GIL管路溫變伸縮致局部放電定位與成因分析

馬榮亮，楊樹鋒，翁利聽

(中國長江電力股份有限公司溪洛渡電廠，云南 昭通 657300)

近年來氣體絕緣金屬封閉輸電線路(Gas Insulated Transmission Lines，簡稱GIL)在大型水電站、升壓站、高壓電網中的應用不斷增加。GIL具有環境危害小、占地面積少、輸送容量大、線路損耗低、可靠性高、維護費用少、使用壽命長等優點[1-2]，同時GIL金屬封閉的結構特點，導致其內部故障或缺陷隱患難以發現，又因GIL設備輸送容量大，設備故障后對電站輸送或電網影響較大。因此需要采用各種監測方式對設備進行綜合監測，及時判斷評估并消除設備故障隱患。

目前GIL上普遍配置的特高頻局放監測設備是設備狀態監測重要手段之一，特高頻 (ul-tra-high frequency，簡稱UHF)法是利用裝設在GIL管路內部或外部的天線傳感器接收局部放電激發并傳播的300～3000 MHz頻段的UHF信號進行檢測和分析[3-4]。主要定位方法有幅值比較法、時差法、定相法、三維空間定位法等[5-6]。

本文結合某電站GIL非連續的局放信號排查及故障處理情況，綜合利用幅值比較與時差法對局放信號定位，并對局放信號產生的原因及過程進行了深入分析并提出設備結構改進措施建議。

1 局放源定位與成因

某水電站500 kV主接線中GIS設備通過GIL接入電網架空線，GIS/GIL設備上安裝有特高頻局放在線監測系統。2021年初，電站GIS/GIL局放在線監測系統13處傳感器檢測到局部放電信號，信號覆蓋1回約480 m長度的GIL管路、2串共7臺斷路器及75 m母線的GIS設備。

根據局放信號的特點，監測系統判斷放電類型為懸浮類放電。信號自出現后一直存在，呈現非持續性特點，放電間隔幾十秒至幾分鐘不等，每次出現放電持續0.1～0.2 s不等。監測到的典型放電圖譜如圖1所示。

圖1 局放監測系統記錄的放電信號圖像

由于局放在線監測系統無法判斷局放源位置，在排除熒光燈、風機、無線電信號等干擾因素后，根據在線監測系統數記錄情況，通過GIS對分區域停電排查后，確認信號位于GIS/GIL線路B相，傳感器編號26B至45B之間。

此段GIL、GIS設備結構相對簡單，無分支結構，先采用幅值比較法，幅值大小可進行初步的快速比較，迅速判斷局放源方向。但信號幅值相差不大，幅值比較法準確率較低，僅作為初步判斷的參考。將2個傳感器分別接入檢測通道1和通道2，當檢測通道2信號明顯大于通道1信號，通過幅值比較法可判斷局放源更加靠近通道2處。

由于非持續性信號效率較低，通過調整儀器信號檢測觸發為突變監視，當信號超過設置的閾值時進行采樣，采集原始脈沖信號(見圖2)。進一步采用時差法對局放源定位，檢測儀器共接入3個通道信號，根據現場傳感器布置及儀器采集到的信號時間，可知信號位于圖3示通道1、通道2傳感器之間。通過2個信號傳感器所接收的2個信號時間差進行分析，可準確判斷局放源方向并精確定位局放源位置。

圖2 系統采集的原始局放脈沖信號圖

根據采集的局放脈沖信號分析，通道2與通道3信號時差約為10-8s，折算距離約為3 m，與通道2、3傳感器之間實際距離18.8 m相差較多。說明該放電源位于通道2與通道3之間。采用時差法可計算出局部放電源到達較近傳感器的距離。

(1)

式中：d為距離較近傳感器距離；D為2個傳感器距離；t為2個傳感器收到信號的時差，單位為nS即10-9s。

通過對局放信號進行時差計算局放源位于通道3(見圖3)所接測點8 m的位置，結合設備結構，所定位的局放源處安裝有支柱絕緣子，基本確定局放源位于GIL支柱絕緣子處。對GIL進行開孔檢查，確認局放為支柱絕緣子尾端金屬觸針與GIL金屬管路外殼接觸不良，接地銅觸針與外殼間存在微小縫隙(見圖4)。

圖4 支柱絕緣子尾端放電圖

GIL管路外殼的鋁合金與SF6氣體，在局部放電的作用下生成白色粉末AlF3等衍生物。通過對比正常絕緣子與故障絕緣子尾端(見圖5)可知，故障絕緣子頂針內彈簧端頭卡入觸針安裝孔，導致銅觸針失去彈力作用。

圖5 正常絕緣子(左)與故障絕緣子(右)對比圖

2 局放成因分析

由于GIL的結構特點需要，GIL中除安裝有盆式絕緣子外，在水平段通常安裝有柱形絕緣子。柱形絕緣子由環氧樹脂澆注而成，絕緣子底部設計有彈簧，銅觸針，金屬底板和特氟龍墊片(見圖6)。帶彈簧的銅觸針可伸縮。以確保絕緣子尾端與外殼的可靠接觸。

圖6 絕緣子尾端拆解圖

2.1 熱致伸縮影響分析

GIL導電管路與外殼均為鋁合金材料，在無約束的條件下(自由狀態)，溫度升高膨脹、溫度降低收縮；有約束且約束有效的條件下，無膨脹、收縮，存在應力。GIL熱伸縮與負荷電流之間具有非線性關系，隨著負荷電流的增大，GIL熱伸縮逐漸增大，且導體與外殼溫差和GIL熱伸縮變幅度均逐漸增大。GIL熱伸縮與環境溫度具有近似線性關系，環境溫度增大過程中GIL溫度及管道熱伸縮均近似線性增大[7-9]。

Δl=α·ΔT·L

(2)

式中：Δl為管路膨脹量；α為材料線脹系數；ΔT為管路溫升；L為管路長度。

設備運行期間，GIL導體與管路外殼間溫度存在較大差值，根據，同時考慮管路外殼固定與伸縮節等結構設置與導體固定點、導體連接方式等的差異，管路外殼與導體伸縮存在相對運動[10-11]。即支柱絕緣子端部與GIL外殼內表面有相對滑動。每天導體隨著電流的變化會有一定量的熱致伸縮，根據支柱絕緣子安裝位置距離導體固定點間的距離約為8 m，可計算出導體在不同的電流情況支柱絕緣子的沿管路軸向滑動位移量約為1.5～3.0 mm。

2.2 運行時電動力影響分析

在設備正常運行時，三相回路中電流產生電場對于導體將產生機械力。該力能通過安培定理，電場感應和電場力變化如下所示[12]。

(3)

式中：l為導體長度；a為導電間距；μ0為磁導率。

GIL設備運行過程中的管道(內部導體和外部外殼)將受到頻率為100 Hz的電動力。在GIL內部導體被外殼封閉后，在封閉外殼周圍也將時不時產生電流通過。在外殼以外的電場已經減低。通過計算，GIL導體在額定電流4 500 A作用下，最大徑向位移為0.01 mm，不足以引發設備振動，GIL運行時的電動力不是引發支柱絕緣子內彈簧失效的主要原因。

綜合分析可知，支柱絕緣子尾端觸針彈簧失效的過程：GIL長期的運行過程中，隨著GIL運行電流的大小，導體損耗發熱隨之變化，從而會產生熱致伸縮，支柱絕緣子會發生平行于導體管路的滑動。在幾年的滑動后銅觸針端面磨損導致與管路外殼的摩擦力增大。在絕緣子滑動過程中因摩擦阻力，銅觸針發生傾斜。同時銅觸針后端彈簧性能降低，彈簧末端產生形變，端頭卡入銅觸針與固定件的縫隙，造成銅觸針彈簧失效。

銅觸針無法與GIL外殼有效接觸而出現氣隙，金屬嵌件處于懸浮狀態。絕緣子材料環氧樹脂的介電常數為SF6氣體介電常數的5倍，則氣隙中電場強度為絕緣子的5倍，GIL設備運行期間，氣隙中的SF6氣體的場強超過SF6氣體的最高允許值，引起放電現象。

3 結 語

本文通過對某電站GIL局放信號分析，采用特高頻時差法對局放源進行定位，對GIL管路外殼開孔確認，局放產生的原因為柱形絕緣子尾端金屬觸針彈簧失效而無法與GIL外殼有效接觸而出現氣隙。通過檢查結果并對產生此種現象的原因及支柱絕緣子結構進行分析，得出如下結論：

1)GIL設備中柱形絕緣子尾端與金屬外殼接觸不良會發生較強的局部放電，局放信號在GIL管路中較在GIS中衰減小，信號在GIL管路中傳輸距離可達400 m以上，在GIS中傳輸距離可達200 m；

2)GIL運行時溫度變化導致母線伸縮，絕緣子在管路外殼內滑動。金屬觸針滑動不應產生金屬微粒外，應考慮采用低摩擦系數的材質、形狀(如選用滾珠)金屬觸針，以減少支柱絕緣子與管路外殼相對滑動時觸針摩擦力；

3)根據設備故障情況，支柱絕緣子金屬頂針與彈簧設置方式可進一步優化，可調整彈簧與觸針接觸結構(如采取觸針與彈簧接觸面為內凹槽的固定方式或減小彈簧孔內徑)，也可將螺旋彈簧調整為片式彈簧等措施，避免彈簧失效故障的出現。