气体绝缘开关设备GIS是电网的关键核心设备,用量巨大,仅国家电网公司系统GIS在运量已超过60000间隔,世界上电压等级最高的1000kV特高压工程也全部采用GIS,其运行可靠性对供电安全至关重要。然而,近十年来,GIS在运行中频繁发生绝缘子沿面异常放电故障,但放电诱因和放电机制尚不清楚,且无有效的检测预警方法,引起了运行单位对GIS设备可靠性的极大担忧,迫切需要开展深化研究。本文通过故障统计和调研分析发现,绝缘子表面附着金属颗粒可能是异常放电的主要诱因,颗粒长度为0.5mm-5.0mm,放电时运行电压不超过1.3 p.u.。而以往的研究,选用颗粒的长度多超过10mm,选用长度较小的颗粒时,外施电压在2.0 p.u.及以上,研究结论无法解释运行中GIS绝缘子沿面异常放电现象。本文采用小颗粒,在运行电压条件下开展GIS绝缘子表面金属颗粒诱发放电的系统性研究,主要研究工作和创新成果如下:(1)分析了局部放电脉冲电流法在灵敏度方面的不足,研究了提升灵敏度的措施。提出了一种分布式脉冲电流测量方法,可实现多支并联绝缘子每只绝缘子局部放电量的独立测量和相对比较,可测的最小局部放电量达0.02pC,较原方法灵敏度提高了 50倍以上,解决了小颗粒运行电压下局部放电信号小脉冲和少脉冲识别的难题。(2)研究了 GIS绝缘子多支并联逐支独立测量局部放电的试验方案,构建了基于分布式脉冲电流测量法的局部放电例行试验系统,在工厂开展了 62支盆式绝缘子和115支支柱绝缘子的局部放电出厂筛查实验。获得了表面状态完好绝缘子的局部放电量水平,放电量不超过0.1pC,表明运行中完好的绝缘子不会诱发沿面闪络。(3)选择典型GIS盆式绝缘子,0.5mm、2.0mm、5.0mm三种金属颗粒,附着在绝缘子表面靠地电极附近、表面中部、高压电极附近三个位置,针对这些组合情况开展了局部放电特性研究。揭示了小颗粒运行电压下局部放电呈现小脉冲和少脉冲的特征,颗粒越小,局部放电次数越少,脉冲幅值越低,长度为0.5mm时,最大放电量低至0.04pC,放电频次低至每小时3次。(4)针对GIS运动部件气室采用的盆式绝缘子,研究了开关操作时水平绝缘子凸面和竖直绝缘子凹面附着金属颗粒的运动特性,发现在冲击振动作用下,绝缘子表面附着的金属颗粒容易运动到绝缘子与GIS壳体间的缝隙中。采用磁铁吸引金属颗粒模拟了这种运动形式,开展了颗粒运动诱发沿面闪络研究,揭示了小颗粒运行电压下颗粒运动诱发沿面闪络的发生发展过程。发现颗粒运动前,静止在绝缘子表面时,其诱发的局部放电频次少,小于10次/秒,放电量低,小于0.3pC,颗粒运动过程中,局部放电频次和放电量没有明显变化,当颗粒运动至GIS壳体时,局部放电频次突然增加,超过1000次/秒,放电量突然增大,超过50pC,在数秒内引起沿面闪络,可见金属颗粒运动会诱发沿面闪络。(5)针对GIS母线气室采用的支柱绝缘子,选择0.5mm、2.0mm、5.0mm三种金属颗粒,附着在绝缘子表面靠地电极附近、表面中部、高压电极附近三个位置,针对这些组合情况,采用粉尘法研究了局部放电产生的电荷沉积特性和电荷沉积诱发的沿面闪络特性。首次观测到了小颗粒运行电压下,绝缘子表面的电荷沉积现象和电荷沉积诱发沿面闪络的发生发展过程。发现0.5mm和2.0mm颗粒没有引起电荷沉积,而5.0mm颗粒在绝缘子表面引起了显著的电荷沉积,电荷沉积向电极延伸的长度可达180mm,远超颗粒长度,说明金属颗粒只要达到一定长度,就会引起显著的电荷沉积;发现电荷沉积诱发沿面闪络过程中,局部放电量越大,电荷沉积向电极延伸的长度越长,诱发沿面闪络的可能性越大,可见金属颗粒局部放电产生电荷积累扩散会诱发沿面闪络。综上所述,金属颗粒附着在绝缘子表面,可以导致运行中绝缘子沿面闪络,颗粒长度越长,放电可能性越大,放电的机制可解释为,一种是金属颗粒运动引起的电场畸变诱发沿面闪络,一种是金属颗粒局部放电引起的电荷沉积诱发沿面闪络。