青豫直流工程中1 000 kV GIL運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)研究

彭 勇，臧春艷，張 利，郭 果，曲 欣，王會(huì)琳，湯會(huì)增

（1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司超高壓公司，河南 鄭州 450000；2.武漢智能裝備工業(yè)技術(shù)研究院有限公司，湖北 武漢 430074；3.強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074）

0 引言

氣體絕緣金屬輸電線路GIL技術(shù)經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，應(yīng)用范圍廣泛。與現(xiàn)有的架空線和電纜相比較，GIL 具有許多顯著的優(yōu)點(diǎn)：輸電傳輸容量特別大，最大電流可達(dá)8 000 A；熱能和電能損耗很少，節(jié)能效果好，無電磁干擾，輻射低，不影響無線通訊；防護(hù)性能好，維護(hù)量少，故障率極低，抗冰雪和地震等災(zāi)害能力強(qiáng)，防火性能優(yōu)良，安全可靠性高；使用壽命長(zhǎng)，可高于一般輸電架空等線路1倍；占地面積小，可大量節(jié)約土地資源等。在GIL選型、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和維修方面已有標(biāo)準(zhǔn)可循。GIL的電壓范圍廣，安裝方式多樣，在發(fā)電和輸電領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛，已成為歐美發(fā)達(dá)國(guó)家新建和換代項(xiàng)目的最佳選擇。目前，GIL 不僅是國(guó)外大型地下電站高壓引出線的首選方案，而且也是解決大城市的市區(qū)負(fù)荷不斷增長(zhǎng)導(dǎo)致線路走廊緊張問題的優(yōu)選方案，GIL 逐步替代原有常規(guī)架空輸電線路和電力電纜的步伐正在加快，節(jié)能環(huán)保的GIL 電力換代產(chǎn)品必將成為我國(guó)未來超高壓和特高壓電力傳輸?shù)闹匾娏ρb備［1-4］。

截止2020 年6 月，國(guó)家電網(wǎng)有限公司已經(jīng)在蘇通管廊、河南南陽特高壓站建成1 000 kV GIL，設(shè)備總長(zhǎng)度達(dá)到46 km，是華東、華中特高壓環(huán)網(wǎng)的重要節(jié)點(diǎn)。在特高壓換流站，500 kV 電壓等級(jí)的GIL 成為直流場(chǎng)與交流場(chǎng)連接的標(biāo)準(zhǔn)配置，已經(jīng)建成并投運(yùn)的GIL 總長(zhǎng)度已經(jīng)達(dá)到近百公里。其中，青豫直流配套落地工程特高壓南陽站交流1 000 kV 綜合管廊，是河南省內(nèi)第1 條特高壓GIL［5-6］。該工程作為國(guó)家電網(wǎng)公司第1條地上GIL 管線形式，研究其設(shè)備安裝后的檢查及處理措施是十分有意義的。

1 特高壓南陽站1 000 kV GIL工程概況

青豫直流是全國(guó)乃至全世界首個(gè)可再生能源特高壓輸電項(xiàng)目，是落實(shí)中央“新基建”戰(zhàn)略的標(biāo)志性工程。作為河南第二條入豫特高壓直流輸電工程，其換流站部分和變電站部分500 kV 交流系統(tǒng)通過6 根全長(zhǎng)2 922 m的GIL綜合管廊連接。本工程1 000 kV GIL全長(zhǎng)1 450 m，布置位于南陽變電站站內(nèi)駐馬店1出線與變電站東側(cè)出線之間，沿站內(nèi)圍墻布置。變電站站內(nèi)駐馬店1出線側(cè)和東側(cè)駐馬店1出線側(cè)的具體布置，分別如圖1（a）和圖1（b）所示。

圖1 南陽站GIL布置Fig.1 GIL layout of Nanyang station

豫陽I線GIL采用單相式母線結(jié)構(gòu)，型號(hào)為GXL3-1100 型，共有98 個(gè)GIL 單元、24 個(gè)GIS 單元以及36 個(gè)氣室，充SF6氣體合計(jì)35.7 t。其中，GIL最大氣室長(zhǎng)度為90 m，氣室兩端各有一個(gè)DN40接頭，可以保證最大隔室滿足不多于兩臺(tái)氣體回收裝置在8 h內(nèi)能夠回收完畢要求。采用隔板將GIL 及其成套設(shè)備劃分若干隔室，每個(gè)隔室配備充氣逆止閥接頭及SF6密度繼電器。此外，套管、檢修接地開關(guān)、電流互感器單獨(dú)設(shè)置氣室。

本工程GIL布置有兩段較長(zhǎng)的直線布置?？紤]到環(huán)境溫度變化引起的熱脹冷縮變化、殼體制造誤差等因素，設(shè)置了45 m 長(zhǎng)度補(bǔ)償段單元，其組成包括直線型GIL 母線、直管壓力平衡型伸縮節(jié)、固定支架、滑動(dòng)支架，同時(shí)在轉(zhuǎn)角處也設(shè)置補(bǔ)償單元，其組成包括直線型GIL 母線、90°轉(zhuǎn)角型GIL 母線，鉸鏈伸縮節(jié)、固定支架、滑動(dòng)支架。

本工程的GIL設(shè)備觸頭具備6 930 A的通流能力，可以實(shí)現(xiàn)不小于±3°的角度補(bǔ)償，即可以實(shí)現(xiàn)GIL小角度轉(zhuǎn)角誤差補(bǔ)償、徑向角度補(bǔ)償?shù)纫?。?biāo)準(zhǔn)18 m GIL 母線內(nèi)觸頭的軸向伸縮量設(shè)計(jì)值為±40 mm，在滿足通流能力前提下具備15 000次機(jī)械壽命。1 000 kV GIL的法蘭密封結(jié)構(gòu)具體分為法蘭密封結(jié)構(gòu)和隔盆密封結(jié)構(gòu)，兩種密封結(jié)構(gòu)均采用了雙密封。

GIL設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)架如圖2所示。

圖2 青豫直流1 100 kV GIL設(shè)備（南陽站）Fig.2 Qinghai-Henan DC 1 100 kV GIL equipment(Nanyang station)

2 GIL設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)

隨著直流輸電技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外已有較多GIL工程投運(yùn)，這方面也有一定的標(biāo)準(zhǔn)可供參照［7-12］。鑒于豫陽I線1 000 kV GIL設(shè)備已經(jīng)投運(yùn)，在其運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)方法選擇上，宜優(yōu)先選用帶電檢測(cè)的方法，例如超聲檢測(cè)、特高頻檢測(cè)、X光檢測(cè)、紅外檢測(cè)、聲學(xué)成像檢測(cè)、超聲探傷等［13-19］。本文重點(diǎn)探討了以上方法在GIL設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)中的應(yīng)用。

2.1 設(shè)備局放檢測(cè)

超聲法測(cè)GIL 局放的原理，在于發(fā)生局部放電時(shí)氣體分子間劇烈碰撞，并在宏觀上瞬間形成一種壓力，從而產(chǎn)生超聲波脈沖，該信號(hào)波長(zhǎng)較短，方向性較強(qiáng)，能量較為集中?？蓪⒒谥C振原理的聲發(fā)射傳感器置于設(shè)備外殼上檢測(cè)這一脈沖信號(hào)，然后經(jīng)過前置放大、濾波、放大、檢波等處理環(huán)節(jié)，進(jìn)而通過信號(hào)分析以確定設(shè)備的絕緣狀況（如圖3（a）所示）。特高頻法則是以由GIL內(nèi)局部放電時(shí)激發(fā)出的電磁波信號(hào)作為檢測(cè)局部放電的信號(hào)。由于GIL 高氣壓的SF6氣體中局部放電總是在很小的范圍發(fā)生，具有極快的擊穿時(shí)間的特性。對(duì)于電磁波傳播來說，GIL 設(shè)備的導(dǎo)體和外殼的同軸結(jié)構(gòu)形成了良好的波導(dǎo)體，高頻電磁波信號(hào)可以在GIL 內(nèi)部廣泛傳播，因而檢測(cè)這部分信號(hào)即可對(duì)GIL局放故障進(jìn)行識(shí)別（如圖3（b）所示）［20-23］。

圖3 GIL局放測(cè)試示意圖Fig.3 Test Diagram of GIL partial discharge

多次檢測(cè)GIL 管母的超聲波信號(hào)，數(shù)據(jù)見圖4。GIL特高頻局放典型圖譜見圖5。

圖4 GIL現(xiàn)場(chǎng)超聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)Fig.4 GIL field ultrasonic test data

圖5 GIL特高頻局放典型圖譜Fig.5 GIL UHF partial discharge typical spectrum

由圖4可知，多組數(shù)據(jù)無明顯差異，連續(xù)模式下幅值較小，有效值均在0.5 mV 左右，峰值均在0.8 mV 左右，且與背景幅值無明顯差異，各相位模式和圖譜不具備典型放電特征。

由圖5可知三維立體空間中沒有出線很陡的上升趨勢(shì)，與背景圖譜無明顯差異，PRPD 圖譜不具備典型放電特征。

需要補(bǔ)充說明的是，2020年6月在GIL設(shè)備投運(yùn)初期的交接驗(yàn)收耐壓試驗(yàn)中，運(yùn)維人員發(fā)現(xiàn)B、C相3號(hào)氣室某段附近存在疑似放電信號(hào)，幅值在13 mV-15 mV左右，后期設(shè)備投運(yùn)后該信號(hào)消失，現(xiàn)場(chǎng)加壓過程如圖6（a）所示，出現(xiàn)異常的部位如圖6（b）所示，經(jīng)運(yùn)維人員及專家的多次討論分析，認(rèn)為與現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境干擾、疑似放電部位內(nèi)部結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)方法等因素有關(guān)。

圖6 交接試驗(yàn)中的GIL局放檢測(cè)Fig.6 GIL partial discharge detection in handover test

2.2 設(shè)備光譜檢測(cè)

1）X光檢測(cè)

對(duì)1 000 kV 特高壓南陽站1 000 kV GIL 開展X 射線成像檢測(cè)檢測(cè)，依據(jù)《DL/T 1946-2018 氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備X射線透視成像現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)導(dǎo)則》，利用X 光透射技術(shù)對(duì)GIL 內(nèi)部固定三支柱絕緣子、滑動(dòng)三支柱絕緣子等進(jìn)行可視檢測(cè)，再結(jié)合GIL 內(nèi)部結(jié)構(gòu)，判斷是否有結(jié)構(gòu)連接缺陷、雜質(zhì)掉落、零部件缺失等影響設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的隱患。

典型X光圖像如圖7所示。

圖7 GIL典型部位的X射線成像Fig.7 X-ray imaging of GIL typical part

基于氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)全線區(qū)域內(nèi)72處測(cè)點(diǎn)射線成像圖譜進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)部分固定三支柱絕緣子與中心導(dǎo)體存在位移裕度，內(nèi)部中心導(dǎo)體仍存在微小滑動(dòng)位移，但未發(fā)現(xiàn)受外部位移影響造成內(nèi)部位移形變。

2）紅外成像檢測(cè)

利用SF6氣體對(duì)特定波長(zhǎng)的光吸收特性較空氣強(qiáng)得多的特點(diǎn)，使得二者在紅外影像上有顯著差異，因而可將通?？梢姽庀驴床坏降臍怏w泄漏以紅外視頻圖像的形式直觀地反映出來。典型圖像如圖8所示。

圖8 GIL典型部位的紅外成像Fig.8 Infrared imaging of GIL typical part

從多次檢測(cè)的結(jié)果來看，紅外圖像無明顯溫升異常部位，也沒有氣體散逸圖像，據(jù)此可確定目前該GIL設(shè)備未發(fā)生SF6氣體泄漏現(xiàn)象。

3）超聲波探傷

超聲波探傷是利用超聲能透入金屬材料的深處，并由一截面進(jìn)入另一截面時(shí)，在界面邊緣發(fā)生反射的特點(diǎn)來檢查設(shè)備或零件缺陷的一種方法，本研究中主要用此方法來檢測(cè)GIL 設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微小缺陷隱患，典型圖譜如圖9所示。

圖9 GIL超聲波探傷典型圖譜Fig.9 Typical ultrasonic flaw detection spectrum of GIL

總體而言，超聲波探傷譜圖頻率范圍均在3 kHz-6 kHz之間區(qū)域的單峰值的振動(dòng)功率譜密度，未發(fā)現(xiàn)損傷部位。

2.3 設(shè)備噪聲檢測(cè)

GIL 在正常運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生細(xì)微振動(dòng)及聲響，而一旦發(fā)生故障，則噪聲較明顯［24-26］。鑒于GIL 噪聲信號(hào)和設(shè)備本體振動(dòng)關(guān)聯(lián)密切，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)利用124 個(gè)高靈敏度數(shù)字麥克風(fēng)陣列，采用遺傳優(yōu)化算法以及遠(yuǎn)場(chǎng)高分辨率波束形成技術(shù)，將采集的聲音以彩色等高線圖譜的方式可視化呈現(xiàn)在屏幕上，有利于GIL 故障的具體定位及程度判別。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試典型圖譜如圖10所示。

圖10 GIL氣室的噪聲彩色等高線圖譜示例Fig.10 Example of a noise color contour map of GIL unit

通過多次不同運(yùn)行時(shí)段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)噪聲幅值較小，同時(shí)在各個(gè)頻段未出現(xiàn)強(qiáng)烈脈沖信號(hào)，說明目前GIL 設(shè)備在運(yùn)行過程中未出現(xiàn)明顯異常的機(jī)械振動(dòng)。

3 結(jié)語

GIL 設(shè)備是新一代電力輸送技術(shù)的典型代表，其安全與穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。本文針對(duì)青豫直流這一國(guó)家級(jí)示范性工程中的GIL 設(shè)備，探索多種手段在GIL 運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)中的應(yīng)用。基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析可知，該GIL 設(shè)備自正常投運(yùn)后，在多次檢測(cè)時(shí)段未顯示出明顯故障。由于GIL現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，且暴雨、地震等多因素仍有可能導(dǎo)致GIL 管母后期出現(xiàn)局部故障隱患，因此十分必要于投運(yùn)后定期巡檢視察，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備問題并盡早處理，以免產(chǎn)生隱患，從而導(dǎo)致日后的故障甚至事故。

從本文的檢測(cè)結(jié)果來看，基于特高頻和超聲原理的局部放電檢測(cè)方法靈敏度較高，可以作為GIL 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的主要檢測(cè)手段，但相對(duì)容易受到環(huán)境干擾，后期在進(jìn)行故障排查時(shí)需結(jié)合其他檢測(cè)手段的結(jié)果確定最終結(jié)論；光譜類檢測(cè)方法具有非接觸、快速等特點(diǎn)，但檢測(cè)精度相對(duì)較低，可作為輔助檢測(cè)手段；噪聲檢測(cè)對(duì)于GIL的機(jī)械故障有較好檢測(cè)效果。