基于温度梯度法的GIS内部过热试验研究及应用

南方电网科学研究院有限责任公司 金 虎 彭在兴 刘 凯 王 颂

中国南方电网有限责任公司 陈 曦

华北电力大学电气与电子工程学院 丛浩熹

基于温度梯度法的GIS内部过热试验研究及应用

南方电网科学研究院有限责任公司 金 虎 彭在兴 刘 凯 王 颂

中国南方电网有限责任公司 陈 曦

华北电力大学电气与电子工程学院 丛浩熹

气体绝缘金属封闭开关（Gas Insulated Switchgear, GIS）在电力系统中应用广泛，其内部触头过热会引发重大事故，因此研究过热故障特性及检测具有重要意义。本文根据设计的252kV GIS温升实验平台， 通过模拟触头过热，采用红外成像仪获取了其外壳温度分布热像图，并将所提方法应用于现场，验证了所提方法的科学性，本文研究成果对现场GIS运行维护工作具有一定的指导意义。

GIS；触头过热；红外成像法；应用

0.引言

随着我国电力事业的大力发展，气体绝缘金属封闭开关（Gas Insulated Switchgear，GIS）由于占地面积小、受外界环境影响小，可靠性高等优点在南方电网得到了广泛应用[1-3]。运行经验表明，GIS内部触头在运行过程中会出现过热现象，如果得不到及时处理，触头过热会进一步导致GIS内部绝缘损坏，进而发生短路事故，给电网造成危害[4-6]。根据统计，南方电网近年来发生了多起GIS触头过热引起的绝缘故障，而对于该类事故，采用常规的回路电阻测量，很难判断GIS内部电接触状态。因此，开展GIS触头过热故障模拟试验研究并开展相应的检测方法研究对于GIS过热事故的预防具有重要意义。

本文设计了252kV GIS母线腔体温升实验平台，分别研究了正常工况下和过热故障下的温升特性，并采用红外成像仪对GIS外壳温度进行了检测。

1.正常工况下GIS触头温升特性实验研究

1.1 实验平台搭建及传感器布置

实验采用252kV GIS腔体，母线采用三相共箱结构，整个腔体长度为8.7m。整个试验系统如图1所示。

图1 252 kV GIS实验平台

图2 传感器布置及编号

腔体中一共放置4块纸板，纸板与导体保持垂直，由于传感器众多，而且出线多，所以编号对后续的数据整理显得重要。如图2所示，每块纸板上放置4个传感器，如编号1-4所示，同时在对应的3相导体分别放置传感器，如图A-C所示，按照此顺序依次进行编号。

该试验判断温升稳定原则为：1小时内温升不超过1K。温升稳定后才有红外仪进行拍摄，温升稳定后对应的红外热像图如图3所示。

图3 正常下的红外图谱

研究表明，正常情况下，即使当电流为额定电流时，外壳温度整体呈现上部高于下部且分布均匀，并未见局部过热点（图3最上面的是由于试验端子处的特殊设计造成的，但是3相温升依旧是均匀分布的）。

1.2 过热工况下GIS触头温升特性实验研究

过热试验通过采用改造盆式绝缘子触头座和导杆连接部位，加入一个直径为30mm的导杆，其材料为Q235，结构如下所示。

图4 缺陷模拟

传感器分别布置在导杆和外壳处，部分主要的传感器布置如图5所示。

图5 传感器布置图

图6 外壳红外特征

如图6所示，在500A的电流下，外壳存在一定的温升，通过调整温宽后，可以发现在GIS外壳上存在一定的温度梯度分布。

1.3 2000A温升结果

从图7可见，对应GIS外壳温升明显，出现非常明显的局部过热点，并且从内到外按照明显的温度梯度分布。

图7 外壳温升图谱

通过上述研究，可以发现存在内部过热的时候，其对应外壳处存在一定的温度梯度分布，虽然这个梯度很小，但是依旧可以根据这个特点进行内部过热检测，只是需要精度更高的红外仪。

2.现场测试

2017年，某站220kV区域进行红外测温时发现刀闸气室罐体温度异常，为了进一步确认是否存在温度异常，研究团队对温度异常情况进行了复测。对三相进行了整体检测，如下图所示。发现正常部位的三相最大温差为0.5K，异常部位的三相最大温差为1.4K，印证了局部过热初测结果。

图8 正常与异常部位温度对比

为了确定温度异常原因，对异常部位进行了精确的检测，如图所示。发现异常部位的温度梯度大于正常部位，同时，对比正常部位和异常部位中的导流排、螺栓附近的温度梯度分布，无明显差异，排除异常发热由GIS外壳环流发热引起。针对上述检测过程，重复了三次，结论一致。

图9 温度梯度对比

3.结论

（1）建立了三相共箱252kV GIS母线温升实验平台，实验分别获得了正常工况下、过热工况下的温升特性，并获取了对应外壳的红外图谱。结果表明，在正常工况下外壳没有明显的过热特征，而在过热下，外壳具有明显的红外过热特征。试验研究表明，在局部过热处，沿着GIS外壳部位存在一定的温度梯度，可以根据该温度梯度进行内部过热判断。

（2）采用研究成果对现场异常情况进行检测和排查，最终确定该了GIS设备存在内部过热，进一步印证了该研究所提方法的科学性。

客观上，由于GIS内部过热诊断确实具有较大难度，上述研究获取了一定的规律，为揭示GIS内部温度场分布规律和确定温度感知最灵敏位置提供一定的指导意义，在接下来的工作中该研究团队会进一步结合现场进行深入分析。

[1]周蠡,鲁铁成,罗容波等.气体绝缘组合电器触头电接触状态检测与评估方法[J].高电压技术,2015,41(1):217-224.

[2]丁健.金属封闭高压开关柜触头发热机理分析及预防过热故障措施探讨[J].高压电器,2012,48(8):114-117.

[3]Qingmin Li,Haoxi Cong,Jinyuan Xing,Bo Qi,Chengrong Li.On-line Temperature Monitoring of the GIS Contacts Based on Infrared Sensing Technology.Journal of Electrical Engineering & Technology,2014,9(4):1385-1393.

[4]陈强,李庆民,丛浩熹等.基于多点分布式光纤光栅的GIS隔离开关触头温度在线监测技术[J].电工技术学报,2015,30(12):298-306.

[5]Yoon J H,Ahn H S, Choi J,et al.An Estimation Technology of Temperature Rise in GIS Bus Bar using Three-Dimensional Coupled-Field Multiphysics[C].International Symposium on Electrical Insulation,V ancouver,BC:IEEE,2008:432-436.

[6]Wu Xiaowen,Shu Naiqiu,Li Hongtao,et al.Contact Temperature Prediction in Three-Phase Gas-Insulated Bus Bars With the Finite-Element Method[J].IEEE Transactions on Magnetics,2014,50(2):7006704.

金虎（1986—），男，工程师，主要从事高压开关故障监测方面的研究工作；

彭在兴（1979—），男，工程师，主要从事高压开关故障监测方面的研究工作。