GIL管路温变伸缩致局部放电定位与成因分析

马荣亮，杨树锋，翁利听

(中国长江电力股份有限公司溪洛渡电厂，云南 昭通 657300)

近年来气体绝缘金属封闭输电线路(Gas Insulated Transmission Lines，简称GIL)在大型水电站、升压站、高压电网中的应用不断增加。GIL具有环境危害小、占地面积少、输送容量大、线路损耗低、可靠性高、维护费用少、使用寿命长等优点[1-2]，同时GIL金属封闭的结构特点，导致其内部故障或缺陷隐患难以发现，又因GIL设备输送容量大，设备故障后对电站输送或电网影响较大。因此需要采用各种监测方式对设备进行综合监测，及时判断评估并消除设备故障隐患。

目前GIL上普遍配置的特高频局放监测设备是设备状态监测重要手段之一，特高频 (ul-tra-high frequency，简称UHF)法是利用装设在GIL管路内部或外部的天线传感器接收局部放电激发并传播的300～3000 MHz频段的UHF信号进行检测和分析[3-4]。主要定位方法有幅值比较法、时差法、定相法、三维空间定位法等[5-6]。

本文结合某电站GIL非连续的局放信号排查及故障处理情况，综合利用幅值比较与时差法对局放信号定位，并对局放信号产生的原因及过程进行了深入分析并提出设备结构改进措施建议。

1 局放源定位与成因

某水电站500 kV主接线中GIS设备通过GIL接入电网架空线，GIS/GIL设备上安装有特高频局放在线监测系统。2021年初，电站GIS/GIL局放在线监测系统13处传感器检测到局部放电信号，信号覆盖1回约480 m长度的GIL管路、2串共7台断路器及75 m母线的GIS设备。

根据局放信号的特点，监测系统判断放电类型为悬浮类放电。信号自出现后一直存在，呈现非持续性特点，放电间隔几十秒至几分钟不等，每次出现放电持续0.1～0.2 s不等。监测到的典型放电图谱如图1所示。

图1 局放监测系统记录的放电信号图像

由于局放在线监测系统无法判断局放源位置，在排除荧光灯、风机、无线电信号等干扰因素后，根据在线监测系统数记录情况，通过GIS对分区域停电排查后，确认信号位于GIS/GIL线路B相，传感器编号26B至45B之间。

此段GIL、GIS设备结构相对简单，无分支结构，先采用幅值比较法，幅值大小可进行初步的快速比较，迅速判断局放源方向。但信号幅值相差不大，幅值比较法准确率较低，仅作为初步判断的参考。将2个传感器分别接入检测通道1和通道2，当检测通道2信号明显大于通道1信号，通过幅值比较法可判断局放源更加靠近通道2处。

由于非持续性信号效率较低，通过调整仪器信号检测触发为突变监视，当信号超过设置的阈值时进行采样，采集原始脉冲信号(见图2)。进一步采用时差法对局放源定位，检测仪器共接入3个通道信号，根据现场传感器布置及仪器采集到的信号时间，可知信号位于图3示通道1、通道2传感器之间。通过2个信号传感器所接收的2个信号时间差进行分析，可准确判断局放源方向并精确定位局放源位置。

图2 系统采集的原始局放脉冲信号图

根据采集的局放脉冲信号分析，通道2与通道3信号时差约为10-8s，折算距离约为3 m，与通道2、3传感器之间实际距离18.8 m相差较多。说明该放电源位于通道2与通道3之间。采用时差法可计算出局部放电源到达较近传感器的距离。

(1)

式中：d为距离较近传感器距离；D为2个传感器距离；t为2个传感器收到信号的时差，单位为nS即10-9s。

通过对局放信号进行时差计算局放源位于通道3(见图3)所接测点8 m的位置，结合设备结构，所定位的局放源处安装有支柱绝缘子，基本确定局放源位于GIL支柱绝缘子处。对GIL进行开孔检查，确认局放为支柱绝缘子尾端金属触针与GIL金属管路外壳接触不良，接地铜触针与外壳间存在微小缝隙(见图4)。

图4 支柱绝缘子尾端放电图

GIL管路外壳的铝合金与SF6气体，在局部放电的作用下生成白色粉末AlF3等衍生物。通过对比正常绝缘子与故障绝缘子尾端(见图5)可知，故障绝缘子顶针内弹簧端头卡入触针安装孔，导致铜触针失去弹力作用。

图5 正常绝缘子(左)与故障绝缘子(右)对比图

2 局放成因分析

由于GIL的结构特点需要，GIL中除安装有盆式绝缘子外，在水平段通常安装有柱形绝缘子。柱形绝缘子由环氧树脂浇注而成，绝缘子底部设计有弹簧，铜触针，金属底板和特氟龙垫片(见图6)。带弹簧的铜触针可伸缩。以确保绝缘子尾端与外壳的可靠接触。

图6 绝缘子尾端拆解图

2.1 热致伸缩影响分析

GIL导电管路与外壳均为铝合金材料，在无约束的条件下(自由状态)，温度升高膨胀、温度降低收缩；有约束且约束有效的条件下，无膨胀、收缩，存在应力。GIL热伸缩与负荷电流之间具有非线性关系，随着负荷电流的增大，GIL热伸缩逐渐增大，且导体与外壳温差和GIL热伸缩变幅度均逐渐增大。GIL热伸缩与环境温度具有近似线性关系，环境温度增大过程中GIL温度及管道热伸缩均近似线性增大[7-9]。

Δl=α·ΔT·L

(2)

式中：Δl为管路膨胀量；α为材料线胀系数；ΔT为管路温升；L为管路长度。

设备运行期间，GIL导体与管路外壳间温度存在较大差值，根据，同时考虑管路外壳固定与伸缩节等结构设置与导体固定点、导体连接方式等的差异，管路外壳与导体伸缩存在相对运动[10-11]。即支柱绝缘子端部与GIL外壳内表面有相对滑动。每天导体随着电流的变化会有一定量的热致伸缩，根据支柱绝缘子安装位置距离导体固定点间的距离约为8 m，可计算出导体在不同的电流情况支柱绝缘子的沿管路轴向滑动位移量约为1.5～3.0 mm。

2.2 运行时电动力影响分析

在设备正常运行时，三相回路中电流产生电场对于导体将产生机械力。该力能通过安培定理，电场感应和电场力变化如下所示[12]。

(3)

式中：l为导体长度；a为导电间距；μ0为磁导率。

GIL设备运行过程中的管道(内部导体和外部外壳)将受到频率为100 Hz的电动力。在GIL内部导体被外壳封闭后，在封闭外壳周围也将时不时产生电流通过。在外壳以外的电场已经减低。通过计算，GIL导体在额定电流4 500 A作用下，最大径向位移为0.01 mm，不足以引发设备振动，GIL运行时的电动力不是引发支柱绝缘子内弹簧失效的主要原因。

综合分析可知，支柱绝缘子尾端触针弹簧失效的过程：GIL长期的运行过程中，随着GIL运行电流的大小，导体损耗发热随之变化，从而会产生热致伸缩，支柱绝缘子会发生平行于导体管路的滑动。在几年的滑动后铜触针端面磨损导致与管路外壳的摩擦力增大。在绝缘子滑动过程中因摩擦阻力，铜触针发生倾斜。同时铜触针后端弹簧性能降低，弹簧末端产生形变，端头卡入铜触针与固定件的缝隙，造成铜触针弹簧失效。

铜触针无法与GIL外壳有效接触而出现气隙，金属嵌件处于悬浮状态。绝缘子材料环氧树脂的介电常数为SF6气体介电常数的5倍，则气隙中电场强度为绝缘子的5倍，GIL设备运行期间，气隙中的SF6气体的场强超过SF6气体的最高允许值，引起放电现象。

3 结 语

本文通过对某电站GIL局放信号分析，采用特高频时差法对局放源进行定位，对GIL管路外壳开孔确认，局放产生的原因为柱形绝缘子尾端金属触针弹簧失效而无法与GIL外壳有效接触而出现气隙。通过检查结果并对产生此种现象的原因及支柱绝缘子结构进行分析，得出如下结论：

1)GIL设备中柱形绝缘子尾端与金属外壳接触不良会发生较强的局部放电，局放信号在GIL管路中较在GIS中衰减小，信号在GIL管路中传输距离可达400 m以上，在GIS中传输距离可达200 m；

2)GIL运行时温度变化导致母线伸缩，绝缘子在管路外壳内滑动。金属触针滑动不应产生金属微粒外，应考虑采用低摩擦系数的材质、形状(如选用滚珠)金属触针，以减少支柱绝缘子与管路外壳相对滑动时触针摩擦力；

3)根据设备故障情况，支柱绝缘子金属顶针与弹簧设置方式可进一步优化，可调整弹簧与触针接触结构(如采取触针与弹簧接触面为内凹槽的固定方式或减小弹簧孔内径)，也可将螺旋弹簧调整为片式弹簧等措施，避免弹簧失效故障的出现。