南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 金 虎 彭在興 王 頌 袁 耀 程建偉

中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司 陳 曦

新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，華北電力大學(xué) 叢浩熹

GIS導(dǎo)體接頭異常溫升問題研究簡述

南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 金 虎 彭在興 王 頌 袁 耀 程建偉

中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司 陳 曦

新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，華北電力大學(xué) 叢浩熹

SF6氣體絕緣組合電器（gas insulated switchgear,GIS）是重要的電氣設(shè)備，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛。但是根據(jù)南方電網(wǎng)近幾年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體接頭異常溫升引起的故障問題非常突出，基于此，本文作者通過跟蹤多起現(xiàn)場GIS接頭異常溫升事故及調(diào)研目前研究成果，總結(jié)了現(xiàn)場GIS接頭異常溫升的特征及原因，并從實驗平臺搭建、接觸不良模型、檢測方法及評估算法等方面對目前已有研究成果進(jìn)行了綜述，最后進(jìn)行了總結(jié)，為進(jìn)一步實現(xiàn)GIS接頭異常溫升的檢測提供了一定的指導(dǎo)意義。

GIS；異常溫升；檢測；觸頭溫度；簡述

0.引言

SF6氣體絕緣組合電器（gas insulated switchgear,GIS）由于其占地面積小、受大氣環(huán)境影響小等優(yōu)點，近年來在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。其密封結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點，但是也帶來了一些不利的影響，諸如不方便檢修、不利于內(nèi)部運行狀態(tài)的檢測等[4-6]。根據(jù)南方電網(wǎng)2010-2015年多起GIS故障統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體接頭異常溫升問題在所有故障原因中位列第2位，其中僅2015年就發(fā)生5起，占全年GIS故障數(shù)量的50%，進(jìn)一步統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，異常溫升主要發(fā)生在母線接頭、分支母線接頭和隔離開關(guān)接頭位置，而目前對于GIS接頭異常溫升檢測方面尚缺乏有效的檢測手段。基于此，對GIS接頭過熱原因和檢測方法進(jìn)行研究具有重要意義。

作者通過跟蹤多起現(xiàn)場GIS接頭異常溫升事故及調(diào)研目前研究成果，通過分析總結(jié)現(xiàn)場GIS接頭異常溫升的特征及原因，同時通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)及和部分高校進(jìn)行交流，對其研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，包括GIS實驗平臺的搭建、觸頭接觸不良模型的模擬和仿真、檢測方法的研究以及檢測結(jié)果的評估。該綜述旨在更好的掌握目前存在的問題和需要進(jìn)一步解決的問題，為解決GIS導(dǎo)體接頭過熱故障提供了一定的參考作用。

1.GIS接頭過熱故障特征及原因

表1是南方電網(wǎng)2015年度發(fā)生的5起GIS接頭異常溫升故障統(tǒng)計。作者通過現(xiàn)場典型事故案例跟蹤獲取了典型的故障特征，如圖1所示。

表1 2015年南方電網(wǎng)GIS接頭異常溫升故障統(tǒng)計

圖1 現(xiàn)場事故圖

現(xiàn)場故障主要特征如下：

（1）接頭處有燒融的現(xiàn)象，甚至有些連接螺母完全融化；

（2）有熏黑的跡象，腔體內(nèi)部有大量的分解及二次生產(chǎn)物，呈粉末狀。

2.現(xiàn)場檢測方法研究現(xiàn)狀

目前對于GIS導(dǎo)體過熱現(xiàn)場檢測方法主要為回路電阻測試和紅外成像測試[7,8]，其中回路電阻測試需要停電，而且該方法并不能反映接觸不良的具體位置，紅外成像測試法具有非接觸、不停電的優(yōu)點，目前市場上的主流紅外成像儀測試波段為8~14um，但是絕大多數(shù)紅外成像儀的分辨率和精確度不能夠滿足要求。

由于GIS的封閉結(jié)構(gòu)，通過紅外檢測，測試的只是外殼溫度，而外殼溫度受日照，環(huán)境溫度等影響較大，同時對于外殼溫度和導(dǎo)體溫度的相關(guān)性目前處于實驗室研究階段，尚沒有公認(rèn)的定論，主要是根據(jù)溫差來判斷內(nèi)部狀態(tài)，尚缺乏有效的診斷判據(jù)。

3.實驗室研究現(xiàn)狀

實驗室研究主要是針對現(xiàn)場運行出現(xiàn)的故障問題進(jìn)行模型搭建，在實驗室中重現(xiàn)現(xiàn)場故障特征，從而探索造成GIS接觸不良故障的原因和機(jī)理，并根據(jù)其特征開發(fā)出相應(yīng)的檢測方法，最終將研究成果應(yīng)用于運行生產(chǎn)實際中。

圖2 實驗室研究方案示意圖

如圖2所示，實驗室研究主要包括GIS實驗平臺及接觸不良模型的搭建、檢測方法研究以及故障診斷方法研究幾個方面，其中實驗平臺搭建是是整個研究的基礎(chǔ)，而溫度參數(shù)的獲取是關(guān)鍵部分，其質(zhì)量好壞直接影響到后續(xù)分析，最終通過算法模型驗證得到的數(shù)據(jù)的合理性是落腳點，是最終研究的目標(biāo)。目前國內(nèi)外對于GIS實驗平臺的搭建技術(shù)已較為成熟，但是對于導(dǎo)體接觸不良模型的搭建尚處于探索階段，另外現(xiàn)有的實驗檢測方法主要有兩種：基于紅外輻射技術(shù)直接測量GIS導(dǎo)體接頭溫度和基于光纖光柵技術(shù)。

3.1 GIS導(dǎo)體接觸不良模型及仿真研究

由于在現(xiàn)場，事故發(fā)生后，故障部位往往都燒融了，只能夠通過觀察GIS內(nèi)部的故障現(xiàn)象和部分運行數(shù)據(jù)，再根據(jù)專家的運行經(jīng)驗來推斷故障原因。要實現(xiàn)GIS導(dǎo)體接觸不良的檢測，首先要研究其發(fā)熱機(jī)理。

要研究GIS導(dǎo)體接觸不良模型，首先需要搭建GIS實驗平臺，目前國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)在這方面做了較多研究，已存在各個電壓等級的GIS實驗平臺，但是對于建立觸頭接觸不良的實驗?zāi)Ｐ?，目前尚存在較大難度，已有的研究中基本上都是通過仿真來進(jìn)行研究。

3.2 基于紅外技術(shù)的GIS觸頭溫度研究進(jìn)展

文獻(xiàn)[9]首先搭建了GIS觸頭溫度檢測實驗平臺，平臺主要由126kV GIS設(shè)備、大電流發(fā)生器、紅外溫度傳感器等組成采用實際的隔離開關(guān)觸頭進(jìn)行模擬實驗，將紅外溫度傳感器安裝在GIS外殼外表面，探頭通過測量孔接收觸頭輻射出的紅外光波。對于GIS內(nèi)金屬導(dǎo)體由于經(jīng)過拋光處理，發(fā)射率非常低問題，作者采用在待測導(dǎo)體表面涂覆一種高輻射非金屬涂料的方法，解決了被測金屬表面發(fā)射率低的難題。對于SF6氣體吸收紅外光的問題，研究了不同GIS濃度對紅外測溫結(jié)果的影響，并驗證了可以通過調(diào)節(jié)紅外溫度傳感器的發(fā)射率來補(bǔ)償SF6氣體的吸收效應(yīng)。

文獻(xiàn)[10]針對無法直接對帶有屏蔽罩的GIS觸頭進(jìn)行測溫的問題進(jìn)行了研究。作者通過建立GIS傳熱模型及實驗驗證的方法獲得觸頭溫度與金屬屏蔽罩溫度之間的定量關(guān)系，提出了利用數(shù)據(jù)預(yù)測與擬合算法，通過直接測量屏蔽罩溫度而間接獲得觸頭部位溫度的方法。計算溫度與實驗結(jié)果對比表明該方法具有較高準(zhǔn)確度。

文獻(xiàn)[11]將光纖光柵傳感器應(yīng)用于GIS母線溫度監(jiān)測中，研制出相應(yīng)在線監(jiān)測系統(tǒng)，能夠有效監(jiān)測GIS 母線溫度及其變化趨勢。

4.檢測標(biāo)準(zhǔn)制定現(xiàn)狀

在生產(chǎn)實際中，標(biāo)準(zhǔn)是科學(xué)和經(jīng)驗的結(jié)晶，對于現(xiàn)場作業(yè)具有非常好的指導(dǎo)性。目前主要是DL/T664-2008《帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用規(guī)范》，該標(biāo)準(zhǔn)給出了使用紅外熱像儀檢測帶電設(shè)備的方法、儀器要求及相應(yīng)的缺陷判據(jù)，適用于具有電流、電壓致熱效應(yīng)的大部分輸變電設(shè)備。另外，廣東電網(wǎng)公司于2009年也制定了相應(yīng)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《帶電設(shè)備紅外診斷預(yù)防實驗作業(yè)指導(dǎo)書》，該作業(yè)指導(dǎo)書適用于電力設(shè)備預(yù)防性試驗的周期性項目中，使用紅外熱像儀進(jìn)行的帶電設(shè)備紅外診斷工作，但是不包括使用紅外測溫儀（點溫儀）進(jìn)行的工作。這些標(biāo)準(zhǔn)主要都是基于紅外熱像儀，并不是專門針對一種設(shè)備提出的。目前專門針對GIS導(dǎo)體過熱檢測方面的，暫時未見標(biāo)準(zhǔn)。

5.結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

通過整個綜述，目前關(guān)于GIS設(shè)備導(dǎo)體接頭過熱研究具有如下結(jié)論：（1）目前對GIS設(shè)備觸頭溫度監(jiān)測還處于理論研究階段，紅外輻射、紅外熱診斷和光纖光柵測溫三種方法具有很好的應(yīng)用前景。（2）對于紅外熱診斷，需要健全GIS導(dǎo)熱模型，對GIS導(dǎo)熱方面的問題進(jìn)行深入研究。對于光纖光柵測溫，直接測溫需尋找光纖光柵的植入方式并深入研究其對設(shè)備絕緣影響；而間接測溫的主要研究方向為測溫點的選取及測溫點和觸頭間溫度關(guān)系的研究。

5.2 展望

作者結(jié)合前人的研究和南方電網(wǎng)發(fā)生的典型的GIS導(dǎo)體接頭過熱事故，目前正在開展如下研究工作：

設(shè)計220kV設(shè)備主母線（三相共箱）約9m，中間設(shè)氣隔絕緣子2件，主母線長度方向取截面5~7處放置絕緣板，絕緣板作為傳感器載體，每個傳感器載體放置測試點若干處，通過澆注絕緣板引線，外殼位置設(shè)測試點多處；按導(dǎo)體固定螺釘?shù)臄Q緊力矩不同設(shè)檔模擬觸頭不同接觸情況，分別測試回路電阻并進(jìn)行溫升試驗；實驗中調(diào)節(jié)三相負(fù)荷電流大小模擬不同負(fù)荷電流下溫升情況；實驗中確保無陽光直射GIS殼體。通過該研究力圖找出GIS內(nèi)部異常發(fā)熱的有效預(yù)防措施。

圖3 試驗方案示意圖

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