GIL設備典型故障分析與測試*

宋 媛，張凌薇，敬如雪

(國網武威供電公司，甘肅 武威 733000)

0 引 言

隨著電力系統向雙碳目標的不斷深化發展，GIL(Gas Insulated transmission Line)設備在滿足最大限度降低電能損耗的條件下，能夠達到最大發送電能的目標；并且，GIL設備采用模塊化的結構設計，極大地方便了現場安裝和運維工作，特別是對于復雜地形，GIL設備能夠較好的保護輸電設備，最大限度地降低對環境的污染[1-2]。由于遠距離特高壓線路的不斷建設，GIL裝置使用量不斷增加。GIL在電網內主要應用在換流變和交流濾波大組進線，GIL發生絕緣故障，將會導致非計劃停電，可能損失大量負荷。某站投產以來，GIL裝置出現了三支柱絕緣子炸裂與局放超標的情況[3-4]，分析認為環氧絕緣子內部存在缺陷導致了炸裂故障。通過人工模擬缺陷，現有出廠檢測手段未能有效發現缺陷，鑒于三支柱絕緣子結構比較特殊，當前的技術難以實現絕緣子內部氣泡全面判斷，而氣泡的準確判斷，成為該類型絕緣子的必要條件。因此，準確分析三支柱絕緣子內部氣泡情況，成為GIL發展的關鍵步驟，由此提出GIL的技術要求，提出反事故措施，防止同類事故在已投運的工程和正在規劃建設的直流系統中再次發生。

1 GIL設備及GIL在線監測技術介紹

1.1 GIL設備特征

為了方便生產、安裝和運維，GIL設備采用模塊化結構，通常一個模塊的設計長度不足20 m，兩個管道的連接通過法蘭實現，GIL設備殼體主要有三種成形方式：成型管材、板材卷焊、帶材螺旋焊。對于長隔斷管道設計的GIL而言，殼體宜采用螺旋焊管形式，如圖1所示。

圖1 GIL殼體 圖2 GIL裝置部分模塊外形圖

GIL裝置選擇結構化模塊制造，從功能上劃分，含有五個方面，分別是隔離模塊、補償模塊、直線模塊、可拆卸模塊和轉角模塊[5-6]，如圖2所示。隔離模塊通過設置充氣式設備進行物理隔開，這樣分段化處理的模式，有利于設備的調試與維護；補償模塊含有伸縮節、短接筒體和中間導體三部分，實現溫差引起的GIL裝置長度的改變，保護線路安全；直線模塊的功能是實現GIL裝置的直線互聯；可拆卸模塊的功能是有利于GIL裝置的分段拆開；轉角模塊的功能是實現GIL裝置大角度的變向。

1.2 GIL在線監測技術

(1) 局部放電監測。GIL可以安裝特高頻局部放電在線監測與專家診斷系統，該系統在GIL殼體的特定位置上安裝內置式或外置式特高頻傳感器，檢測設備內部的局部放電特高頻信號。通過測量GIL內部的特高頻電磁波信號來監測局部放電的強度、重復率和發生相位等信號，并通過分析和診斷軟件，分析和診斷故障的性質、大小、位置，以達到評估GIL內部絕緣狀態的目的。GIL局部放電在線監測裝置主要由傳感器、采集裝置、就地光電轉換裝置、局放在線監測屏組成。

(2) SF6氣體微水在線監測。SF6氣體微水在線監測裝置由傳感器、控制器和顯示器組成，其中，傳感器的主要功能包含壓力、露點、溫度等的監測。目前，市場上大量使用濕敏元件作為微水傳感器，但該類型傳感器存在零點漂移的問題，而露點傳感器則無該問題，但是露點傳感器體積大，需要提供電源進行冷卻處理。該技術采用模數轉化和算法補償的方式，把監測數據發送到監控主機，然后通過遠方監控系統發送到中樞監控平臺，完成系統里SF6氣體水分的檢測，獲得裝置的運行狀態，從而實現狀態檢測。其原理框圖如圖3所示。

圖3 SF6微水在線監測裝置原理框圖

(3) 氣體密度在線監測。SF6氣體密度對于GIL內部絕緣強度來說非常重要，通過SF6氣體在線監測裝置能及時發現GIL的氣體泄漏，從而進行早期維修。GIL氣體密度監控與GIS氣體密度監控類似，GIL的每個氣室都通過密度計單獨進行監控。SF6氣體密度在線監測系統由四部分構成：安裝在氣室的密度傳感器、含有過壓保護和光電轉換器的就地接線箱、安裝在繼保室的SF6在線監測柜和安裝在主控室的后臺終端。SF6氣體密度在線監測系統通過光纜和后臺終端進行通信。如果SF6的密度降到規定下限，則生成報警信號并發送至計算機，并在后臺監視器上顯示，如圖4所示。

圖4 SF6氣體密度在線監測系統示意圖

2 典型故障案例及原因分析

某500 kV變電站自投運以來，GIL設備發生三支柱絕緣子炸裂故障和GIL管道異響的原因，均為絕緣體內部發生貫穿性放電導致，如圖5所示。這些情況的出現，可以分為兩種類型：絕緣炸裂和焊點斷裂。針對焊點斷裂引起的GIL管道異響問題，可以對GIL單元進行焊接整改，整改后再未出現過GIL管道異響問題。

圖5 三支柱絕緣子炸裂

2.1 GIL管道異響分析

為了準確分析引起GIL管道異響故障的原因，把存在異響的模塊進行解體，可以觀察到內部連接板處存在焊點斷裂的情況，如圖6所示。為了消除這種缺陷，通過增加焊點和焊縫長度的技術，改善焊接質量，從而增加焊接位置的穩定性。

圖6 GIL管道焊點斷裂 圖7 當觸座發生偏心10 mm時，導體反作用力示意

2.2 炸裂故障原因分析

GIL裝置中的固定三支柱功能為固定導體，實現隔離絕緣和支撐導體的目的。受溫差的影響，固定三支柱和GIL的外殼出現相對位移，這種位移量非常小，可以看成靜力，實際運行過程中，這個力小于1 400 N；通常需要支撐的力小于1 000 N。通過仿真分析，GIL裝置在組裝過程中，產生的偏心為10 mm，形成的軸向偏心力小于500 N，如圖7所示。

GIL轉彎位置的固定三支柱受力彎矩包括三個方面：插拔力彎矩、偏心力彎矩和重力彎矩。根據相關規程要求，插拔力彎矩小于700 Nm、偏心力彎矩小于250 Nm、重力彎矩小于120 Nm，如圖8所示。通過仿真得出：該處絕緣子徑向合力小于1 400 N，軸向合力小于500 N，總彎矩小于1 070 Nm。

圖8 固定三支柱彎矩示意圖

GIL裝置直線段設置的固定三支柱絕緣子的受力包括三個方面：插拔力、偏心力和重力。根據相關規程要求，插拔力小于1 400 N，偏心力小于500 N，重力小于2 000 N，并且，形成的彎矩小于250 Nm，如圖9所示。通過仿真得出：該處絕緣子徑向合力小于2 500 N，軸向合力小于1 400 N，總彎矩小于250 Nm。

圖9 直線段三支柱受力示意圖

由上可知，GIL裝置中轉彎位置的固定三支柱絕緣子受力總彎矩小于1 070 Nm，直線段設置的固定三支柱絕緣子總彎矩小于250 Nm，那么，GIL裝置中轉彎位置的固定三支柱絕緣子單個支柱最大受力不超過356.7 Nm彎矩。通過實驗分析，當GIL裝置的絕緣子施加2.12 kN×0.31 m荷載情況時，嵌件與環氧材料分離，因此，該裝置設置的嵌件粘接力裕度參數是1.84，參數小于規程要求，如圖10所示。

圖10 嵌件和環氧材料直接脫開

同時，開展電場分析，假設施加的電壓是1 675 kV，如圖11所示。通過仿真得出，最大的電場位于SF6氣隙側，達到21 kV/mm。SF6氣隙側電場主要和絕緣子的外絕緣有關，而該站絕緣子炸裂是由于其內部電場集中引起的，和SF6氣隙側電場無關。

圖11 電場仿真 圖12 氣隙電場仿真

為了分析GIL運行過程中氣隙的作用，假設GIL裝置中存在3 mm的氣隙，如圖12所示。通過仿真得出，氣隙位置的場強超過了90 kV/mm。在電場的作用下，帶電粒子容易和氣隙內壁發生碰撞，引起GIL裝置內部材料性能降低，出現局放的情況，具有炸裂的隱患。

開展站內GIL設備帶電局放測試，分析GIL裝置內局放超標及炸裂原因，如圖13所示。通過測試發現存在局放超標的情況，超標值達9.74pC。打開GIL設備，絕緣子表面正常，那么，局放信號來源于絕緣子內部。

圖13 局放超標 圖14品紅測試

由于局放信號衰減很快，為了對故障位置進行準確定位，選擇工業CT技術，確定故障點位于金屬嵌件和環氧樹脂交界位置，將該處解體，采用品紅進行著色測試，如圖14所示。通過品紅測試可以確定，該處存在明顯的裂縫。

3 實驗分析

GIL裝置運行過程中，由于溫差的作用，內部器件之間微小的相對滑動是實際發生的，接觸導體與觸頭的相對運動將在接觸部位產生一個持續作用的插拔力。觸指珊結構觸頭的插拔力不超過1 400 N。由于導體與三支柱為剛性連接，該持續往復運動的力會傳遞到三支柱上。為評估該持續力對三支柱的影響，需要開展15 000次機械試驗模擬驗證。試驗形態由一段帶盆式絕緣子、固定三支柱、三通彎頭和波紋管的形態與一段6 m長外殼帶活動三支柱的形態組成，如圖15所示。

圖15 機械可靠性驗證模型

驅動工裝用于實施觸頭運動的驅動，試驗行程為±40 mm。通過調整三通外殼和波紋管可以實現觸頭插接部位±3°偏轉。試驗按照先偏轉+3°操作1 000次，然后偏轉-3°操作1 000次，最后調整到0°完成剩余的13 000次，總共進行15 000次往復試驗，試驗步驟如下。

(1) 開展單個絕緣子工頻耐壓測試，設置電壓值是740 kV，耐壓時間設置是1 min。

(2) 完成局放測試，設置電壓值是592 kV，設計值不超過3pC。

(3) 完成X光射線測試。

(4) 組裝GIL設備，固定三支柱絕緣子機械可靠性驗證試驗平臺(不包含驅動工裝)，開展回路電阻測試。

(5) 完成雷電沖擊測試，設置電壓值是1 675 kV，波前時間設置是1.2 μs±30%，波后半峰值時間設置是50 μs±20%。

(6) 開展GIL設備工頻耐壓試驗，試驗電壓為740 kV，試驗時間為1 min。

(7) 開展GIL設備局放試驗，試驗電壓為592 kV，局放量要求≤5pC。

(8) 將驅動工裝連接到第一GIL導電桿一端，開展動態插拔試驗。通過GIL導電桿與波紋管實現觸頭插接部位±3°偏轉，試驗按照先偏轉+3°操作1 000次，然后偏轉-3°操作1 000次，最后調整到0°完成剩余的13 000次，總共進行15 000次往復試驗，試驗頻次為1次/min。

(9) 開展GIL設備回路電阻測試，電阻變化值≤20%。

(10) 重復上述步驟(5)～(7)。

(11) 解體GIL設備，重復上述步驟(1)～(3)。

測試前GIL的回路電阻是145.7 μΩ，通過15 000次以上測試后，測試GIL的回路電阻是149.7 μΩ，電阻稍微增加。測試完成后，GIL裝置內的觸頭導電桿存在一定的磨損，脫落物基本掉在屏蔽罩與導電桿里面。測試前，絕緣子的插拔力為1 481 N，測試完成后，絕緣子的插拔力為2 089 N。GIL轉角形態固定三支柱絕緣子單元局放耐壓試驗和雷電操作無異常，當施加592 kV時，形成的局放量是1.80pC，如圖16所示。

圖16 絕緣子局放測試

因此，假設GIL裝置內的絕緣子投運前不存在缺陷隱患，那么運行15 000次機械操作后，性能基本沒有變化，滿足穩定運行的要求。

4 結 語

支柱絕緣子是一種特殊的絕緣控制方式，在架空輸電線路中起著重要的作用。而GIL輸電容量大，布置緊湊靈活，電磁屏蔽功能強大，運行穩定安全。文中以某500kV變電站GIL設備故障為例，通過仿真實驗模擬支柱絕緣子炸裂故障與GIL管道異響過程，分析導致絕緣體開裂原因。絕緣子內部出現裂縫、嵌件粘接力裕度系數偏低、交界面氣隙較大，都會引起三支柱絕緣子炸裂。同時，增加焊點和焊縫長度，提升焊接位置穩定性，可以消除GIL管道異響，從而提高GIL設備運行年限。