青豫直流工程中1 000 kV GIL運行狀態的檢測研究

彭 勇，臧春艷，張 利，郭 果，曲 欣，王會琳，湯會增

（1.國網河南省電力公司超高壓公司，河南 鄭州 450000；2.武漢智能裝備工業技術研究院有限公司，湖北 武漢 430074；3.強電磁工程與新技術國家重點實驗室，湖北 武漢 430074）

0 引言

氣體絕緣金屬輸電線路GIL技術經過近半個世紀的發展，應用范圍廣泛。與現有的架空線和電纜相比較，GIL 具有許多顯著的優點：輸電傳輸容量特別大，最大電流可達8 000 A；熱能和電能損耗很少，節能效果好，無電磁干擾，輻射低，不影響無線通訊；防護性能好，維護量少，故障率極低，抗冰雪和地震等災害能力強，防火性能優良，安全可靠性高；使用壽命長，可高于一般輸電架空等線路1倍；占地面積小，可大量節約土地資源等。在GIL選型、設計、試驗和維修方面已有標準可循。GIL的電壓范圍廣，安裝方式多樣，在發電和輸電領域的應用廣泛，已成為歐美發達國家新建和換代項目的最佳選擇。目前，GIL 不僅是國外大型地下電站高壓引出線的首選方案，而且也是解決大城市的市區負荷不斷增長導致線路走廊緊張問題的優選方案，GIL 逐步替代原有常規架空輸電線路和電力電纜的步伐正在加快，節能環保的GIL 電力換代產品必將成為我國未來超高壓和特高壓電力傳輸的重要電力裝備［1-4］。

截止2020 年6 月，國家電網有限公司已經在蘇通管廊、河南南陽特高壓站建成1 000 kV GIL，設備總長度達到46 km，是華東、華中特高壓環網的重要節點。在特高壓換流站，500 kV 電壓等級的GIL 成為直流場與交流場連接的標準配置，已經建成并投運的GIL 總長度已經達到近百公里。其中，青豫直流配套落地工程特高壓南陽站交流1 000 kV 綜合管廊，是河南省內第1 條特高壓GIL［5-6］。該工程作為國家電網公司第1條地上GIL 管線形式，研究其設備安裝后的檢查及處理措施是十分有意義的。

1 特高壓南陽站1 000 kV GIL工程概況

青豫直流是全國乃至全世界首個可再生能源特高壓輸電項目，是落實中央“新基建”戰略的標志性工程。作為河南第二條入豫特高壓直流輸電工程，其換流站部分和變電站部分500 kV 交流系統通過6 根全長2 922 m的GIL綜合管廊連接。本工程1 000 kV GIL全長1 450 m，布置位于南陽變電站站內駐馬店1出線與變電站東側出線之間，沿站內圍墻布置。變電站站內駐馬店1出線側和東側駐馬店1出線側的具體布置，分別如圖1（a）和圖1（b）所示。

圖1 南陽站GIL布置Fig.1 GIL layout of Nanyang station

豫陽I線GIL采用單相式母線結構，型號為GXL3-1100 型，共有98 個GIL 單元、24 個GIS 單元以及36 個氣室，充SF6氣體合計35.7 t。其中，GIL最大氣室長度為90 m，氣室兩端各有一個DN40接頭，可以保證最大隔室滿足不多于兩臺氣體回收裝置在8 h內能夠回收完畢要求。采用隔板將GIL 及其成套設備劃分若干隔室，每個隔室配備充氣逆止閥接頭及SF6密度繼電器。此外，套管、檢修接地開關、電流互感器單獨設置氣室。

本工程GIL布置有兩段較長的直線布置。考慮到環境溫度變化引起的熱脹冷縮變化、殼體制造誤差等因素，設置了45 m 長度補償段單元，其組成包括直線型GIL 母線、直管壓力平衡型伸縮節、固定支架、滑動支架，同時在轉角處也設置補償單元，其組成包括直線型GIL 母線、90°轉角型GIL 母線，鉸鏈伸縮節、固定支架、滑動支架。

本工程的GIL設備觸頭具備6 930 A的通流能力，可以實現不小于±3°的角度補償，即可以實現GIL小角度轉角誤差補償、徑向角度補償等要求。標準18 m GIL 母線內觸頭的軸向伸縮量設計值為±40 mm，在滿足通流能力前提下具備15 000次機械壽命。1 000 kV GIL的法蘭密封結構具體分為法蘭密封結構和隔盆密封結構，兩種密封結構均采用了雙密封。

GIL設備現場構架如圖2所示。

圖2 青豫直流1 100 kV GIL設備（南陽站）Fig.2 Qinghai-Henan DC 1 100 kV GIL equipment(Nanyang station)

2 GIL設備運行狀態檢測

隨著直流輸電技術的發展，國內外已有較多GIL工程投運，這方面也有一定的標準可供參照［7-12］。鑒于豫陽I線1 000 kV GIL設備已經投運，在其運行狀態的檢測方法選擇上，宜優先選用帶電檢測的方法，例如超聲檢測、特高頻檢測、X光檢測、紅外檢測、聲學成像檢測、超聲探傷等［13-19］。本文重點探討了以上方法在GIL設備運行狀態檢測中的應用。

2.1 設備局放檢測

超聲法測GIL 局放的原理，在于發生局部放電時氣體分子間劇烈碰撞，并在宏觀上瞬間形成一種壓力，從而產生超聲波脈沖，該信號波長較短，方向性較強，能量較為集中。可將基于諧振原理的聲發射傳感器置于設備外殼上檢測這一脈沖信號，然后經過前置放大、濾波、放大、檢波等處理環節，進而通過信號分析以確定設備的絕緣狀況（如圖3（a）所示）。特高頻法則是以由GIL內局部放電時激發出的電磁波信號作為檢測局部放電的信號。由于GIL 高氣壓的SF6氣體中局部放電總是在很小的范圍發生，具有極快的擊穿時間的特性。對于電磁波傳播來說，GIL 設備的導體和外殼的同軸結構形成了良好的波導體，高頻電磁波信號可以在GIL 內部廣泛傳播，因而檢測這部分信號即可對GIL局放故障進行識別（如圖3（b）所示）［20-23］。

圖3 GIL局放測試示意圖Fig.3 Test Diagram of GIL partial discharge

多次檢測GIL 管母的超聲波信號，數據見圖4。GIL特高頻局放典型圖譜見圖5。

圖4 GIL現場超聲波檢測數據Fig.4 GIL field ultrasonic test data

圖5 GIL特高頻局放典型圖譜Fig.5 GIL UHF partial discharge typical spectrum

由圖4可知，多組數據無明顯差異，連續模式下幅值較小，有效值均在0.5 mV 左右，峰值均在0.8 mV 左右，且與背景幅值無明顯差異，各相位模式和圖譜不具備典型放電特征。

由圖5可知三維立體空間中沒有出線很陡的上升趨勢，與背景圖譜無明顯差異，PRPD 圖譜不具備典型放電特征。

需要補充說明的是，2020年6月在GIL設備投運初期的交接驗收耐壓試驗中，運維人員發現B、C相3號氣室某段附近存在疑似放電信號，幅值在13 mV-15 mV左右，后期設備投運后該信號消失，現場加壓過程如圖6（a）所示，出現異常的部位如圖6（b）所示，經運維人員及專家的多次討論分析，認為與現場電磁環境干擾、疑似放電部位內部結構及試驗方法等因素有關。

圖6 交接試驗中的GIL局放檢測Fig.6 GIL partial discharge detection in handover test

2.2 設備光譜檢測

1）X光檢測

對1 000 kV 特高壓南陽站1 000 kV GIL 開展X 射線成像檢測檢測，依據《DL/T 1946-2018 氣體絕緣金屬封閉開關設備X射線透視成像現場檢測技術導則》，利用X 光透射技術對GIL 內部固定三支柱絕緣子、滑動三支柱絕緣子等進行可視檢測，再結合GIL 內部結構，判斷是否有結構連接缺陷、雜質掉落、零部件缺失等影響設備安全穩定運行的隱患。

典型X光圖像如圖7所示。

圖7 GIL典型部位的X射線成像Fig.7 X-ray imaging of GIL typical part

基于氣體絕緣金屬封閉開關設備內部結構，對全線區域內72處測點射線成像圖譜進行分析，發現部分固定三支柱絕緣子與中心導體存在位移裕度，內部中心導體仍存在微小滑動位移，但未發現受外部位移影響造成內部位移形變。

2）紅外成像檢測

利用SF6氣體對特定波長的光吸收特性較空氣強得多的特點，使得二者在紅外影像上有顯著差異，因而可將通常可見光下看不到的氣體泄漏以紅外視頻圖像的形式直觀地反映出來。典型圖像如圖8所示。

圖8 GIL典型部位的紅外成像Fig.8 Infrared imaging of GIL typical part

從多次檢測的結果來看，紅外圖像無明顯溫升異常部位，也沒有氣體散逸圖像，據此可確定目前該GIL設備未發生SF6氣體泄漏現象。

3）超聲波探傷

超聲波探傷是利用超聲能透入金屬材料的深處，并由一截面進入另一截面時，在界面邊緣發生反射的特點來檢查設備或零件缺陷的一種方法，本研究中主要用此方法來檢測GIL 設備內部結構的微小缺陷隱患，典型圖譜如圖9所示。

圖9 GIL超聲波探傷典型圖譜Fig.9 Typical ultrasonic flaw detection spectrum of GIL

總體而言，超聲波探傷譜圖頻率范圍均在3 kHz-6 kHz之間區域的單峰值的振動功率譜密度，未發現損傷部位。

2.3 設備噪聲檢測

GIL 在正常運行時會產生細微振動及聲響，而一旦發生故障，則噪聲較明顯［24-26］。鑒于GIL 噪聲信號和設備本體振動關聯密切，現場檢測利用124 個高靈敏度數字麥克風陣列，采用遺傳優化算法以及遠場高分辨率波束形成技術，將采集的聲音以彩色等高線圖譜的方式可視化呈現在屏幕上，有利于GIL 故障的具體定位及程度判別。

現場測試典型圖譜如圖10所示。

圖10 GIL氣室的噪聲彩色等高線圖譜示例Fig.10 Example of a noise color contour map of GIL unit

通過多次不同運行時段的監測數據對比分析，發現噪聲幅值較小，同時在各個頻段未出現強烈脈沖信號，說明目前GIL 設備在運行過程中未出現明顯異常的機械振動。

3 結語

GIL 設備是新一代電力輸送技術的典型代表，其安全與穩定運行對整個電力系統的平穩運行至關重要。本文針對青豫直流這一國家級示范性工程中的GIL 設備，探索多種手段在GIL 運行狀態檢測中的應用。基于現場實測數據的分析可知，該GIL 設備自正常投運后，在多次檢測時段未顯示出明顯故障。由于GIL現場運行環境復雜，且暴雨、地震等多因素仍有可能導致GIL 管母后期出現局部故障隱患，因此十分必要于投運后定期巡檢視察，及時發現設備問題并盡早處理，以免產生隱患，從而導致日后的故障甚至事故。

從本文的檢測結果來看，基于特高頻和超聲原理的局部放電檢測方法靈敏度較高，可以作為GIL 設備運行狀態的主要檢測手段，但相對容易受到環境干擾，后期在進行故障排查時需結合其他檢測手段的結果確定最終結論；光譜類檢測方法具有非接觸、快速等特點，但檢測精度相對較低，可作為輔助檢測手段；噪聲檢測對于GIL的機械故障有較好檢測效果。