GIS導體接頭異常溫升問題研究簡述

南方電網科學研究院有限責任公司 金 虎 彭在興 王 頌 袁 耀 程建偉

中國南方電網有限責任公司 陳 曦

新能源電力系統國家重點實驗室，華北電力大學 叢浩熹

GIS導體接頭異常溫升問題研究簡述

南方電網科學研究院有限責任公司 金 虎 彭在興 王 頌 袁 耀 程建偉

中國南方電網有限責任公司 陳 曦

新能源電力系統國家重點實驗室，華北電力大學 叢浩熹

SF6氣體絕緣組合電器（gas insulated switchgear,GIS）是重要的電氣設備，在電力系統中的應用日益廣泛。但是根據南方電網近幾年的統計數據，發現導體接頭異常溫升引起的故障問題非常突出，基于此，本文作者通過跟蹤多起現場GIS接頭異常溫升事故及調研目前研究成果，總結了現場GIS接頭異常溫升的特征及原因，并從實驗平臺搭建、接觸不良模型、檢測方法及評估算法等方面對目前已有研究成果進行了綜述，最后進行了總結，為進一步實現GIS接頭異常溫升的檢測提供了一定的指導意義。

GIS；異常溫升；檢測；觸頭溫度；簡述

0.引言

SF6氣體絕緣組合電器（gas insulated switchgear,GIS）由于其占地面積小、受大氣環境影響小等優點，近年來在電力系統中得到廣泛應用[1-3]。其密封結構具有很多優點，但是也帶來了一些不利的影響，諸如不方便檢修、不利于內部運行狀態的檢測等[4-6]。根據南方電網2010-2015年多起GIS故障統計分析數據，發現導體接頭異常溫升問題在所有故障原因中位列第2位，其中僅2015年就發生5起，占全年GIS故障數量的50%，進一步統計發現，異常溫升主要發生在母線接頭、分支母線接頭和隔離開關接頭位置，而目前對于GIS接頭異常溫升檢測方面尚缺乏有效的檢測手段?；诖?，對GIS接頭過熱原因和檢測方法進行研究具有重要意義。

作者通過跟蹤多起現場GIS接頭異常溫升事故及調研目前研究成果，通過分析總結現場GIS接頭異常溫升的特征及原因，同時通過查閱相關文獻及和部分高校進行交流，對其研究現狀進行了綜述，包括GIS實驗平臺的搭建、觸頭接觸不良模型的模擬和仿真、檢測方法的研究以及檢測結果的評估。該綜述旨在更好的掌握目前存在的問題和需要進一步解決的問題，為解決GIS導體接頭過熱故障提供了一定的參考作用。

1.GIS接頭過熱故障特征及原因

表1是南方電網2015年度發生的5起GIS接頭異常溫升故障統計。作者通過現場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GIS接頭異常溫升故障統計

圖1 現場事故圖

現場故障主要特征如下：

（1）接頭處有燒融的現象，甚至有些連接螺母完全融化；

（2）有熏黑的跡象，腔體內部有大量的分解及二次生產物，呈粉末狀。

2.現場檢測方法研究現狀

目前對于GIS導體過熱現場檢測方法主要為回路電阻測試和紅外成像測試[7,8]，其中回路電阻測試需要停電，而且該方法并不能反映接觸不良的具體位置，紅外成像測試法具有非接觸、不停電的優點，目前市場上的主流紅外成像儀測試波段為8~14um，但是絕大多數紅外成像儀的分辨率和精確度不能夠滿足要求。

由于GIS的封閉結構，通過紅外檢測，測試的只是外殼溫度，而外殼溫度受日照，環境溫度等影響較大，同時對于外殼溫度和導體溫度的相關性目前處于實驗室研究階段，尚沒有公認的定論，主要是根據溫差來判斷內部狀態，尚缺乏有效的診斷判據。

3.實驗室研究現狀

實驗室研究主要是針對現場運行出現的故障問題進行模型搭建，在實驗室中重現現場故障特征，從而探索造成GIS接觸不良故障的原因和機理，并根據其特征開發出相應的檢測方法，最終將研究成果應用于運行生產實際中。

圖2 實驗室研究方案示意圖

如圖2所示，實驗室研究主要包括GIS實驗平臺及接觸不良模型的搭建、檢測方法研究以及故障診斷方法研究幾個方面，其中實驗平臺搭建是是整個研究的基礎，而溫度參數的獲取是關鍵部分，其質量好壞直接影響到后續分析，最終通過算法模型驗證得到的數據的合理性是落腳點，是最終研究的目標。目前國內外對于GIS實驗平臺的搭建技術已較為成熟，但是對于導體接觸不良模型的搭建尚處于探索階段，另外現有的實驗檢測方法主要有兩種：基于紅外輻射技術直接測量GIS導體接頭溫度和基于光纖光柵技術。

3.1 GIS導體接觸不良模型及仿真研究

由于在現場，事故發生后，故障部位往往都燒融了，只能夠通過觀察GIS內部的故障現象和部分運行數據，再根據專家的運行經驗來推斷故障原因。要實現GIS導體接觸不良的檢測，首先要研究其發熱機理。

要研究GIS導體接觸不良模型，首先需要搭建GIS實驗平臺，目前國內外研究機構在這方面做了較多研究，已存在各個電壓等級的GIS實驗平臺，但是對于建立觸頭接觸不良的實驗模型，目前尚存在較大難度，已有的研究中基本上都是通過仿真來進行研究。

3.2 基于紅外技術的GIS觸頭溫度研究進展

文獻[9]首先搭建了GIS觸頭溫度檢測實驗平臺，平臺主要由126kV GIS設備、大電流發生器、紅外溫度傳感器等組成采用實際的隔離開關觸頭進行模擬實驗，將紅外溫度傳感器安裝在GIS外殼外表面，探頭通過測量孔接收觸頭輻射出的紅外光波。對于GIS內金屬導體由于經過拋光處理，發射率非常低問題，作者采用在待測導體表面涂覆一種高輻射非金屬涂料的方法，解決了被測金屬表面發射率低的難題。對于SF6氣體吸收紅外光的問題，研究了不同GIS濃度對紅外測溫結果的影響，并驗證了可以通過調節紅外溫度傳感器的發射率來補償SF6氣體的吸收效應。

文獻[10]針對無法直接對帶有屏蔽罩的GIS觸頭進行測溫的問題進行了研究。作者通過建立GIS傳熱模型及實驗驗證的方法獲得觸頭溫度與金屬屏蔽罩溫度之間的定量關系，提出了利用數據預測與擬合算法，通過直接測量屏蔽罩溫度而間接獲得觸頭部位溫度的方法。計算溫度與實驗結果對比表明該方法具有較高準確度。

文獻[11]將光纖光柵傳感器應用于GIS母線溫度監測中，研制出相應在線監測系統，能夠有效監測GIS 母線溫度及其變化趨勢。

4.檢測標準制定現狀

在生產實際中，標準是科學和經驗的結晶，對于現場作業具有非常好的指導性。目前主要是DL/T664-2008《帶電設備紅外診斷應用規范》，該標準給出了使用紅外熱像儀檢測帶電設備的方法、儀器要求及相應的缺陷判據，適用于具有電流、電壓致熱效應的大部分輸變電設備。另外，廣東電網公司于2009年也制定了相應的企業標準《帶電設備紅外診斷預防實驗作業指導書》，該作業指導書適用于電力設備預防性試驗的周期性項目中，使用紅外熱像儀進行的帶電設備紅外診斷工作，但是不包括使用紅外測溫儀（點溫儀）進行的工作。這些標準主要都是基于紅外熱像儀，并不是專門針對一種設備提出的。目前專門針對GIS導體過熱檢測方面的，暫時未見標準。

5.結論與展望

5.1 結論

通過整個綜述，目前關于GIS設備導體接頭過熱研究具有如下結論：（1）目前對GIS設備觸頭溫度監測還處于理論研究階段，紅外輻射、紅外熱診斷和光纖光柵測溫三種方法具有很好的應用前景。（2）對于紅外熱診斷，需要健全GIS導熱模型，對GIS導熱方面的問題進行深入研究。對于光纖光柵測溫，直接測溫需尋找光纖光柵的植入方式并深入研究其對設備絕緣影響；而間接測溫的主要研究方向為測溫點的選取及測溫點和觸頭間溫度關系的研究。

5.2 展望

作者結合前人的研究和南方電網發生的典型的GIS導體接頭過熱事故，目前正在開展如下研究工作：

設計220kV設備主母線（三相共箱）約9m，中間設氣隔絕緣子2件，主母線長度方向取截面5~7處放置絕緣板，絕緣板作為傳感器載體，每個傳感器載體放置測試點若干處，通過澆注絕緣板引線，外殼位置設測試點多處；按導體固定螺釘的擰緊力矩不同設檔模擬觸頭不同接觸情況，分別測試回路電阻并進行溫升試驗；實驗中調節三相負荷電流大小模擬不同負荷電流下溫升情況；實驗中確保無陽光直射GIS殼體。通過該研究力圖找出GIS內部異常發熱的有效預防措施。

圖3 試驗方案示意圖

[1]RUNDE M,LILLEVIK O,LARSEN V．Condition assessment of contacts in gas-insulated substations[J]．IEEE Trans． on Power Delivery,2004,19(2)：609-617．

[2]YAO Liangzhong,LI Naihu,HAO Kou,et al．Reliability tests of a wireless system of monitoring and controlling for high voltage switch cabinets[C]//2010 International Conference on Power System Technology． Hangzhou,China：IEEE,2010：1-5．

[3]張良勝,張杰．紅外在線監測系統在封閉開關柜中的應用[J]．電網技術,2008,32(1)：150-153．

[4]魏翔．氣體絕緣金屬封閉開關柜在線測溫系統設計[J]．電工電氣,2010(1)：51-54．

[5]武勝斌,鄭研,陳志彬．基于紅外測溫技術的GIS導體溫度在線監測的方案[J]．高壓電器,2009,45(4)：100-102．

[6]吳繼平,李躍年．紅外熱成像儀應用于電力設備故障診斷[J]．電力設備,2006,7(9)：38-41．

[7]師曉巖,查瑋,孫福等．UHV GIS內部溫度場的紅外熱診斷技術[J]．高電壓技術,2007,33(6)：16-20．

[8]陳衡,侯善敬．電力設備故障紅外診斷[M]．北京：中國電力出版社,1999．

[9]叢浩熹,李慶民,齊波等．基于紅外傳感的GIS隔離開關觸頭溫度在線監測技術研究[J]．電力自動化設備,2014,34(3)：144-148．

[10]叢浩熹,行晉源,李慶民等．有屏蔽罩結構的GIS 觸頭溫度紅外在線監測技術[J]．電力自動化設備,2014,34(9)：148-152．

[11]吳曉文,舒乃秋,李洪濤等．基于光纖光柵的氣體絕緣開關母線溫度在線監測系統[J]．電力自動化設備,2013,33(4)：155-160．