基于溫度梯度法的GIS內(nèi)部過熱試驗研究及應用

南方電網(wǎng)科學研究院有限責任公司 金 虎 彭在興 劉 凱 王 頌

中國南方電網(wǎng)有限責任公司 陳 曦

華北電力大學電氣與電子工程學院 叢浩熹

基于溫度梯度法的GIS內(nèi)部過熱試驗研究及應用

南方電網(wǎng)科學研究院有限責任公司 金 虎 彭在興 劉 凱 王 頌

中國南方電網(wǎng)有限責任公司 陳 曦

華北電力大學電氣與電子工程學院 叢浩熹

氣體絕緣金屬封閉開關（Gas Insulated Switchgear, GIS）在電力系統(tǒng)中應用廣泛，其內(nèi)部觸頭過熱會引發(fā)重大事故，因此研究過熱故障特性及檢測具有重要意義。本文根據(jù)設計的252kV GIS溫升實驗平臺， 通過模擬觸頭過熱，采用紅外成像儀獲取了其外殼溫度分布熱像圖，并將所提方法應用于現(xiàn)場，驗證了所提方法的科學性，本文研究成果對現(xiàn)場GIS運行維護工作具有一定的指導意義。

GIS；觸頭過熱；紅外成像法；應用

0.引言

隨著我國電力事業(yè)的大力發(fā)展，氣體絕緣金屬封閉開關（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)點在南方電網(wǎng)得到了廣泛應用[1-3]。運行經(jīng)驗表明，GIS內(nèi)部觸頭在運行過程中會出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，如果得不到及時處理，觸頭過熱會進一步導致GIS內(nèi)部絕緣損壞，進而發(fā)生短路事故，給電網(wǎng)造成危害[4-6]。根據(jù)統(tǒng)計，南方電網(wǎng)近年來發(fā)生了多起GIS觸頭過熱引起的絕緣故障，而對于該類事故，采用常規(guī)的回路電阻測量，很難判斷GIS內(nèi)部電接觸狀態(tài)。因此，開展GIS觸頭過熱故障模擬試驗研究并開展相應的檢測方法研究對于GIS過熱事故的預防具有重要意義。

本文設計了252kV GIS母線腔體溫升實驗平臺，分別研究了正常工況下和過熱故障下的溫升特性，并采用紅外成像儀對GIS外殼溫度進行了檢測。

1.正常工況下GIS觸頭溫升特性實驗研究

1.1 實驗平臺搭建及傳感器布置

實驗采用252kV GIS腔體，母線采用三相共箱結(jié)構(gòu)，整個腔體長度為8.7m。整個試驗系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 252 kV GIS實驗平臺

圖2 傳感器布置及編號

腔體中一共放置4塊紙板，紙板與導體保持垂直，由于傳感器眾多，而且出線多，所以編號對后續(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個傳感器，如編號1-4所示，同時在對應的3相導體分別放置傳感器，如圖A-C所示，按照此順序依次進行編號。

該試驗判斷溫升穩(wěn)定原則為：1小時內(nèi)溫升不超過1K。溫升穩(wěn)定后才有紅外儀進行拍攝，溫升穩(wěn)定后對應的紅外熱像圖如圖3所示。

圖3 正常下的紅外圖譜

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

1.2 過熱工況下GIS觸頭溫升特性實驗研究

過熱試驗通過采用改造盆式絕緣子觸頭座和導桿連接部位，加入一個直徑為30mm的導桿，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，對應GIS外殼溫升明顯，出現(xiàn)非常明顯的局部過熱點，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

通過上述研究，可以發(fā)現(xiàn)存在內(nèi)部過熱的時候，其對應外殼處存在一定的溫度梯度分布，雖然這個梯度很小，但是依舊可以根據(jù)這個特點進行內(nèi)部過熱檢測，只是需要精度更高的紅外儀。

2.現(xiàn)場測試

2017年，某站220kV區(qū)域進行紅外測溫時發(fā)現(xiàn)刀閘氣室罐體溫度異常，為了進一步確認是否存在溫度異常，研究團隊對溫度異常情況進行了復測。對三相進行了整體檢測，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，印證了局部過熱初測結(jié)果。

圖8 正常與異常部位溫度對比

為了確定溫度異常原因，對異常部位進行了精確的檢測，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，對比正常部位和異常部位中的導流排、螺栓附近的溫度梯度分布，無明顯差異，排除異常發(fā)熱由GIS外殼環(huán)流發(fā)熱引起。針對上述檢測過程，重復了三次，結(jié)論一致。

圖9 溫度梯度對比

3.結(jié)論

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

（2）采用研究成果對現(xiàn)場異常情況進行檢測和排查，最終確定該了GIS設備存在內(nèi)部過熱，進一步印證了該研究所提方法的科學性。

客觀上，由于GIS內(nèi)部過熱診斷確實具有較大難度，上述研究獲取了一定的規(guī)律，為揭示GIS內(nèi)部溫度場分布規(guī)律和確定溫度感知最靈敏位置提供一定的指導意義，在接下來的工作中該研究團隊會進一步結(jié)合現(xiàn)場進行深入分析。

[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)檢測與評估方法[J].高電壓技術(shù),2015,41(1):217-224.

[2]丁健.金屬封閉高壓開關柜觸頭發(fā)熱機理分析及預防過熱故障措施探討[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,李慶民,叢浩熹等.基于多點分布式光纖光柵的GIS隔離開關觸頭溫度在線監(jiān)測技術(shù)[J].電工技術(shù)學報,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，工程師，主要從事高壓開關故障監(jiān)測方面的研究工作；

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