青豫直流工程中1 000 kV GIL运行状态的检测研究

彭 勇，臧春艳，张 利，郭 果，曲 欣，王会琳，汤会增

（1.国网河南省电力公司超高压公司，河南 郑州 450000；2.武汉智能装备工业技术研究院有限公司，湖北 武汉 430074；3.强电磁工程与新技术国家重点实验室，湖北 武汉 430074）

0 引言

气体绝缘金属输电线路GIL技术经过近半个世纪的发展，应用范围广泛。与现有的架空线和电缆相比较，GIL 具有许多显著的优点：输电传输容量特别大，最大电流可达8 000 A；热能和电能损耗很少，节能效果好，无电磁干扰，辐射低，不影响无线通讯；防护性能好，维护量少，故障率极低，抗冰雪和地震等灾害能力强，防火性能优良，安全可靠性高；使用寿命长，可高于一般输电架空等线路1倍；占地面积小，可大量节约土地资源等。在GIL选型、设计、试验和维修方面已有标准可循。GIL的电压范围广，安装方式多样，在发电和输电领域的应用广泛，已成为欧美发达国家新建和换代项目的最佳选择。目前，GIL 不仅是国外大型地下电站高压引出线的首选方案，而且也是解决大城市的市区负荷不断增长导致线路走廊紧张问题的优选方案，GIL 逐步替代原有常规架空输电线路和电力电缆的步伐正在加快，节能环保的GIL 电力换代产品必将成为我国未来超高压和特高压电力传输的重要电力装备［1-4］。

截止2020 年6 月，国家电网有限公司已经在苏通管廊、河南南阳特高压站建成1 000 kV GIL，设备总长度达到46 km，是华东、华中特高压环网的重要节点。在特高压换流站，500 kV 电压等级的GIL 成为直流场与交流场连接的标准配置，已经建成并投运的GIL 总长度已经达到近百公里。其中，青豫直流配套落地工程特高压南阳站交流1 000 kV 综合管廊，是河南省内第1 条特高压GIL［5-6］。该工程作为国家电网公司第1条地上GIL 管线形式，研究其设备安装后的检查及处理措施是十分有意义的。

1 特高压南阳站1 000 kV GIL工程概况

青豫直流是全国乃至全世界首个可再生能源特高压输电项目，是落实中央“新基建”战略的标志性工程。作为河南第二条入豫特高压直流输电工程，其换流站部分和变电站部分500 kV 交流系统通过6 根全长2 922 m的GIL综合管廊连接。本工程1 000 kV GIL全长1 450 m，布置位于南阳变电站站内驻马店1出线与变电站东侧出线之间，沿站内围墙布置。变电站站内驻马店1出线侧和东侧驻马店1出线侧的具体布置，分别如图1（a）和图1（b）所示。

图1 南阳站GIL布置Fig.1 GIL layout of Nanyang station

豫阳I线GIL采用单相式母线结构，型号为GXL3-1100 型，共有98 个GIL 单元、24 个GIS 单元以及36 个气室，充SF6气体合计35.7 t。其中，GIL最大气室长度为90 m，气室两端各有一个DN40接头，可以保证最大隔室满足不多于两台气体回收装置在8 h内能够回收完毕要求。采用隔板将GIL 及其成套设备划分若干隔室，每个隔室配备充气逆止阀接头及SF6密度继电器。此外，套管、检修接地开关、电流互感器单独设置气室。

本工程GIL布置有两段较长的直线布置。考虑到环境温度变化引起的热胀冷缩变化、壳体制造误差等因素，设置了45 m 长度补偿段单元，其组成包括直线型GIL 母线、直管压力平衡型伸缩节、固定支架、滑动支架，同时在转角处也设置补偿单元，其组成包括直线型GIL 母线、90°转角型GIL 母线，铰链伸缩节、固定支架、滑动支架。

本工程的GIL设备触头具备6 930 A的通流能力，可以实现不小于±3°的角度补偿，即可以实现GIL小角度转角误差补偿、径向角度补偿等要求。标准18 m GIL 母线内触头的轴向伸缩量设计值为±40 mm，在满足通流能力前提下具备15 000次机械寿命。1 000 kV GIL的法兰密封结构具体分为法兰密封结构和隔盆密封结构，两种密封结构均采用了双密封。

GIL设备现场构架如图2所示。

图2 青豫直流1 100 kV GIL设备（南阳站）Fig.2 Qinghai-Henan DC 1 100 kV GIL equipment(Nanyang station)

2 GIL设备运行状态检测

随着直流输电技术的发展，国内外已有较多GIL工程投运，这方面也有一定的标准可供参照［7-12］。鉴于豫阳I线1 000 kV GIL设备已经投运，在其运行状态的检测方法选择上，宜优先选用带电检测的方法，例如超声检测、特高频检测、X光检测、红外检测、声学成像检测、超声探伤等［13-19］。本文重点探讨了以上方法在GIL设备运行状态检测中的应用。

2.1 设备局放检测

超声法测GIL 局放的原理，在于发生局部放电时气体分子间剧烈碰撞，并在宏观上瞬间形成一种压力，从而产生超声波脉冲，该信号波长较短，方向性较强，能量较为集中。可将基于谐振原理的声发射传感器置于设备外壳上检测这一脉冲信号，然后经过前置放大、滤波、放大、检波等处理环节，进而通过信号分析以确定设备的绝缘状况（如图3（a）所示）。特高频法则是以由GIL内局部放电时激发出的电磁波信号作为检测局部放电的信号。由于GIL 高气压的SF6气体中局部放电总是在很小的范围发生，具有极快的击穿时间的特性。对于电磁波传播来说，GIL 设备的导体和外壳的同轴结构形成了良好的波导体，高频电磁波信号可以在GIL 内部广泛传播，因而检测这部分信号即可对GIL局放故障进行识别（如图3（b）所示）［20-23］。

图3 GIL局放测试示意图Fig.3 Test Diagram of GIL partial discharge

多次检测GIL 管母的超声波信号，数据见图4。GIL特高频局放典型图谱见图5。

图4 GIL现场超声波检测数据Fig.4 GIL field ultrasonic test data

图5 GIL特高频局放典型图谱Fig.5 GIL UHF partial discharge typical spectrum

由图4可知，多组数据无明显差异，连续模式下幅值较小，有效值均在0.5 mV 左右，峰值均在0.8 mV 左右，且与背景幅值无明显差异，各相位模式和图谱不具备典型放电特征。

由图5可知三维立体空间中没有出线很陡的上升趋势，与背景图谱无明显差异，PRPD 图谱不具备典型放电特征。

需要补充说明的是，2020年6月在GIL设备投运初期的交接验收耐压试验中，运维人员发现B、C相3号气室某段附近存在疑似放电信号，幅值在13 mV-15 mV左右，后期设备投运后该信号消失，现场加压过程如图6（a）所示，出现异常的部位如图6（b）所示，经运维人员及专家的多次讨论分析，认为与现场电磁环境干扰、疑似放电部位内部结构及试验方法等因素有关。

图6 交接试验中的GIL局放检测Fig.6 GIL partial discharge detection in handover test

2.2 设备光谱检测

1）X光检测

对1 000 kV 特高压南阳站1 000 kV GIL 开展X 射线成像检测检测，依据《DL/T 1946-2018 气体绝缘金属封闭开关设备X射线透视成像现场检测技术导则》，利用X 光透射技术对GIL 内部固定三支柱绝缘子、滑动三支柱绝缘子等进行可视检测，再结合GIL 内部结构，判断是否有结构连接缺陷、杂质掉落、零部件缺失等影响设备安全稳定运行的隐患。

典型X光图像如图7所示。

图7 GIL典型部位的X射线成像Fig.7 X-ray imaging of GIL typical part

基于气体绝缘金属封闭开关设备内部结构，对全线区域内72处测点射线成像图谱进行分析，发现部分固定三支柱绝缘子与中心导体存在位移裕度，内部中心导体仍存在微小滑动位移，但未发现受外部位移影响造成内部位移形变。

2）红外成像检测

利用SF6气体对特定波长的光吸收特性较空气强得多的特点，使得二者在红外影像上有显著差异，因而可将通常可见光下看不到的气体泄漏以红外视频图像的形式直观地反映出来。典型图像如图8所示。

图8 GIL典型部位的红外成像Fig.8 Infrared imaging of GIL typical part

从多次检测的结果来看，红外图像无明显温升异常部位，也没有气体散逸图像，据此可确定目前该GIL设备未发生SF6气体泄漏现象。

3）超声波探伤

超声波探伤是利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查设备或零件缺陷的一种方法，本研究中主要用此方法来检测GIL 设备内部结构的微小缺陷隐患，典型图谱如图9所示。

图9 GIL超声波探伤典型图谱Fig.9 Typical ultrasonic flaw detection spectrum of GIL

总体而言，超声波探伤谱图频率范围均在3 kHz-6 kHz之间区域的单峰值的振动功率谱密度，未发现损伤部位。

2.3 设备噪声检测

GIL 在正常运行时会产生细微振动及声响，而一旦发生故障，则噪声较明显［24-26］。鉴于GIL 噪声信号和设备本体振动关联密切，现场检测利用124 个高灵敏度数字麦克风阵列，采用遗传优化算法以及远场高分辨率波束形成技术，将采集的声音以彩色等高线图谱的方式可视化呈现在屏幕上，有利于GIL 故障的具体定位及程度判别。

现场测试典型图谱如图10所示。

图10 GIL气室的噪声彩色等高线图谱示例Fig.10 Example of a noise color contour map of GIL unit

通过多次不同运行时段的监测数据对比分析，发现噪声幅值较小，同时在各个频段未出现强烈脉冲信号，说明目前GIL 设备在运行过程中未出现明显异常的机械振动。

3 结语

GIL 设备是新一代电力输送技术的典型代表，其安全与稳定运行对整个电力系统的平稳运行至关重要。本文针对青豫直流这一国家级示范性工程中的GIL 设备，探索多种手段在GIL 运行状态检测中的应用。基于现场实测数据的分析可知，该GIL 设备自正常投运后，在多次检测时段未显示出明显故障。由于GIL现场运行环境复杂，且暴雨、地震等多因素仍有可能导致GIL 管母后期出现局部故障隐患，因此十分必要于投运后定期巡检视察，及时发现设备问题并尽早处理，以免产生隐患，从而导致日后的故障甚至事故。

从本文的检测结果来看，基于特高频和超声原理的局部放电检测方法灵敏度较高，可以作为GIL 设备运行状态的主要检测手段，但相对容易受到环境干扰，后期在进行故障排查时需结合其他检测手段的结果确定最终结论；光谱类检测方法具有非接触、快速等特点，但检测精度相对较低，可作为辅助检测手段；噪声检测对于GIL的机械故障有较好检测效果。