GIS導(dǎo)體接頭異常溫升問(wèn)題研究簡(jiǎn)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(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司 陳 曦

新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，華北電力大學(xué) 叢浩熹

GIS導(dǎo)體接頭異常溫升問(wèn)題研究簡(jiǎn)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(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司 陳 曦

新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jì)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體接頭異常溫升引起的故障問(wèn)題非常突出，基于此，本文作者通過(guò)跟蹤多起現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)GIS接頭異常溫升的特征及原因，并從實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建、接觸不良模型、檢測(cè)方法及評(píng)估算法等方面對(duì)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(shí)現(xiàn)GIS接頭異常溫升的檢測(cè)提供了一定的指導(dǎo)意義。

GIS；異常溫升；檢測(cè)；觸頭溫度；簡(jiǎn)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(diǎn)，近年來(lái)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(diǎn)，但是也帶來(lái)了一些不利的影響，諸如不方便檢修、不利于內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)等[4-6]。根據(jù)南方電網(wǎng)2010-2015年多起GIS故障統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體接頭異常溫升問(wèn)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(jì)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(duì)于GIS接頭異常溫升檢測(cè)方面尚缺乏有效的檢測(cè)手段。基于此，對(duì)GIS接頭過(guò)熱原因和檢測(cè)方法進(jìn)行研究具有重要意義。

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

1.GIS接頭過(guò)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(jì)。作者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(jì)

圖1 現(xiàn)場(chǎng)事故圖

現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)檢測(cè)方法研究現(xiàn)狀

目前對(duì)于GIS導(dǎo)體過(guò)熱現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法主要為回路電阻測(cè)試和紅外成像測(cè)試[7,8]，其中回路電阻測(cè)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(cè)試法具有非接觸、不停電的優(yōu)點(diǎn)，目前市場(chǎng)上的主流紅外成像儀測(cè)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(guò)紅外檢測(cè)，測(cè)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(shí)對(duì)于外殼溫度和導(dǎo)體溫度的相關(guān)性目前處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，尚沒(méi)有公認(rèn)的定論，主要是根據(jù)溫差來(lái)判斷內(nèi)部狀態(tài)，尚缺乏有效的診斷判據(jù)。

3.實(shí)驗(yàn)室研究現(xiàn)狀

實(shí)驗(yàn)室研究主要是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行出現(xiàn)的故障問(wèn)題進(jìn)行模型搭建，在實(shí)驗(yàn)室中重現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)方法，最終將研究成果應(yīng)用于運(yùn)行生產(chǎn)實(shí)際中。

圖2 實(shí)驗(yàn)室研究方案示意圖

如圖2所示，實(shí)驗(yàn)室研究主要包括GIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及接觸不良模型的搭建、檢測(cè)方法研究以及故障診斷方法研究幾個(gè)方面，其中實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建是是整個(gè)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(guò)算法模型驗(yàn)證得到的數(shù)據(jù)的合理性是落腳點(diǎn)，是最終研究的目標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于GIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建技術(shù)已較為成熟，但是對(duì)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(shí)驗(yàn)檢測(cè)方法主要有兩種：基于紅外輻射技術(shù)直接測(cè)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(chǎng)，事故發(fā)生后，故障部位往往都燒融了，只能夠通過(guò)觀察GIS內(nèi)部的故障現(xiàn)象和部分運(yùn)行數(shù)據(jù)，再根據(jù)專家的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)推斷故障原因。要實(shí)現(xiàn)GIS導(dǎo)體接觸不良的檢測(cè)，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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，目前國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)在這方面做了較多研究，已存在各個(gè)電壓等級(jí)的GIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，但是對(duì)于建立觸頭接觸不良的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停壳吧写嬖谳^大難度，已有的研究中基本上都是通過(guò)仿真來(lái)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(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，平臺(tái)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(shí)際的隔離開關(guān)觸頭進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，將紅外溫度傳感器安裝在GIS外殼外表面，探頭通過(guò)測(cè)量孔接收觸頭輻射出的紅外光波。對(duì)于GIS內(nèi)金屬導(dǎo)體由于經(jīng)過(guò)拋光處理，發(fā)射率非常低問(wèn)題，作者采用在待測(cè)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(cè)金屬表面發(fā)射率低的難題。對(duì)于SF6氣體吸收紅外光的問(wèn)題，研究了不同GIS濃度對(duì)紅外測(cè)溫結(jié)果的影響，并驗(yàn)證了可以通過(guò)調(diào)節(jié)紅外溫度傳感器的發(fā)射率來(lái)補(bǔ)償SF6氣體的吸收效應(yīng)。

文獻(xiàn)[10]針對(duì)無(wú)法直接對(duì)帶有屏蔽罩的GIS觸頭進(jìn)行測(cè)溫的問(wèn)題進(jìn)行了研究。作者通過(guò)建立GIS傳熱模型及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(cè)與擬合算法，通過(guò)直接測(cè)量屏蔽罩溫度而間接獲得觸頭部位溫度的方法。計(jì)算溫度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)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(cè)中，研制出相應(yīng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠有效監(jiān)測(cè)GIS 母線溫度及其變化趨勢(shì)。

4.檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)制定現(xiàn)狀

在生產(chǎn)實(shí)際中，標(biāo)準(zhǔn)是科學(xué)和經(jīng)驗(yàn)的結(jié)晶，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(shí)驗(yàn)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(yàn)的周期性項(xiàng)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(cè)溫儀（點(diǎn)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(duì)一種設(shè)備提出的。目前專門針對(duì)GIS導(dǎo)體過(guò)熱檢測(cè)方面的，暫時(shí)未見標(biāo)準(zhǔn)。

5.結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

通過(guò)整個(gè)綜述，目前關(guān)于GIS設(shè)備導(dǎo)體接頭過(guò)熱研究具有如下結(jié)論：（1）目前對(duì)GIS設(shè)備觸頭溫度監(jiān)測(cè)還處于理論研究階段，紅外輻射、紅外熱診斷和光纖光柵測(cè)溫三種方法具有很好的應(yīng)用前景。（2）對(duì)于紅外熱診斷，需要健全GIS導(dǎo)熱模型，對(duì)GIS導(dǎo)熱方面的問(wèn)題進(jìn)行深入研究。對(duì)于光纖光柵測(cè)溫，直接測(cè)溫需尋找光纖光柵的植入方式并深入研究其對(duì)設(shè)備絕緣影響；而間接測(cè)溫的主要研究方向?yàn)闇y(cè)溫點(diǎn)的選取及測(cè)溫點(diǎn)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(guò)熱事故，目前正在開展如下研究工作：

設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(gè)傳感器載體放置測(cè)試點(diǎn)若干處，通過(guò)澆注絕緣板引線，外殼位置設(shè)測(cè)試點(diǎn)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(cè)試回路電阻并進(jìn)行溫升試驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中確保無(wú)陽(yáng)光直射GIS殼體。通過(guò)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(yàn)方案示意圖

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