馬榮亮，楊樹(shù)鋒，翁利聽(tīng)

(中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司溪洛渡電廠，云南 昭通 657300)

近年來(lái)氣體絕緣金屬封閉輸電線路(Gas Insulated Transmission Lines，簡(jiǎn)稱GIL)在大型水電站、升壓站、高壓電網(wǎng)中的應(yīng)用不斷增加。GIL具有環(huán)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(hù)費(fèi)用少、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，同時(shí)GIL金屬封閉的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，導(dǎo)致其內(nèi)部故障或缺陷隱患難以發(fā)現(xiàn)，又因GIL設(shè)備輸送容量大，設(shè)備故障后對(duì)電站輸送或電網(wǎng)影響較大。因此需要采用各種監(jiān)測(cè)方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)，及時(shí)判斷評(píng)估并消除設(shè)備故障隱患。

目前GIL上普遍配置的特高頻局放監(jiān)測(cè)設(shè)備是設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)重要手段之一，特高頻 (ul-tra-high frequency，簡(jiǎn)稱UHF)法是利用裝設(shè)在GIL管路內(nèi)部或外部的天線傳感器接收局部放電激發(fā)并傳播的300～3000 MHz頻段的UHF信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和分析[3-4]。主要定位方法有幅值比較法、時(shí)差法、定相法、三維空間定位法等[5-6]。

本文結(jié)合某電站GIL非連續(xù)的局放信號(hào)排查及故障處理情況，綜合利用幅值比較與時(shí)差法對(duì)局放信號(hào)定位，并對(duì)局放信號(hào)產(chǎn)生的原因及過(guò)程進(jìn)行了深入分析并提出設(shè)備結(jié)構(gòu)改進(jìn)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(shè)備通過(guò)GIL接入電網(wǎng)架空線，GIS/GIL設(shè)備上安裝有特高頻局放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。2021年初，電站GIS/GIL局放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)13處傳感器檢測(cè)到局部放電信號(hào)，信號(hào)覆蓋1回約480 m長(zhǎng)度的GIL管路、2串共7臺(tái)斷路器及75 m母線的GIS設(shè)備。

根據(jù)局放信號(hào)的特點(diǎn)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)判斷放電類型為懸浮類放電。信號(hào)自出現(xiàn)后一直存在，呈現(xiàn)非持續(xù)性特點(diǎn)，放電間隔幾十秒至幾分鐘不等，每次出現(xiàn)放電持續(xù)0.1～0.2 s不等。監(jiān)測(cè)到的典型放電圖譜如圖1所示。

圖1 局放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄的放電信號(hào)圖像

由于局放在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)法判斷局放源位置，在排除熒光燈、風(fēng)機(jī)、無(wú)線電信號(hào)等干擾因素后，根據(jù)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)記錄情況，通過(guò)GIS對(duì)分區(qū)域停電排查后，確認(rèn)信號(hào)位于GIS/GIL線路B相，傳感器編號(hào)26B至45B之間。

此段GIL、GIS設(shè)備結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)分支結(jié)構(gòu)，先采用幅值比較法，幅值大小可進(jìn)行初步的快速比較，迅速判斷局放源方向。但信號(hào)幅值相差不大，幅值比較法準(zhǔn)確率較低，僅作為初步判斷的參考。將2個(gè)傳感器分別接入檢測(cè)通道1和通道2，當(dāng)檢測(cè)通道2信號(hào)明顯大于通道1信號(hào)，通過(guò)幅值比較法可判斷局放源更加靠近通道2處。

由于非持續(xù)性信號(hào)效率較低，通過(guò)調(diào)整儀器信號(hào)檢測(cè)觸發(fā)為突變監(jiān)視，當(dāng)信號(hào)超過(guò)設(shè)置的閾值時(shí)進(jìn)行采樣，采集原始脈沖信號(hào)(見(jiàn)圖2)。進(jìn)一步采用時(shí)差法對(duì)局放源定位，檢測(cè)儀器共接入3個(gè)通道信號(hào)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)傳感器布置及儀器采集到的信號(hào)時(shí)間，可知信號(hào)位于圖3示通道1、通道2傳感器之間。通過(guò)2個(gè)信號(hào)傳感器所接收的2個(gè)信號(hào)時(shí)間差進(jìn)行分析，可準(zhǔn)確判斷局放源方向并精確定位局放源位置。

圖2 系統(tǒng)采集的原始局放脈沖信號(hào)圖

根據(jù)采集的局放脈沖信號(hào)分析，通道2與通道3信號(hào)時(shí)差約為10-8s，折算距離約為3 m，與通道2、3傳感器之間實(shí)際距離18.8 m相差較多。說(shuō)明該放電源位于通道2與通道3之間。采用時(shí)差法可計(jì)算出局部放電源到達(dá)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(gè)傳感器距離；t為2個(gè)傳感器收到信號(hào)的時(shí)差，單位為nS即10-9s。

通過(guò)對(duì)局放信號(hào)進(jìn)行時(shí)差計(jì)算局放源位于通道3(見(jiàn)圖3)所接測(cè)點(diǎn)8 m的位置，結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)，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(duì)GIL進(jìn)行開(kāi)孔檢查，確認(rèn)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(jiàn)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(guò)對(duì)比正常絕緣子與故障絕緣子尾端(見(jiàn)圖5)可知，故障絕緣子頂針內(nèi)彈簧端頭卡入觸針安裝孔，導(dǎo)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(duì)比圖

2 局放成因分析

由于GIL的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(huán)氧樹(shù)脂澆注而成，絕緣子底部設(shè)計(jì)有彈簧，銅觸針，金屬底板和特氟龍墊片(見(jiàn)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(dǎo)電管路與外殼均為鋁合金材料，在無(wú)約束的條件下(自由狀態(tài))，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(wú)膨脹、收縮，存在應(yīng)力。GIL熱伸縮與負(fù)荷電流之間具有非線性關(guān)系，隨著負(fù)荷電流的增大，GIL熱伸縮逐漸增大，且導(dǎo)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(huán)境溫度具有近似線性關(guān)系，環(huán)境溫度增大過(guò)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(shù)；ΔT為管路溫升；L為管路長(zhǎng)度。

設(shè)備運(yùn)行期間，GIL導(dǎo)體與管路外殼間溫度存在較大差值，根據(jù)，同時(shí)考慮管路外殼固定與伸縮節(jié)等結(jié)構(gòu)設(shè)置與導(dǎo)體固定點(diǎn)、導(dǎo)體連接方式等的差異，管路外殼與導(dǎo)體伸縮存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)[10-11]。即支柱絕緣子端部與GIL外殼內(nèi)表面有相對(duì)滑動(dòng)。每天導(dǎo)體隨著電流的變化會(huì)有一定量的熱致伸縮，根據(jù)支柱絕緣子安裝位置距離導(dǎo)體固定點(diǎn)間的距離約為8 m，可計(jì)算出導(dǎo)體在不同的電流情況支柱絕緣子的沿管路軸向滑動(dòng)位移量約為1.5～3.0 mm。

2.2 運(yùn)行時(shí)電動(dòng)力影響分析

在設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，三相回路中電流產(chǎn)生電場(chǎng)對(duì)于導(dǎo)體將產(chǎn)生機(jī)械力。該力能通過(guò)安培定理，電場(chǎng)感應(yīng)和電場(chǎng)力變化如下所示[12]。

(3)

式中：l為導(dǎo)體長(zhǎng)度；a為導(dǎo)電間距；μ0為磁導(dǎo)率。

GIL設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的管道(內(nèi)部導(dǎo)體和外部外殼)將受到頻率為100 Hz的電動(dòng)力。在GIL內(nèi)部導(dǎo)體被外殼封閉后，在封閉外殼周圍也將時(shí)不時(shí)產(chǎn)生電流通過(guò)。在外殼以外的電場(chǎng)已經(jīng)減低。通過(guò)計(jì)算，GIL導(dǎo)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(fā)設(shè)備振動(dòng)，GIL運(yùn)行時(shí)的電動(dòng)力不是引發(fā)支柱絕緣子內(nèi)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(guò)程：GIL長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程中，隨著GIL運(yùn)行電流的大小，導(dǎo)體損耗發(fā)熱隨之變化，從而會(huì)產(chǎn)生熱致伸縮，支柱絕緣子會(huì)發(fā)生平行于導(dǎo)體管路的滑動(dòng)。在幾年的滑動(dòng)后銅觸針端面磨損導(dǎo)致與管路外殼的摩擦力增大。在絕緣子滑動(dòng)過(guò)程中因摩擦阻力，銅觸針發(fā)生傾斜。同時(shí)銅觸針后端彈簧性能降低，彈簧末端產(chǎn)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(wú)法與GIL外殼有效接觸而出現(xiàn)氣隙，金屬嵌件處于懸浮狀態(tài)。絕緣子材料環(huán)氧樹(shù)脂的介電常數(shù)為SF6氣體介電常數(shù)的5倍，則氣隙中電場(chǎng)強(qiáng)度為絕緣子的5倍，GIL設(shè)備運(yùn)行期間，氣隙中的SF6氣體的場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)SF6氣體的最高允許值，引起放電現(xiàn)象。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)某電站GIL局放信號(hào)分析，采用特高頻時(shí)差法對(duì)局放源進(jìn)行定位，對(duì)GIL管路外殼開(kāi)孔確認(rèn)，局放產(chǎn)生的原因?yàn)橹谓^緣子尾端金屬觸針彈簧失效而無(wú)法與GIL外殼有效接觸而出現(xiàn)氣隙。通過(guò)檢查結(jié)果并對(duì)產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因及支柱絕緣子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

1)GIL設(shè)備中柱形絕緣子尾端與金屬外殼接觸不良會(huì)發(fā)生較強(qiáng)的局部放電，局放信號(hào)在GIL管路中較在GIS中衰減小，信號(hào)在GIL管路中傳輸距離可達(dá)400 m以上，在GIS中傳輸距離可達(dá)200 m；

2)GIL運(yùn)行時(shí)溫度變化導(dǎo)致母線伸縮，絕緣子在管路外殼內(nèi)滑動(dòng)。金屬觸針滑動(dòng)不應(yīng)產(chǎn)生金屬微粒外，應(yīng)考慮采用低摩擦系數(shù)的材質(zhì)、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(duì)滑動(dòng)時(shí)觸針摩擦力；

3)根據(jù)設(shè)備故障情況，支柱絕緣子金屬頂針與彈簧設(shè)置方式可進(jìn)一步優(yōu)化，可調(diào)整彈簧與觸針接觸結(jié)構(gòu)(如采取觸針與彈簧接觸面為內(nèi)凹槽的固定方式或減小彈簧孔內(nèi)徑)，也可將螺旋彈簧調(diào)整為片式彈簧等措施，避免彈簧失效故障的出現(xiàn)。