特高壓GIL現(xiàn)場耐壓試驗技術(shù)

趙　科，騰　云，賈勇勇，陶風(fēng)波，周志成，邵新蒼

（1.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103；2.國網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇南京211102）

特高壓GIL現(xiàn)場耐壓試驗技術(shù)

趙科1，騰云1，賈勇勇1，陶風(fēng)波1，周志成1，邵新蒼2

（1.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103；2.國網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇南京211102）

根據(jù)國家電網(wǎng)公司的規(guī)劃，1000 kV“淮南—南京—上?！碧馗邏航涣鬏旊娋€路蘇通氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIL）管廊工程將采用6 km長，1100 kV GIL設(shè)備，文中梳理了特高壓GIL現(xiàn)場耐壓試驗的必要性及有效性，分析了GIL常見故障類型，針對GIL設(shè)備中常見的自由金屬顆粒和尖刺缺陷進(jìn)行了電場仿真，并對GIL的沖擊耐壓進(jìn)行了過電壓仿真，最后對特高壓GIL的現(xiàn)場耐壓試驗提出了建議。

1100 kV GIL；現(xiàn)場交流耐壓；現(xiàn)場沖擊耐壓；缺陷仿真；過電壓仿真

氣體絕緣金屬封閉輸電線路 （GIL）是一種采用SF6或其他氣體絕緣、外殼與導(dǎo)體同軸布置的高電壓、大電流、長距離電力傳輸設(shè)備，具有輸電容量大、占地少、布置靈活、可靠性高、維護(hù)量小、壽命長、環(huán)境影響小的顯著優(yōu)點［1，2］。GIL技術(shù)的首次應(yīng)用出現(xiàn)在1972年，美國CGIT公司在新澤西州中架設(shè)了世界上第一條GIL線路。20世紀(jì)90年代初期，GIL設(shè)備開始在我國得到應(yīng)用。南方電網(wǎng)天生橋水電站500 kV GIL線路為我國敷設(shè)的第一條GIL線路，由CGIT公司1992年制造，用于連接變壓器和空氣套管［3，4］。

根據(jù)國家電網(wǎng)公司的規(guī)劃，1000 kV淮南—南京—上海特高壓交流輸電線路蘇通GIL管廊工程將采用2回6 km長，1100 kV GIL設(shè)備，工程建成后將是世界上電壓等級最高，輸送距離最長的GIL設(shè)備。

1　GIL現(xiàn)場耐壓試驗的必要性及有效性

根據(jù)國際大電網(wǎng)會議（CIGRE）和國家電網(wǎng)公司多年運(yùn)行經(jīng)驗的統(tǒng)計，沒有進(jìn)行過現(xiàn)場耐壓試驗的氣體絕緣開關(guān) （GIS）/GIL設(shè)備發(fā)生事故幾率非常高，經(jīng)過現(xiàn)場耐壓試驗的GIS/GIL設(shè)備發(fā)生事故的幾率相對較低。究其原因，主要是GIL在工廠完成組裝運(yùn)往安裝工地現(xiàn)場過程中，雖然GIL在工廠內(nèi)組裝要求組裝車間空氣潔凈度等級達(dá)到6級［5］，但運(yùn)輸中機(jī)械振動、撞擊等可能導(dǎo)致GIL內(nèi)部緊固件松動或相對位移；在安裝過程中，聯(lián)結(jié)、密封等工藝處理方面可能存在失誤，導(dǎo)致電極表面刮傷或安裝錯位引起電極表面缺陷；空氣中懸浮塵埃、導(dǎo)電微粒雜質(zhì)和毛刺等在安裝現(xiàn)場無法徹底清理都會造成GIL投運(yùn)后發(fā)生故障。因此為盡早發(fā)現(xiàn)缺陷，及時處理和避免投運(yùn)后發(fā)生事故，GIL現(xiàn)場安裝完成后進(jìn)行現(xiàn)場耐壓是非常必要的。

GIL的現(xiàn)場耐壓試驗主要包括：交流耐壓、雷電沖擊耐壓、操作沖擊耐壓3種方式。目前隨著檢測技術(shù)的發(fā)展，超聲或超高頻局放測量也成為了現(xiàn)場試驗的重要手段之一，一般交流耐壓試驗后在1.1倍的運(yùn)行電壓下進(jìn)行［6-11］。根據(jù)CIGRE 33/23.12工作組的研究，對現(xiàn)有的現(xiàn)場耐壓試驗方法及其有效性進(jìn)行了說明，如表1所示。

表1　現(xiàn)場試驗方法及其有效性

2　GIL現(xiàn)場耐壓試驗的有效性

GIL內(nèi)部發(fā)生絕緣故障的原因往往是多方面的，GIL在制造和組裝過程中，難免會留下一些微小的缺陷。在GIL中引起局部放電最常見的缺陷有：嚴(yán)重裝配錯誤、固定突起、自由金屬微粒、導(dǎo)體間電氣接觸不良、絕緣子內(nèi)絕緣缺陷及絕緣子與電極接觸面缺陷等，如圖1所示。根據(jù)國網(wǎng)公司的運(yùn)行經(jīng)驗報告，GIS/GIL中各種缺陷導(dǎo)致故障的分布情況如圖2所示。選取GIL內(nèi)部比較容易引入的自由金屬微粒和金屬尖刺進(jìn)行仿真計算。

2.1自由金屬微粒

GIL在安裝、運(yùn)輸過程中，會產(chǎn)生一些自由金屬微粒。為研究這些微粒對GIL內(nèi)部電場分布的影響，采用550 kV GIL典型尺寸進(jìn)行仿真，設(shè)計金屬微粒直徑為5 mm，分別模擬該自由微粒在靠近外殼、導(dǎo)體和位于中間部位3種情況下的電場分布情況，如圖3所示。

圖1　GIL中常見的故障類型

圖2　GIS/GIL中故障分布情況

圖3　GIL內(nèi)部自由金屬微粒的3種情況

選取SF6氣體的相對介電常數(shù)為1.003 1，采用ANASYS進(jìn)行仿真，對微粒不進(jìn)行網(wǎng)格剖分，將其視為等電勢體。將73 kV電壓施加在高壓導(dǎo)桿表面，將腔體內(nèi)表面接地，微?？拷鈿さ碾妶龇植既鐖D4所示。微粒在中間位置的電場分布如圖5所示。微?？拷鼘?dǎo)體的電場分布如圖6所示。

圖4　自由金屬微?？拷鈿さ碾妶龇植?/p>

圖5　自由金屬微粒在中間位置的電場分布

由仿真可得，當(dāng)自由金屬微粒遠(yuǎn)離外殼時對GIL內(nèi)部電場的畸變效應(yīng)越大，尤其是靠近高壓導(dǎo)體時，金屬微粒表面的電場強(qiáng)度最大；自由金屬微粒在GIL腔體徑向方向的電場強(qiáng)度較小，沿GIL腔體圓周方向的電場強(qiáng)度較大。

圖6　自由金屬微?？拷鼘?dǎo)體的電場分布

由此可得，當(dāng)金屬微粒未發(fā)生跳動時，不會對GIL產(chǎn)生較大影響，一旦其發(fā)生運(yùn)動，則會產(chǎn)生劇烈放電。

2.2導(dǎo)體和筒壁上的金屬尖刺

GIL在安裝過程中會產(chǎn)生一些金屬尖刺，如在導(dǎo)桿、腔體筒壁上的一些金屬毛刺。采用550 kV GIL典型尺寸進(jìn)行仿真，為突出尖刺對GIL腔體內(nèi)電場分布的畸變，設(shè)計了2種尖刺模型，分別為位于高壓導(dǎo)桿上和外殼內(nèi)表面上的金屬尖刺，長為5 cm、尖端曲率半徑為80 μm的金屬尖刺，材質(zhì)為鋼，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7　金屬尖刺缺陷模型示意圖

選取SF6氣體的相對介電常數(shù)為1.003 1，采用ANASYS進(jìn)行仿真，將73 kV電壓分別施加在高壓導(dǎo)桿及其上的金屬尖刺表面，分別將腔體內(nèi)表面及其上的金屬尖刺接地，金屬尖刺在導(dǎo)體上的場分布如圖8所示。金屬尖刺在外殼上的電場分布如圖9所示。

由仿真結(jié)果圖可見，無論尖刺位于高壓導(dǎo)體還是筒壁上，針尖部位對電場的畸變最為嚴(yán)重；尖刺底部對電場強(qiáng)度有所削弱；當(dāng)尖刺位于高壓導(dǎo)體上時，針尖部位的電場值大約是尖刺位于筒壁上時的3倍，因此當(dāng)尖刺位于高壓導(dǎo)體上時容易發(fā)生擊穿。

圖8　金屬尖刺在導(dǎo)體上的電場分布

圖9　金屬尖刺在外殼上的電場分布

金屬尖刺對GIL內(nèi)部電場的畸變非常穩(wěn)定，在運(yùn)行電壓下，針尖部位的電場集中，形成穩(wěn)定的電暈放電。在電暈火花的燒蝕下，尖刺逐漸鈍化，電場集中程度降低，從而放電強(qiáng)度變?nèi)?，以致電暈放電長期而穩(wěn)定存在。在過電壓的作用下，尖刺放電很可能會導(dǎo)致氣體絕緣擊穿，造成金屬性接地故障。

3　GIL現(xiàn)場雷電沖擊耐壓試驗的過電壓仿真

根據(jù)國網(wǎng)公司的規(guī)劃，蘇通特高壓GIL管廊工程將采用2回6 km長的1100 kV GIL設(shè)備。特高壓GIL現(xiàn)場雷電沖擊耐壓試驗過程中，由于試驗電壓的上升沿較陡，GIL設(shè)備內(nèi)部的擊穿過電壓問題最為顯著，下面對特高壓GIL在現(xiàn)場雷電沖擊耐壓過程中的擊穿過電壓進(jìn)行仿真。

在建立仿真模型時，擬選定施加電壓波形為1.2/50 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電波，波形無過沖，幅值為1920 kV；擊穿時刻選定為最高峰值處，即電壓1920 kV時發(fā)生擊穿。仿真時，波頭電阻固定選為150 Ω，母線電容量45.6 pF/m，套管電容量411 pF/只，盆式絕緣子忽略不計。仿真模型如圖10所示。

圖10　特高壓GIL現(xiàn)場沖擊耐壓中的擊穿過電壓仿真模型

A點為GIL套管根部，通過套管施加1.2/50 μs標(biāo)準(zhǔn)雷電波，幅值為1920 kV；B點為GIL設(shè)備尾部，設(shè)置測點測量過電壓水平；考慮到?jīng)_擊耐壓設(shè)備的帶負(fù)載能力，僅仿真GIL長度在95 m及以內(nèi)的情況。

特高壓GIL在雷電沖擊電壓下，由于GIL設(shè)備結(jié)構(gòu)的特殊性，過電壓幅值較高。在不同的GIL長度（L）情況下，最大過電壓幅值如表2所示。最大過電壓倍數(shù)如表3所示。

表2　不同GIL長度下的過電壓幅值

表3　不同GIL長度下的過電壓倍數(shù)

在GIL長度分別為60 m，70 m和95 m時，正負(fù)2種雷電沖擊電壓下，最大過電壓均超過2400 kV，超過GIL設(shè)備的出廠沖擊電壓值。

4　特高壓GIL現(xiàn)場耐壓試驗建議

根據(jù)CIGRE建議、國家電網(wǎng)公司多年運(yùn)行經(jīng)驗及上文的仿真結(jié)果表明，特高壓GIL現(xiàn)場開展耐壓試驗非常有必要，而且建議現(xiàn)場開展交流耐壓試驗。在現(xiàn)場開展交流耐壓試驗前，應(yīng)用絕緣電阻測量儀施加5000 V電壓測量主回路絕緣電阻。

5　結(jié)束語

（1）根據(jù)CIGRE建議和國家電網(wǎng)公司多年運(yùn)行經(jīng)驗的統(tǒng)計，特高壓GIL設(shè)備現(xiàn)場推薦進(jìn)行交流耐壓試驗。

（2）特高壓GIL設(shè)備現(xiàn)場耐壓試驗對于GIL中引起局部放電最常見的缺陷，如自由金屬微粒、尖刺等，具有顯著的檢測效果。

（3）對于GIL中的自由金屬微粒，當(dāng)金屬微粒未發(fā)生跳動時，不會對GIL產(chǎn)生較大的影響，一旦其發(fā)生運(yùn)動，則會產(chǎn)生劇烈的放電；對于GIL中的尖刺缺陷，無論尖刺位于高壓導(dǎo)體還是外殼上，針尖部位對電場的畸變最為嚴(yán)重，尖刺底部對電場強(qiáng)度有所削弱。

（4）特高壓GIL設(shè)備現(xiàn)場交流耐壓試驗建議按照0 kV→635 kV（10 min）→762 kV（20 min）→1100 kV（1 min）→762 kV（保持30 min后）測局放→0 kV的程序施加電壓。

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趙科（1985），男，江蘇江陰人，工程師，從事高壓電器設(shè)備現(xiàn)場試驗工作；

騰云（1987），男，遼寧撫順人，工程師，從事高壓電器設(shè)備現(xiàn)場試驗工作；

賈勇勇（1986），男，江西九江人，工程師，從事高壓電器設(shè)備現(xiàn)場試驗工作；

陶風(fēng)波（1982），男，江蘇常州人，高級工程師，從事高壓電器設(shè)備現(xiàn)場試驗工作；

周志成（1977），男，湖南株洲人，高級工程師，從事高壓電器設(shè)備現(xiàn)場試驗工作；

邵新蒼（1989），男，江蘇宜興人，工程師，從事高壓電器設(shè)備現(xiàn)場試驗工作。

發(fā)電技術(shù)

Over-voltage Withstand Testing Technology of HUV GIL

ZHAO Ke1，TENG Yun1，JIA Yongyong1，TAO Fengbo1，ZHOU Zhicheng1，SHAO Xincang2
（1.State Gird Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute，Nanjing 211103，China；2.State Gird Jiangsu Electric Power Company Maintenance Branch，Nanjing 211102，China）

According to the State Grid's plan，a 6 km long 1100 kV GIL equipment will be adopted in Sutong GIL utility tunnel in 1000 kV"Huainan-Nanjing-Shanghai"UHV AC transmission lines project.This paper gives a detailed introduction to the necessity and effectiveness of UHV GIL over-voltage withstand testing and analyzes some common fault types.The electric field of free metal particles，the spikes in GIL equipment and the GIL over-voltage withstand testing are implemented. Finally，the suggestions to UHV GIL over-voltage withstand testing are proposed.

1100 kV GIL；field AC over-voltage withstand testing；defect simulation；over-voltage simulation

電網(wǎng)技術(shù)

TM83

A

1009-0665（2016）04-0032-04

2016-04-21；修回日期：2016-05-28

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）

2011CB209406