趙 科， 王靜君， 劉 通， 何 攀

(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

直流GIL絕緣設(shè)計(jì)及局部放電檢測(cè)研究進(jìn)展

趙 科， 王靜君， 劉 通， 何 攀

(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

氣體絕緣金屬封閉輸電線路(gas insulated line, GIL)在我國(guó)輸電系統(tǒng)中占有越來(lái)越重的比例，推廣使用直流GIL對(duì)于完善現(xiàn)有直流輸電方式具有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)效益。與交流GIL相比，直流GIL研究的技術(shù)難點(diǎn)和差異主要在于絕緣方面。研究直流GIL絕緣問(wèn)題能夠指導(dǎo)其運(yùn)行維護(hù)并對(duì)其進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。文中從直流GIL整體絕緣設(shè)計(jì)和GIL內(nèi)部局部放電檢測(cè)兩個(gè)方面，梳理和介紹了國(guó)內(nèi)外對(duì)交直流GIL各方面的研究情況，為針對(duì)直流GIL絕緣問(wèn)題的后續(xù)研究提供了參考和借鑒。

氣體絕緣封閉輸電線路； 直流； 絕緣設(shè)計(jì)；局部放電

0 引言

氣體絕緣金屬封閉輸電線路(gas insulated line, GIL)作為一種新型的輸電方式，具有輸送容量大、傳輸損耗小、安全性能高、對(duì)環(huán)境破壞小等優(yōu)點(diǎn)，在特殊地理環(huán)境及大容量遠(yuǎn)距離輸電領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1，2]。

現(xiàn)有GIL的應(yīng)用仍主要限制于交流輸電領(lǐng)域，考慮到GIL的諸多技術(shù)優(yōu)點(diǎn)和直流輸電的快速發(fā)展，推廣直流GIL在輸電領(lǐng)域的應(yīng)用將能夠帶來(lái)很高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)直流GIL的研究集中于其絕緣問(wèn)題，較多的是對(duì)直流GIL的絕緣性能設(shè)計(jì)和充入氣體SF6的成分比例等研究[4-6]。這些研究通常借鑒了交流GIL和氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(gas insulated switchgear, GIS)相關(guān)方面的研究方法和思路，取得了一定的研究成果。文中從直流GIL整體絕緣設(shè)計(jì)和GIL內(nèi)部的局部放電2個(gè)大方面，梳理和介紹了現(xiàn)有的研究成果。

1 直流GIL的絕緣設(shè)計(jì)研究

1.1 直流絕緣件設(shè)計(jì)

直流GIL絕緣設(shè)計(jì)的目的是將沿面閃絡(luò)電壓提高到氣體間隙擊穿電壓的水平，使絕緣的擊穿在氣體介質(zhì)中發(fā)生，而不是沿絕緣子表面發(fā)生。

典型的GIL單元化結(jié)構(gòu)示意圖[7]如圖1所示。導(dǎo)電桿為中空結(jié)構(gòu)，和外圍圓筒共同構(gòu)成同軸的傳輸系統(tǒng)，導(dǎo)電桿和圓筒均使用鋁材。絕緣氣體使用20% SF6和80% N2的混合氣體，在保證絕緣強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，降低了成本并削弱了可能帶來(lái)的溫室效應(yīng)。對(duì)稱分布的支撐絕緣子由樹脂材料澆筑而成，起到電氣絕緣和機(jī)械支撐的作用。絕緣件通常由環(huán)氧樹脂和填料制成，目前最為常用的是氧化硅和氧化鋁，2種填料均可以在環(huán)氧樹脂模具成型時(shí)提供給絕緣件必要的機(jī)械強(qiáng)度。

圖1 GIL單元化結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of GIL structure

GIL內(nèi)部絕緣子有盆式絕緣子和支撐絕緣子2種。

(1) GIL盆式絕緣子一般采用內(nèi)置式，作用為氣室隔離，既可利用殼體連接法蘭進(jìn)行封裝，也可在殼體內(nèi)部設(shè)計(jì)專用法蘭對(duì)其進(jìn)行安裝，見圖2。

圖2 內(nèi)置盆式絕緣子設(shè)計(jì)Fig.2 Design of built-in insulating plate insulator

(2) 支撐絕緣子主要采用三柱式、單柱式，主要作用為支撐導(dǎo)體，如圖3和圖4所示。三柱絕緣子，用于長(zhǎng)距離導(dǎo)體的支撐，滑動(dòng)式三柱式絕緣子頂部支腳與外殼內(nèi)壁采用彈性觸頭等電位連接，底部的兩個(gè)支腳采用滾珠設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)可以補(bǔ)償導(dǎo)體由于熱膨脹沿外殼內(nèi)壁的滑動(dòng)；單柱式絕緣子用于短距離導(dǎo)體的支撐，滑動(dòng)式單柱式絕緣子通過(guò)設(shè)置滑動(dòng)觸頭來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體的熱膨脹補(bǔ)償。

本文介紹的是基于BGP的域間二維路由設(shè)計(jì)方案，它可以利用路徑屬性（如本地優(yōu)先級(jí)和多出口分辨器）實(shí)現(xiàn)二維路由策略。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，域間二維路由為所有可達(dá)的目的地址前綴設(shè)置一套默認(rèn)的路徑屬性，然后再為<目的地址前綴，源地址前綴> 這樣的前綴對(duì)兒設(shè)置專門的路徑屬性，這種設(shè)置只作用于對(duì)應(yīng)的前綴對(duì)兒，這樣就可以生成一條區(qū)別于默認(rèn)方式的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。目的地址前綴，源地址前綴

圖3 單柱式支撐絕緣子設(shè)計(jì)Fig.3 Design of single-pole support insulator

圖4 三柱式支撐絕緣子設(shè)計(jì)Fig.4 Design of three-pole support insulator

在直流電壓作用下，絕緣件的形狀及表面形態(tài)對(duì)GIL內(nèi)部電場(chǎng)的分布有很大影響。

經(jīng)過(guò)研究[1,2]，綜合絕緣子的直流電壓、操作沖擊電壓和雷電沖擊電壓的耐受水平，比較了多種形式絕緣子的表面場(chǎng)強(qiáng)，如圖5所示。由圖5可以看出半圓錐形盆式絕緣子對(duì)絕緣件表面的電荷積聚抑制效果最好，因此在優(yōu)化直流絕緣子外形結(jié)構(gòu)時(shí)，多選用半圓錐形盆式絕緣子。各種絕緣件的應(yīng)用及主要功能如表1所示。

圖5 不同盆式絕緣子表面場(chǎng)強(qiáng)分布Fig.5 Surface field strength distribution of different basin insulators

絕緣子型式應(yīng)用場(chǎng)景主要功能盤形盆式絕緣子交流GIL圓錐形盆式絕緣子交流GIL半圓錐形盆式絕緣子直流GIL絕緣支撐氣室隔離三柱式絕緣子單柱式絕緣子交/直流GIL絕緣支撐

1.2 GIL微粒陷阱設(shè)計(jì)

在GIL中，金屬導(dǎo)電微粒附著在電極表面是普遍存在的現(xiàn)象。金屬導(dǎo)電微粒在垂直的靜電力和電場(chǎng)力作用下，對(duì)GIL的絕緣危害很大。

常用的GIL微粒陷阱為柵格狀或孔篩狀，與殼體間會(huì)形成低場(chǎng)強(qiáng)區(qū)并在底部設(shè)粘性物質(zhì)，當(dāng)金屬微粒在電場(chǎng)力作用下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，到達(dá)微粒陷阱位置后便會(huì)掉入陷阱而被捕獲；微粒陷阱與盆式和柱式絕緣子配合安裝，并置于絕緣子殼體側(cè)，可以有效捕獲GIL內(nèi)部金屬微粒，圖6為微粒陷阱和三柱式絕緣子組合安裝圖。

圖6 微粒陷阱結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Sketch of particle trap structure

1.3 絕緣性能影響因素

直流GIL的絕緣性能受2個(gè)因素影響：充入SF6或SF6和N2混合氣體間隙的絕緣強(qiáng)度，以及支柱絕緣子閃絡(luò)特性。

針對(duì)SF6氣體間隙的絕緣強(qiáng)度已有很多研究。研究結(jié)果表明，最優(yōu)的電場(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為外殼與內(nèi)導(dǎo)體同軸圓柱同心布置[8]。同軸圓柱電極與圓柱平板電極的外形結(jié)構(gòu)和電場(chǎng)分布相似，在絕緣子外形結(jié)構(gòu)優(yōu)化和金屬導(dǎo)電微粒抑制的相關(guān)試驗(yàn)中，可用帶絕緣子的圓柱平板電極替代帶絕緣子的同軸圓柱電極。直流電壓下的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)具有極性效應(yīng)，并隨著氣壓的增大而變得更加明顯；直流GIL的絕緣水平取決于負(fù)極性直流電壓。對(duì)于理想的同軸圓柱電極，直流臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)估算為：

(1)

式(1)中：p為SF6氣體的壓力，MPa；r為同軸結(jié)構(gòu)內(nèi)導(dǎo)體的外半徑，cm。

對(duì)于SF6和N2混合氣體，可以通過(guò)試驗(yàn)對(duì)式(1)進(jìn)行系數(shù)校正，獲取滿足工程使用需求的計(jì)算公式。

對(duì)支柱絕緣子的閃絡(luò)特性研究表明，GIL支柱絕緣的閃絡(luò)特性主要受表面聚集電荷和自由導(dǎo)電金屬微粒影響。

直流GIL絕緣子表面存在電場(chǎng)的法向分量，當(dāng)施加一定長(zhǎng)時(shí)間的直流電壓后，絕緣子表面電荷會(huì)發(fā)生聚集并導(dǎo)致表面電場(chǎng)畸變，絕緣子表面可能發(fā)生沿面放電[9]。在電壓極性發(fā)生改變時(shí)，電荷聚集對(duì)絕緣子表面放電的影響更加明顯。已有的研究發(fā)現(xiàn)：所加直流電壓的大小、極性和作用時(shí)間能影響絕緣子表面電荷的分布。在負(fù)極性電壓作用下，絕緣子表面分布著負(fù)電荷，在正極性電壓作用下，絕緣子表面除分布正電荷以外，還有負(fù)電荷；兩種情況下負(fù)電荷要多于正電荷，負(fù)電荷更易積聚于絕緣子表面。根據(jù)SF6中電荷積聚的規(guī)律可以推斷，與所加電壓極性相反的電荷將增大絕緣子表面與電極之間的場(chǎng)強(qiáng)，因此在直流電壓持續(xù)作用下，電荷積聚到一定程度將直接導(dǎo)致絕緣子閃絡(luò)。

自由導(dǎo)電金屬微粒對(duì)GIL絕緣也有顯著影響[10，11]。在GIL中，由于機(jī)械摩擦和組裝加工遺漏等原因，導(dǎo)致金屬導(dǎo)電微粒附著在電極表面的現(xiàn)象是普遍存在的。金屬微粒附著在電極表面或絕緣表面時(shí)有以下3種帶電機(jī)理：通過(guò)導(dǎo)體或覆膜介質(zhì)傳導(dǎo)帶電、微粒與覆膜電極間的微放電和微粒尖端電暈放電。由于絕緣子表面電荷聚集導(dǎo)致電場(chǎng)畸變，在絕緣子附近場(chǎng)強(qiáng)集中，自由導(dǎo)電微粒將附著在絕緣子表面。附著在絕緣子表面的金屬微粒直接成為了絕緣子的閃絡(luò)途徑，縮短了沿面放電的路徑，極大地降低了絕緣子的閃絡(luò)電壓。

綜合影響直流GIL的絕緣性能的2個(gè)因素，通常沿面閃絡(luò)電壓要遠(yuǎn)低于氣體間隙的擊穿電壓。因此，直流GIL的絕緣設(shè)計(jì)目標(biāo)是提高絕緣子沿面閃絡(luò)電壓，使絕緣擊穿發(fā)生在氣體介質(zhì)中，而不是發(fā)生在絕緣子表面。目前，針對(duì)GIL采用的措施主要是：優(yōu)化絕緣子外形并進(jìn)行表面覆膜處理，減少表面電荷的聚集；設(shè)計(jì)微粒陷阱和驅(qū)趕電極對(duì)自由金屬導(dǎo)電微粒進(jìn)行捕捉，消除自由導(dǎo)電金屬顆粒帶來(lái)的不良影響。

2 直流GIL的局部放電檢測(cè)研究

電氣設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中長(zhǎng)期受工作電壓電流的作用，將導(dǎo)致絕緣材料發(fā)生局部擊穿，造成局部破壞。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，被擊穿的絕緣結(jié)構(gòu)可能逐步擴(kuò)大，并最終導(dǎo)致設(shè)備絕緣失效。直流GIL在運(yùn)行過(guò)程中同樣存在絕緣失效問(wèn)題，其中，由于表面電荷積聚和其他缺陷引起的局部放電是引發(fā)電老化的一個(gè)重要因素。通過(guò)對(duì)直流GIL局部放電的檢測(cè)，能夠保障其運(yùn)行的安全性并預(yù)測(cè)其使用壽命[12，13]。

造成GIL局部放電的主要原因是設(shè)備中存在缺陷，包括接觸不良、金屬微粒、絕緣子缺陷等，以及直流電壓作用下表面電荷的積聚。由于GIL與GIS設(shè)備中的管道母線非常相似，研究GIL的局部放電檢測(cè)問(wèn)題可以借鑒國(guó)內(nèi)外對(duì)GIS局部放電的已有研究情況。

對(duì)GIS局部放電檢測(cè)的技術(shù)主要有光學(xué)法、聲測(cè)法、化學(xué)法等非電氣測(cè)試法和電氣測(cè)試法[14-17]。非電氣測(cè)試法的應(yīng)用都有較大的局限性，如：光學(xué)檢測(cè)法適用于已知點(diǎn)的局部放電檢測(cè)，不適用于未知放電地點(diǎn)的情況；化學(xué)檢測(cè)法耗費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，檢測(cè)結(jié)果有一定的滯后性；聲學(xué)檢測(cè)法由于聲波傳播方式復(fù)雜，衰減程度大，也不適用于常規(guī)檢測(cè)。電氣測(cè)試法包括耦合電容法、地線電流法、外被電極法等，這幾種方法對(duì)傳感器的要求均較高，且易受外界干擾。目前常用的特高頻法(ultra high frequency, UHF)，其原理是測(cè)量局部放電時(shí)電荷中和產(chǎn)生的上升沿較陡的脈沖電流向四周輻射的電磁波，如圖7所示。常用的電磁波傳感器(天線)有內(nèi)設(shè)傳感器、盆式絕緣子內(nèi)電極、GIL外殼外敷電極和外設(shè)天線等。特高頻法的測(cè)量頻率范圍足夠?qū)挘梢杂行?shí)現(xiàn)對(duì)噪聲的抑制，在GIS設(shè)備局部放電的檢測(cè)方面具有很高的準(zhǔn)確性，從原理上，可以推廣到GIL的局部放電檢測(cè)，這一觀點(diǎn)得到了文獻(xiàn)[18，19]的支持。

圖7 GIL局部放電體外UHF傳感原理圖Fig.7 UHF sensing outside of GIL partial discharge

在實(shí)際應(yīng)用中，需要檢測(cè)出局放信號(hào)的幅值和對(duì)局放信號(hào)進(jìn)行定位，對(duì)設(shè)備局部放電嚴(yán)重程度判斷，以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備局部放電情況的在線監(jiān)測(cè)。針對(duì)GIS局部放電的研究中，使用特高頻法和超聲定位相結(jié)合，確定局部放電位置，已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了較為準(zhǔn)確的放電定位[20]。此外，利用在實(shí)驗(yàn)室搭建的GIS設(shè)備局部放電缺陷發(fā)展試驗(yàn)平臺(tái)[21]，可以研究GIS設(shè)備絕緣子局部放電嚴(yán)重程度及其判斷依據(jù)。通過(guò)對(duì)視在放電量、特高頻、超聲波和紫外光等信號(hào)的綜合處理，判斷設(shè)備局部放電的嚴(yán)重程度。類似的診斷方法也可以推廣至GIL的設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)，預(yù)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)。

綜上所述，現(xiàn)有針對(duì)GIS的局部放電研究方法都可以推廣至GIL的相關(guān)研究中來(lái)。需要注意的是，交流條件下廣泛采用局部放電測(cè)量來(lái)判斷介質(zhì)絕緣情況，但直流條件下的應(yīng)用還較少[22]。這是由于直流情況下，電壓極性大小不變，不存在周期性的放電現(xiàn)象，因此檢測(cè)直流設(shè)備的局部放電現(xiàn)象更加困難。在具體的研究中，還需要考慮使用的檢測(cè)方法是否能夠甄別直流GIL中表面電荷反復(fù)積聚和中和過(guò)程造成的局部放電。

3 結(jié)語(yǔ)

GIL具有輸送容量大、布置靈活、對(duì)環(huán)境影響小、布置方式靈活等優(yōu)勢(shì)，在大容量直流輸電線路加速建設(shè)的背景下，直流GIL具有很強(qiáng)的推廣價(jià)值。

對(duì)于直流GIL的絕緣設(shè)計(jì)，類比于交流GIL，應(yīng)著重考慮絕緣子表面電荷積聚和自由導(dǎo)電金屬微粒的影響，提高絕緣子沿面閃絡(luò)電壓。對(duì)于直流GIL的局部放電檢測(cè)，類比GIS的局部放電檢測(cè)手段，通過(guò)特高頻法與其他測(cè)量手段的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)GIL局部放電的測(cè)量、定位和嚴(yán)重程度判斷。

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(編輯錢 悅)

A Review of Insulation Design and PartialDischarge Detection of DC Gas Insulated Line

ZHAO Ke, WANG Jingjun, LIU Tong, HE Pan

(State Grid Jiangsu Electric Power Company Research Institute， Nanjing 211103， China)

Gas insulated line (GIL) occupies an increasing proportion in the transmission system. The promotion of DC GIL can improve the existing DC transmission mode, and has a very strong economic benefits. Compared with AC GIL, the major technical difficulties and differences of DC GIL are insulation issues. Studies on DC GIL insulation issues are helpful to its operation, maintenance, and life prediction.Domestic and foreign researches on DC GIL are widely introduced from two aspects: the overall insulation design and internal partial discharge detection. It can provide a better cognition and reference for further study on DC GIL insulation problems.

gas insulted line; direct current; insulation design; partial discharge

趙 科

2017-04-28；

2017-06-05

TM854

：A

：2096-3203(2017)05-0098-05

趙 科(1985—)，男，江蘇無(wú)錫人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)镚IS、GIL現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)、局部放電檢測(cè)(E-mail：15105168884@163.com)；

王靜君(1982—)，男，江蘇無(wú)錫人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)镚IS、GIL現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)、局部放電檢測(cè)(E-mail：15105168881@163.com)；

劉 通(1990—)，男，陜西西安人，工程師，研究方向?yàn)镚IS、GIL現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)、局部放電檢測(cè)(E-mail：294092404@qq.com)；

何 攀(1989—)，男，湖北荊州人，助理工程師，研究方向?yàn)镚IS、GIL現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)、局部放電檢測(cè)(E-mail：15205158231@163.com)。