆筒外壳.单相单箱结构的特点是电场分布可视为同轴对称分布，结构比较简单，绝缘相对较好处理，不会发生相间绝缘故障.与三相共箱相比，缺点在于金属外壳材料用量大，外壳中产生的电磁涡流损耗较大，占地面积较大.
考虑当前的制造工艺和成本，一般情况下，110kV及以下电压等级的GIS设备大都采用三相共箱结构，500kV及以上电压等级的GIS设备大都采用单相单箱结构.因此，实际应用中，需要根据电压等级高低以及GIS变电站规模大小，合理选择GIS设备结构及其间隔数量.某110kV室内和500kV室外GIS变电站现场布置示意图如图1.1所示.
图1.1 某110kV室内和500kV室外GIS变电站现场布置示意图
GIS设备主要电气元器件如下.
1.断路器
SF6断路器是GIS设备的主要元件，采用SF6气体作为绝缘介质和灭弧介质的高压断路器被集成在GIS设备中，一般为独立气室单元，与主气室在用气上完全隔离.SF6气体是一种无色、无臭、无毒、不燃烧的惰性气体，具有温室效应，不能随意排放;在相同压力和温度条件下，SF6气体的密度为空气的5.11倍，能在电弧间隙的游离气体中吸附自由电子，具有负电性.因此，SF6气体具有优异的绝缘性能及灭弧能力，其绝缘能力约为空气的3倍，灭弧能力约为空气的100倍，其性能也是油断路器所无法比拟的.SF6断路器结构形式大致有水平断口和垂直断口两种，通常在220kV及以上电压等级大都采用水平断口结构形式，以减少GIS设备的安装空间，而在110kV及以下电压等级则采用垂直断口结构形式，不同断口结构形式的选用，决定了GIS设备内其他元件的布置方式和空间结构以及断口检查的难易程度.
2.隔离开关
GIS设备内电场均可视为轴对称稍不均匀电场，其隔离开关与常规的隔离开关不同，结构为圆柱体的动静触头且能相互插入.GIS设备内隔离开关按其用途不同有三种型式:①主回路隔离开关，其作用相当于在GIS设备内的主回路上增加一个断口(断点);②接地隔离开关，其作用是将主回路通过本隔离开关接到GIS设备外壳而直接接地;③快速接地隔离开关，其安装在进线侧，通过继电保护装置跳闸断路器而快速切断故障电流，以保护GIS设备不至于过重损伤.前述两种隔离开关只能切断电容电流和电感电流以实现电压隔离，而快速接地隔离开关则能合上接地短路电流以实现故障的快速切除.
3.电流互感器
GIS设备中的电流互感器通常有两种结构:一种是以SF6为主绝缘而安装在金属壳内的穿心式结构，既可用于断路器侧，又可用于母线侧;另一种是开口式电缆结构，只能用于母线侧.当电流互感器空接头时，一定要用较粗的铜线将其接线柱短接，以防止因开路引起二次侧产生高压以损伤相应设备和危及人身安全.随着GIS设备逐渐趋向小型化、模块化、智能化，出现了电子式电流互感器的应用.由于不同GIS设备厂家采用的结构系列不同，生产GIS设备用的电流互感器也各有差异.电子式电流互感器采用罗柯夫斯基(Rogowiski)电流传感器技术来测量电流，具有较宽的线性特性，保证了在所测量或保护的电流范围内不会出现饱和情况.
4.电压互感器
电压互感器按其原理可分为电磁式和电容式两种类型，既可以满足横式安装，也可满足卧式安装，且直接接在GIS设备内的母线管上，为了方便连接，通常制作成为一个独立气室间隔.电磁式电压互感器主要用在110kV及以下的GIS设备中，电容式电压互感器主要用在220kV及以上的GIS设备中.使用中严禁电压互感器二次绕组侧发生短路故障，以防止因短路引起二次侧电流剧增而烧坏设备与危及人身安全.
5.母线
母线结构分为分相式和三相共筒式两种，前者将单相母线安装在接地的金属圆筒中间，用盆式绝缘子支撑，可避免相间故障;后者将三相母线三角对称布置在一个共同接地的金属圆筒内，各相母线对圆筒分别采用支撑绝缘子支撑，而相间绝缘主要由SF6气体绝缘介质实现.
6.连接套管
连接套管主要有充气套管和油纸电容套管两种:充气套管为空心塔形套管内装导电杆，并充有SF6气体绝缘介质;油纸电容套管的尾部(出线端)安装在GIS设备壳体中，并使得SF6气体与套管内部之间进行固体隔离.当GIS设备选用电缆进出线时，采用封闭式电缆终端;当与变压器或架空线相连接时，则采用连接套管.
7.GIS设备用避雷器
GIS设备用无间隙的氧化锌避雷器进行过电压防护，避雷器被封闭在SF6气体中，具有较高的通流容量和吸收能力.避雷器内部核心元件是非线性伏安特性极其优良的金属氧化物电阻片柱，在限制过电压时几乎没有残压，有的还可以用于内部过电压防护.另外，由于被保护设备离避雷器距离很近，避雷器保护的范围较大.
8.母线膨胀补偿器
母线膨胀补偿器用于GIS设备的刚性连接位移变化补偿.产生位移变化的原因主要来自两个方面:①各刚性连接的电气元器件材料性质不同，其热膨胀系数各异，在GIS设备运行中，因温度变化导致的各电气元器件温度应力存在差异，从而使得刚性连接的元器件有可能产生挤压损伤或者产生位移变形;②GIS设备安装过程中不可避免地会有一定的安装误差.因此，需要采用波纹管和拆卸部件构成的母线膨胀补偿器[2].
1.1.2 气体绝缘组合电器应用与发展
相对于敞开式的空气绝缘变电站(air insulated substation，AIS)，GIS设备具有以下显著优点.
(1)小型化.采用绝缘性能优良的SF6气体作为绝缘和灭弧介质，能大幅度减小变电站的占地面积和空间高度，实现变电站的小型化，可建设在地下或室内.
(2)可靠性高.GIS设备中的带电电气元器件完全密封于SF6绝缘气体中，其绝缘性能不受外界环境因素(覆冰、覆雪、污秽、气压和湿度等)影响，大幅度提高了GIS设备运行的可靠性.此外，GIS设备还具有良好的抗地震性能.
(3)安全性好.带电部件密封于接地的金属壳体内，因而不会发生触电的危险;同时，SF6气体为不可燃性气体，降低了火灾危险;对工频电磁和静电耦合干扰实现良好屏蔽，即电磁污染很小、环境噪声低、几乎没有无线电干扰等问题.
(4)安装周期短.GIS设备实现小型化后，其单元间隔成标准化，可在工厂进行整机装配且试验合格后，以单元间隔形式运达现场，可缩短现场安装工期，且设备可靠性高.
(5)维护方便.合理的GIS设备内结构布置、良好的绝缘介质和先进的灭弧系统，大幅度提高了GIS设备的使用寿命，使得GIS设备检修周期长及维护工作量小，且由于GIS设备是单元间隔的标准化连接，方便检修.
正是GIS设备有上述不可比拟的优势，加上伴随GIS设备技术快速进步和中国电力输送容量剧增，自21世纪以来，全国电网GIS变电站明显增多，GIS设备在中国电网的应用日益广泛.据2010~2012年高压开关行业年鉴统计，近几年550kV、353kV、252kV、126kV电压等级的GIS设备全国市场销售产量见表1.1.
表1.1 2010~2012年各电压等级GIS设备全国产量统计(单位:间隔)
从GIS设备技术自身发展方面来看，从20世纪60年代GIS设备问世以来，GIS设备不断保持技术的更新与发展，在保持高可靠性的同时，以减少材料消耗和降低成本为主导方向，向着新一代复合式GIS(hybrid gas isolated substation，HGIS)系统发展.与此同时，传统的GIS设备发展态势也同样迅猛，其技术进步主要表现在如下方面:
(1)GIS设备框架结构.GIS设备在壳体结构上，从分相式发展到三相共筒式再到复合化，使得GIS设备进一步小型化.当前，国际上已做到300kV全三相共筒化和550kV母线三相共筒化.复合化是将多个元件集装在一个充气筒内，如将断路器和母线复合在一个充气筒内，又将隔离开关、接地开关、避雷器和互感器等元件，由原来多个气筒复合简化为一个气筒，使得GIS设备越来越小型化和轻量化.
(2)断路器技术.在增大断路器容量的同时，减少断口数是提高断路器和GIS设备性能的主要措施.减少断口数就能简化结构，提高可靠性，并减少SF6气体用量与回收.目前550kV等级的SF6断路器，已由双断口发展到单断口，日本已研发550kVG63kA/50kA(额定短路开断电流为50kA及63kA)单断口SF6断路器，而中国**也研发出了550kVG4kA/50kA(额定电流为4kA，额定短路开断电流为50kA)单断口SF6断路器.
(3)元器件多功能化.如将隔离开关(DS)和接地开关(ES)复合成三工位隔离/接地开关，可省略电气联锁，不存在DS和ES间各种误操作，从而提高安全运行可靠性，这也是单元隔断技术不断进步的发展趋势.
(4)监控和诊断智能化.智能化是对GIS设备进行在线监测与故障诊断，以便尽早发现具有危害的潜伏性故障，同时又能对GIS设备运行维护的传统定期维修转变为状态维修，以提高GIS设备的运行效率和寿命.
GIS设备一直被普遍认为是少维护甚至是免维护的电气装备，在现场安装投运后的GIS设备，总的来说运行情况是良好的.然而，尽管GIS设备的可靠性非常高，但因其内部存在不可避免的潜伏性绝缘缺陷，仍然会引起设备发生绝缘故障并逐步扩大，从而导致电网停电事故.国际大电网委员会(CIGRE)统计和我国每年发布的电力运行公报表明，GIS设备的故障率远高于IEC标准规定的故障水平，且绝缘故障多发生在较高电压等级的GIS设备中.GIS设备电压等级越高，因停电所造成的经济损失越大，维修成本也越高.CIGRE统计的GIS设备中常见的绝缘缺陷引起的故障率如图1.2所示[3].
图1.2 GIS设备中常见缺陷引起的故障率
在这些故障中，绝缘故障的发生比例**，占了总故障的53%左右.产生这些故障的原因大都是GIS设备在制造时与机械运动中出现的金属毛刺和金属微粒、在安装运输时金属部件松动引起接触不良、在运行中有机固体绝缘材料的老化等，这些内部绝缘缺陷都可能导致GIS设备内部电场发生畸变，出现高局部电场而引起局部放电(PD).PD对进一步绝缘的破坏作用是一个缓慢过程，且受多种因素影响，对运行中的GIS设备是一个隐患.因为PD既是引起绝缘劣化的重要原因，又是表征绝缘状况的特征量.因此，通过对GIS设备中PD进行在线检测/监测，可以发现许多内部存在且具有危害的绝缘缺陷，对保证GI
1.1 气体绝缘组合电器结构及应用
1.1.1 气体绝缘组合电器总体结构气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear，GIS)是以SF6气体作为绝缘介质的金属全封闭系统[1].变电站除变压器，GIS设备将断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、母线(三相或单相)、过渡元件(SF6电缆头、SF6空气套管、SF6油套管)等全部封闭在一个接地的金属管道系统内，充以0.3~0.6MPa的SF6绝缘气体介质，以实现导体对断口、相间及断口间的绝缘[2].
GIS设备的内部元件，为了能满足变电站灵活的接线方式，一般将实现独立电气功能的元件或几个元件配合生产独立功能的器件，设计放入一个气室或一个间隔里，再根据实际变电站要求进行选配和组合，既可以实现GIS变电站的灵活建造，还能在SF6气体发生泄漏时减少退出运行的电气元件数目或单元数，以提高GIS设备运行的可靠性.
对于GIS设备的内部结构，可以分为三相共箱和单相单箱.三相共箱是将三相电气元器件采用三角对称布置形式，安装在同一箱体内，用绝缘支柱或隔板进行电气隔离，能节省金属外壳材料和安装空间.同时，由于三相磁力线在GIS设备腔体外壳中的相互抵消，可以减小金属外壳中的涡流损失以及对外界的工频电磁场干扰.单相单箱是将各相电气元器件独立安装在单箱的金属圆筒内，各相主回路有独立的金属圆筒外壳.单相单箱结构的特点是电场分布可视为同轴对称分布，结构比较简单，绝缘相对较好处理，不会发生相间绝缘故障.与三相共箱相比，缺点在于金属外壳材料用量大，外壳中产生的电磁涡流损耗较大，占地面积较大.
考虑当前的制造工艺和成本，一般情况下，110kV及以下电压等级的GIS设备大都采用三相共箱结构，500kV及以上电压等级的GIS设备大都采用单相单箱结构.因此，实际应用中，需要根据电压等级高低以及GIS变电站规模大小，合理选择GIS设备结构及其间隔数量.某110kV室内和500kV室外GIS变电站现场布置示意图如图1.1所示.
图1.1 某110kV室内和500kV室外GIS变电站现场布置示意图
GIS设备主要电气元器件如下.
1.断路器
SF6断路器是GIS设备的主要元件，采用SF6气体作为绝缘介质和灭弧介质的高压断路器被集成在GIS设备中，一般为独立气室单元，与主气室在用气上完全隔离.SF6气体是一种无色、无臭、无毒、不燃烧的惰性气体，具有温室效应，不能随意排放;在相同压力和温度条件下，SF6气体的密度为空气的5.11倍，能在电弧间隙的游离气体中吸附自由电子，具有负电性.因此，SF6气体具有优异的绝缘性能及灭弧能力，其绝缘能力约为空气的3倍，灭弧能力约为空气的100倍，其性能也是油断路器所无法比拟的.SF6断路器结构形式大致有水平断口和垂直断口两种，通常在220kV及以上电压等级大都采用水平断口结构形式，以减少GIS设备的安装空间，而在110kV及以下电压等级则采用垂直断口结构形式，不同断口结构形式的选用，决定了GIS设备内其他元件的布置方式和空间结构以及断口检查的难易程度.
2.隔离开关
GIS设备内电场均可视为轴对称稍不均匀电场，其隔离开关与常规的隔离开关不同，结构为圆柱体的动静触头且能相互插入.GIS设备内隔离开关按其用途不同有三种型式:①主回路隔离开关，其作用相当于在GIS设备内的主回路上增加一个断口(断点);②接地隔离开关，其作用是将主回路通过本隔离开关接到GIS设备外壳而直接接地;③快速接地隔离开关，其安装在进线侧，通过继电保护装置跳闸断路器而快速切断故障电流，以保护GIS设备不至于过重损伤.前述两种隔离开关只能切断电容电流和电感电流以实现电压隔离，而快速接地隔离开关则能合上接地短路电流以实现故障的快速切除.
3.电流互感器
GIS设备中的电流互感器通常有两种结构:一种是以SF6为主绝缘而安装在金属壳内的穿心式结构，既可用于断路器侧，又可用于母线侧;另一种是开口式电缆结构，只能用于母线侧.当电流互感器空接头时，一定要用较粗的铜线将其接线柱短接，以防止因开路引起二次侧产生高压以损伤相应设备和危及人身安全.随着GIS设备逐渐趋向小型化、模块化、智能化，出现了电子式电流互感器的应用.由于不同GIS设备厂家采用的结构系列不同，生产GIS设备用的电流互感器也各有差异.电子式电流互感器采用罗柯夫斯基(Rogowiski)电流传感器技术来测量电流，具有较宽的线性特性，保证了在所测量或保护的电流范围内不会出现饱和情况.
4.电压互感器
电压互感器按其原理可分为电磁式和电容式两种类型，既可以满足横式安装，也可满足卧式安装，且直接接在GIS设备内的母线管上，为了方便连接，通常制作成为一个独立气室间隔.电磁式电压互感器主要用在110kV及以下的GIS设备中，电容式电压互感器主要用在220kV及以上的GIS设备中.使用中严禁电压互感器二次绕组侧发生短路故障，以防止因短路引起二次侧电流剧增而烧坏设备与危及人身安全.
5.母线
母线结构分为分相式和三相共筒式两种，前者将单相母线安装在接地的金属圆筒中间，用盆式绝缘子支撑，可避免相间故障;后者将三相母线三角对称布置在一个共同接地的金属圆筒内，各相母线对圆筒分别采用支撑绝缘子支撑，而相间绝缘主要由SF6气体绝缘介质实现.
6.连接套管
连接套管主要有充气套管和油纸电容套管两种:充气套管为空心塔形套管内装导电杆，并充有SF6气体绝缘介质;油纸电容套管的尾部(出线端)安装在GIS设备壳体中，并使得SF6气体与套管内部之间进行固体隔离.当GIS设备选用电缆进出线时，采用封闭式电缆终端;当与变压器或架空线相连接时，则采用连接套管.
7.GIS设备用避雷器
GIS设备用无间隙的氧化锌避雷器进行过电压防护，避雷器被封闭在SF6气体中，具有较高的通流容量和吸收能力.避雷器内部核心元件是非线性伏安特性极其优良的金属氧化物电阻片柱，在限制过电压时几乎没有残压，有的还可以用于内部过电压防护.另外，由于被保护设备离避雷器距离很近，避雷器保护的范围较大.
8.母线膨胀补偿器
母线膨胀补偿器用于GIS设备的刚性连接位移变化补偿.产生位移变化的原因主要来自两个方面:①各刚性连接的电气元器件材料性质不同，其热膨胀系数各异，在GIS设备运行中，因温度变化导致的各电气元器件温度应力存在差异，从而使得刚性连接的元器件有可能产生挤压损伤或者产生位移变形;②GIS设备安装过程中不可避免地会有一定的安装误差.因此，需要采用波纹管和拆卸部件构成的母线膨胀补偿器[2].
1.1.2 气体绝缘组合电器应用与发展
相对于敞开式的空气绝缘变电站(air insulated substation，AIS)，GIS设备具有以下显著优点.
(1)小型化.采用绝缘性能优良的SF6气体作为绝缘和灭弧介质，能大幅度减小变电站的占地面积和空间高度，实现变电站的小型化，可建设在地下或室内.
(2)可靠性高.GIS设备中的带电电气元器件完全密封于SF6绝缘气体中，其绝缘性能不受外界环境因素(覆冰、覆雪、污秽、气压和湿度等)影响，大幅度提高了GIS设备运行的可靠性.此外，GIS设备还具有良好的抗地震性能.
(3)安全性好.带电部件密封于接地的金属壳体内，因而不会发生触电的危险;同时，SF6气体为不可燃性气体，降低了火灾危险;对工频电磁和静电耦合干扰实现良好屏蔽，即电磁污染很小、环境噪声低、几乎没有无线电干扰等问题.
(4)安装周期短.GIS设备实现小型化后，其单元间隔成标准化，可在工厂进行整机装配且试验合格后，以单元间隔形式运达现场，可缩短现场安装工期，且设备可靠性高.
(5)维护方便.合理的GIS设备内结构布置、良好的绝缘介质和先进的灭弧系统，大幅度提高了GIS设备的使用寿命，使得GIS设备检修周期长及维护工作量小，且由于GIS设备是单元间隔的标准化连接，方便检修.
正是GIS设备有上述不可比拟的优势，加上伴随GIS设备技术快速进步和中国电力输送容量剧增，自21世纪以来，全国电网GIS变电站明显增多，GIS设备在中国电网的应用日益广泛.据2010~2012年高压开关行业年鉴统计，近几年550kV、353kV、252kV、126kV电压等级的GIS设备全国市场销售产量见表1.1.
表1.1 2010~2012年各电压等级GIS设备全国产量统计(单位:间隔)
从GIS设备技术自身发展方面来看，从20世纪60年代GIS设备问世以来，GIS设备不断保持技术的更新与发展，在保持高可靠性的同时，以减少材料消耗和降低成本为主导方向，向着新一代复合式GIS(hybrid gas isolated substation，HGIS)系统发展.与此同时，传统的GIS设备发展态势也同样迅猛，其技术进步主要表现在如下方面:
(1)GIS设备框架结构.GIS设备在壳体结构上，从分相式发展到三相共筒式再到复合化，使得GIS设备进一步小型化.当前，国际上已做到300kV全三相共筒化和550kV母线三相共筒化.复合化是将多个元件集装在一个充气筒内，如将断路器和母线复合在一个充气筒内，又将隔离开关、接地开关、避雷器和互感器等元件，由原来多个气筒复合简化为一个气筒，使得GIS设备越来越小型化和轻量化.
(2)断路器技术.在增大断路器容量的同时，减少断口数是提高断路器和GIS设备性能的主要措施.减少断口数就能简化结构，提高可靠性，并减少SF6气体用量与回收.目前550kV等级的SF6断路器，已由双断口发展到单断口，日本已研发550kVG63kA/50kA(额定短路开断电流为50kA及63kA)单断口SF6断路器，而中国**也研发出了550kVG4kA/50kA(额定电流为4kA，额定短路开断电流为50kA)单断口SF6断路器.
(3)元器件多功能化.如将隔离开关(DS)和接地开关(ES)复合成三工位隔离/接地开关，可省略电气联锁，不存在DS和ES间各种误操作，从而提高安全运行可靠性，这也是单元隔断技术不断进步的发展趋势.
(4)监控和诊断智能化.智能化是对GIS设备进行在线监测与故障诊断，以便尽早发现具有危害的潜伏性故障，同时又能对GIS设备运行维护的传统定期维修转变为状态维修，以提高GIS设备的运行效率和寿命.
GIS设备一直被普遍认为是少维护甚至是免维护的电气装备，在现场安装投运后的GIS设备，总的来说运行情况是良好的.然而，尽管GIS设备的可靠性非常高，但因其内部存在不可避免的潜伏性绝缘缺陷，仍然会引起设备发生绝缘故障并逐步扩大，从而导致电网停电事故.国际大电网委员会(CIGRE)统计和我国每年发布的电力运行公报表明，GIS设备的故障率远高于IEC标准规定的故障水平，且绝缘故障多发生在较高电压等级的GIS设备中.GIS设备电压等级越高，因停电所造成的经济损失越大，维修成本也越高.CIGRE统计的GIS设备中常见的绝缘缺陷引起的故障率如图1.2所示[3].
图1.2 GIS设备中常见缺陷引起的故障率
在这些故障中，绝缘故障的发生比例**，占了总故障的53%左右.产生这些故障的原因大都是GIS设备在制造时与机械运动中出现的金属毛刺和金属微粒、在安装运输时金属部件松动引起接触不良、在运行中有机固体绝缘材料的老化等，这些内部绝缘缺陷都可能导致GIS设备内部电场发生畸变，出现高局部电场而引起局部放电(PD).PD对进一步绝缘的破坏作用是一个缓慢过程，且受多种因素影响，对运行中的GIS设备是一个隐患.因为PD既是引起绝缘劣化的重要原因，又是表征绝缘状况的特征量.因此，通过对GIS设备中PD进行在线检测/监测，可以发现许多内部存在且具有危害的绝缘缺陷，对保证GI
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