基于溫度梯度法的GIS內(nèi)部過(guò)熱試驗(yàn)研究及應(yīng)用

南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 金 虎 彭在興 劉 凱 王 頌

中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司 陳 曦

華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 叢浩熹

基于溫度梯度法的GIS內(nèi)部過(guò)熱試驗(yàn)研究及應(yīng)用

南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 金 虎 彭在興 劉 凱 王 頌

中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司 陳 曦

華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 叢浩熹

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)（Gas Insulated Switchgear, GIS）在電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，其內(nèi)部觸頭過(guò)熱會(huì)引發(fā)重大事故，因此研究過(guò)熱故障特性及檢測(cè)具有重要意義。本文根據(jù)設(shè)計(jì)的252kV GIS溫升實(shí)驗(yàn)平臺(tái)， 通過(guò)模擬觸頭過(guò)熱，采用紅外成像儀獲取了其外殼溫度分布熱像圖，并將所提方法應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，驗(yàn)證了所提方法的科學(xué)性，本文研究成果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)GIS運(yùn)行維護(hù)工作具有一定的指導(dǎo)意義。

GIS；觸頭過(guò)熱；紅外成像法；應(yīng)用

0.引言

隨著我國(guó)電力事業(yè)的大力發(fā)展，氣體絕緣金屬封閉開關(guān)（Gas Insulated Switchgear，GIS）由于占地面積小、受外界環(huán)境影響小，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)在南方電網(wǎng)得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，GIS內(nèi)部觸頭在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象，如果得不到及時(shí)處理，觸頭過(guò)熱會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致GIS內(nèi)部絕緣損壞，進(jìn)而發(fā)生短路事故，給電網(wǎng)造成危害[4-6]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，南方電網(wǎng)近年來(lái)發(fā)生了多起GIS觸頭過(guò)熱引起的絕緣故障，而對(duì)于該類事故，采用常規(guī)的回路電阻測(cè)量，很難判斷GIS內(nèi)部電接觸狀態(tài)。因此，開展GIS觸頭過(guò)熱故障模擬試驗(yàn)研究并開展相應(yīng)的檢測(cè)方法研究對(duì)于GIS過(guò)熱事故的預(yù)防具有重要意義。

本文設(shè)計(jì)了252kV GIS母線腔體溫升實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別研究了正常工況下和過(guò)熱故障下的溫升特性，并采用紅外成像儀對(duì)GIS外殼溫度進(jìn)行了檢測(cè)。

1.正常工況下GIS觸頭溫升特性實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建及傳感器布置

實(shí)驗(yàn)采用252kV GIS腔體，母線采用三相共箱結(jié)構(gòu)，整個(gè)腔體長(zhǎng)度為8.7m。整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 252 kV GIS實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖2 傳感器布置及編號(hào)

腔體中一共放置4塊紙板，紙板與導(dǎo)體保持垂直，由于傳感器眾多，而且出線多，所以編號(hào)對(duì)后續(xù)的數(shù)據(jù)整理顯得重要。如圖2所示，每塊紙板上放置4個(gè)傳感器，如編號(hào)1-4所示，同時(shí)在對(duì)應(yīng)的3相導(dǎo)體分別放置傳感器，如圖A-C所示，按照此順序依次進(jìn)行編號(hào)。

該試驗(yàn)判斷溫升穩(wěn)定原則為：1小時(shí)內(nèi)溫升不超過(guò)1K。溫升穩(wěn)定后才有紅外儀進(jìn)行拍攝，溫升穩(wěn)定后對(duì)應(yīng)的紅外熱像圖如圖3所示。

圖3 正常下的紅外圖譜

研究表明，正常情況下，即使當(dāng)電流為額定電流時(shí)，外殼溫度整體呈現(xiàn)上部高于下部且分布均勻，并未見局部過(guò)熱點(diǎn)（圖3最上面的是由于試驗(yàn)端子處的特殊設(shè)計(jì)造成的，但是3相溫升依舊是均勻分布的）。

1.2 過(guò)熱工況下GIS觸頭溫升特性實(shí)驗(yàn)研究

過(guò)熱試驗(yàn)通過(guò)采用改造盆式絕緣子觸頭座和導(dǎo)桿連接部位，加入一個(gè)直徑為30mm的導(dǎo)桿，其材料為Q235，結(jié)構(gòu)如下所示。

圖4 缺陷模擬

傳感器分別布置在導(dǎo)桿和外殼處，部分主要的傳感器布置如圖5所示。

圖5 傳感器布置圖

圖6 外殼紅外特征

如圖6所示，在500A的電流下，外殼存在一定的溫升，通過(guò)調(diào)整溫寬后，可以發(fā)現(xiàn)在GIS外殼上存在一定的溫度梯度分布。

1.3 2000A溫升結(jié)果

從圖7可見，對(duì)應(yīng)GIS外殼溫升明顯，出現(xiàn)非常明顯的局部過(guò)熱點(diǎn)，并且從內(nèi)到外按照明顯的溫度梯度分布。

圖7 外殼溫升圖譜

通過(guò)上述研究，可以發(fā)現(xiàn)存在內(nèi)部過(guò)熱的時(shí)候，其對(duì)應(yīng)外殼處存在一定的溫度梯度分布，雖然這個(gè)梯度很小，但是依舊可以根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)部過(guò)熱檢測(cè)，只是需要精度更高的紅外儀。

2.現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

2017年，某站220kV區(qū)域進(jìn)行紅外測(cè)溫時(shí)發(fā)現(xiàn)刀閘氣室罐體溫度異常，為了進(jìn)一步確認(rèn)是否存在溫度異常，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)溫度異常情況進(jìn)行了復(fù)測(cè)。對(duì)三相進(jìn)行了整體檢測(cè)，如下圖所示。發(fā)現(xiàn)正常部位的三相最大溫差為0.5K，異常部位的三相最大溫差為1.4K，印證了局部過(guò)熱初測(cè)結(jié)果。

圖8 正常與異常部位溫度對(duì)比

為了確定溫度異常原因，對(duì)異常部位進(jìn)行了精確的檢測(cè)，如圖所示。發(fā)現(xiàn)異常部位的溫度梯度大于正常部位，同時(shí)，對(duì)比正常部位和異常部位中的導(dǎo)流排、螺栓附近的溫度梯度分布，無(wú)明顯差異，排除異常發(fā)熱由GIS外殼環(huán)流發(fā)熱引起。針對(duì)上述檢測(cè)過(guò)程，重復(fù)了三次，結(jié)論一致。

圖9 溫度梯度對(duì)比

3.結(jié)論

（1）建立了三相共箱252kV GIS母線溫升實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)分別獲得了正常工況下、過(guò)熱工況下的溫升特性，并獲取了對(duì)應(yīng)外殼的紅外圖譜。結(jié)果表明，在正常工況下外殼沒有明顯的過(guò)熱特征，而在過(guò)熱下，外殼具有明顯的紅外過(guò)熱特征。試驗(yàn)研究表明，在局部過(guò)熱處，沿著GIS外殼部位存在一定的溫度梯度，可以根據(jù)該溫度梯度進(jìn)行內(nèi)部過(guò)熱判斷。

（2）采用研究成果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)異常情況進(jìn)行檢測(cè)和排查，最終確定該了GIS設(shè)備存在內(nèi)部過(guò)熱，進(jìn)一步印證了該研究所提方法的科學(xué)性。

客觀上，由于GIS內(nèi)部過(guò)熱診斷確實(shí)具有較大難度，上述研究獲取了一定的規(guī)律，為揭示GIS內(nèi)部溫度場(chǎng)分布規(guī)律和確定溫度感知最靈敏位置提供一定的指導(dǎo)意義，在接下來(lái)的工作中該研究團(tuán)隊(duì)會(huì)進(jìn)一步結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行深入分析。

[1]周蠡,魯鐵成,羅容波等.氣體絕緣組合電器觸頭電接觸狀態(tài)檢測(cè)與評(píng)估方法[J].高電壓技術(shù),2015,41(1):217-224.

[2]丁健.金屬封閉高壓開關(guān)柜觸頭發(fā)熱機(jī)理分析及預(yù)防過(guò)熱故障措施探討[J].高壓電器,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]陳強(qiáng),李慶民,叢浩熹等.基于多點(diǎn)分布式光纖光柵的GIS隔離開關(guān)觸頭溫度在線監(jiān)測(cè)技術(shù)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2015,30(12):298-306.

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金虎（1986—），男，工程師，主要從事高壓開關(guān)故障監(jiān)測(cè)方面的研究工作；

彭在興（1979—），男，工程師，主要從事高壓開關(guān)故障監(jiān)測(cè)方面的研究工作。