基于溫度梯度法的GIS內部過熱試驗研究及應用

南方電網科學研究院有限責任公司 金 虎 彭在興 劉 凱 王 頌

中國南方電網有限責任公司 陳 曦

華北電力大學電氣與電子工程學院 叢浩熹

基于溫度梯度法的GIS內部過熱試驗研究及應用

南方電網科學研究院有限責任公司 金 虎 彭在興 劉 凱 王 頌

中國南方電網有限責任公司 陳 曦

華北電力大學電氣與電子工程學院 叢浩熹

氣體絕緣金屬封閉開關（Gas Insulated Switchgear, GIS）在電力系統中應用廣泛，其內部觸頭過熱會引發重大事故，因此研究過熱故障特性及檢測具有重要意義。本文根據設計的252kV GIS溫升實驗平臺， 通過模擬觸頭過熱，采用紅外成像儀獲取了其外殼溫度分布熱像圖，并將所提方法應用于現場，驗證了所提方法的科學性，本文研究成果對現場GIS運行維護工作具有一定的指導意義。

GIS；觸頭過熱；紅外成像法；應用

0.引言

隨著我國電力事業的大力發展，氣體絕緣金屬封閉開關（Gas Insulated Switchgear，GIS）由于占地面積小、受外界環境影響小，可靠性高等優點在南方電網得到了廣泛應用[1-3]。運行經驗表明，GIS內部觸頭在運行過程中會出現過熱現象，如果得不到及時處理，觸頭過熱會進一步導致GIS內部絕緣損壞，進而發生短路事故，給電網造成危害[4-6]。根據統計，南方電網近年來發生了多起GIS觸頭過熱引起的絕緣故障，而對于該類事故，采用常規的回路電阻測量，很難判斷GIS內部電接觸狀態。因此，開展GIS觸頭過熱故障模擬試驗研究并開展相應的檢測方法研究對于GIS過熱事故的預防具有重要意義。

本文設計了252kV GIS母線腔體溫升實驗平臺，分別研究了正常工況下和過熱故障下的溫升特性，并采用紅外成像儀對GIS外殼溫度進行了檢測。

1.正常工況下GIS觸頭溫升特性實驗研究

1.1 實驗平臺搭建及傳感器布置

實驗采用252kV GIS腔體，母線采用三相共箱結構，整個腔體長度為8.7m。整個試驗系統如圖1所示。

圖1 252 kV GIS實驗平臺

圖2 傳感器布置及編號

腔體中一共放置4塊紙板，紙板與導體保持垂直，由于傳感器眾多，而且出線多，所以編號對后續的數據整理顯得重要。如圖2所示，每塊紙板上放置4個傳感器，如編號1-4所示，同時在對應的3相導體分別放置傳感器，如圖A-C所示，按照此順序依次進行編號。

該試驗判斷溫升穩定原則為：1小時內溫升不超過1K。溫升穩定后才有紅外儀進行拍攝，溫升穩定后對應的紅外熱像圖如圖3所示。

圖3 正常下的紅外圖譜

研究表明，正常情況下，即使當電流為額定電流時，外殼溫度整體呈現上部高于下部且分布均勻，并未見局部過熱點（圖3最上面的是由于試驗端子處的特殊設計造成的，但是3相溫升依舊是均勻分布的）。

1.2 過熱工況下GIS觸頭溫升特性實驗研究

過熱試驗通過采用改造盆式絕緣子觸頭座和導桿連接部位，加入一個直徑為30mm的導桿，其材料為Q235，結構如下所示。

圖4 缺陷模擬

傳感器分別布置在導桿和外殼處，部分主要的傳感器布置如圖5所示。

圖5 傳感器布置圖

圖6 外殼紅外特征

如圖6所示，在500A的電流下，外殼存在一定的溫升，通過調整溫寬后，可以發現在GIS外殼上存在一定的溫度梯度分布。

1.3 2000A溫升結果

從圖7可見，對應GIS外殼溫升明顯，出現非常明顯的局部過熱點，并且從內到外按照明顯的溫度梯度分布。

圖7 外殼溫升圖譜

通過上述研究，可以發現存在內部過熱的時候，其對應外殼處存在一定的溫度梯度分布，雖然這個梯度很小，但是依舊可以根據這個特點進行內部過熱檢測，只是需要精度更高的紅外儀。

2.現場測試

2017年，某站220kV區域進行紅外測溫時發現刀閘氣室罐體溫度異常，為了進一步確認是否存在溫度異常，研究團隊對溫度異常情況進行了復測。對三相進行了整體檢測，如下圖所示。發現正常部位的三相最大溫差為0.5K，異常部位的三相最大溫差為1.4K，印證了局部過熱初測結果。

圖8 正常與異常部位溫度對比

為了確定溫度異常原因，對異常部位進行了精確的檢測，如圖所示。發現異常部位的溫度梯度大于正常部位，同時，對比正常部位和異常部位中的導流排、螺栓附近的溫度梯度分布，無明顯差異，排除異常發熱由GIS外殼環流發熱引起。針對上述檢測過程，重復了三次，結論一致。

圖9 溫度梯度對比

3.結論

（1）建立了三相共箱252kV GIS母線溫升實驗平臺，實驗分別獲得了正常工況下、過熱工況下的溫升特性，并獲取了對應外殼的紅外圖譜。結果表明，在正常工況下外殼沒有明顯的過熱特征，而在過熱下，外殼具有明顯的紅外過熱特征。試驗研究表明，在局部過熱處，沿著GIS外殼部位存在一定的溫度梯度，可以根據該溫度梯度進行內部過熱判斷。

（2）采用研究成果對現場異常情況進行檢測和排查，最終確定該了GIS設備存在內部過熱，進一步印證了該研究所提方法的科學性。

客觀上，由于GIS內部過熱診斷確實具有較大難度，上述研究獲取了一定的規律，為揭示GIS內部溫度場分布規律和確定溫度感知最靈敏位置提供一定的指導意義，在接下來的工作中該研究團隊會進一步結合現場進行深入分析。

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金虎（1986—），男，工程師，主要從事高壓開關故障監測方面的研究工作；

彭在興（1979—），男，工程師，主要從事高壓開關故障監測方面的研究工作。