GIL设备典型故障分析与测试*

宋 媛，张凌薇，敬如雪

(国网武威供电公司，甘肃 武威 733000)

0 引 言

随着电力系统向双碳目标的不断深化发展，GIL(Gas Insulated transmission Line)设备在满足最大限度降低电能损耗的条件下，能够达到最大发送电能的目标；并且，GIL设备采用模块化的结构设计，极大地方便了现场安装和运维工作，特别是对于复杂地形，GIL设备能够较好的保护输电设备，最大限度地降低对环境的污染[1-2]。由于远距离特高压线路的不断建设，GIL装置使用量不断增加。GIL在电网内主要应用在换流变和交流滤波大组进线，GIL发生绝缘故障，将会导致非计划停电，可能损失大量负荷。某站投产以来，GIL装置出现了三支柱绝缘子炸裂与局放超标的情况[3-4]，分析认为环氧绝缘子内部存在缺陷导致了炸裂故障。通过人工模拟缺陷，现有出厂检测手段未能有效发现缺陷，鉴于三支柱绝缘子结构比较特殊，当前的技术难以实现绝缘子内部气泡全面判断，而气泡的准确判断，成为该类型绝缘子的必要条件。因此，准确分析三支柱绝缘子内部气泡情况，成为GIL发展的关键步骤，由此提出GIL的技术要求，提出反事故措施，防止同类事故在已投运的工程和正在规划建设的直流系统中再次发生。

1 GIL设备及GIL在线监测技术介绍

1.1 GIL设备特征

为了方便生产、安装和运维，GIL设备采用模块化结构，通常一个模块的设计长度不足20 m，两个管道的连接通过法兰实现，GIL设备壳体主要有三种成形方式：成型管材、板材卷焊、带材螺旋焊。对于长隔断管道设计的GIL而言，壳体宜采用螺旋焊管形式，如图1所示。

图1 GIL壳体 图2 GIL装置部分模块外形图

GIL装置选择结构化模块制造，从功能上划分，含有五个方面，分别是隔离模块、补偿模块、直线模块、可拆卸模块和转角模块[5-6]，如图2所示。隔离模块通过设置充气式设备进行物理隔开，这样分段化处理的模式，有利于设备的调试与维护；补偿模块含有伸缩节、短接筒体和中间导体三部分，实现温差引起的GIL装置长度的改变，保护线路安全；直线模块的功能是实现GIL装置的直线互联；可拆卸模块的功能是有利于GIL装置的分段拆开；转角模块的功能是实现GIL装置大角度的变向。

1.2 GIL在线监测技术

(1) 局部放电监测。GIL可以安装特高频局部放电在线监测与专家诊断系统，该系统在GIL壳体的特定位置上安装内置式或外置式特高频传感器，检测设备内部的局部放电特高频信号。通过测量GIL内部的特高频电磁波信号来监测局部放电的强度、重复率和发生相位等信号，并通过分析和诊断软件，分析和诊断故障的性质、大小、位置，以达到评估GIL内部绝缘状态的目的。GIL局部放电在线监测装置主要由传感器、采集装置、就地光电转换装置、局放在线监测屏组成。

(2) SF6气体微水在线监测。SF6气体微水在线监测装置由传感器、控制器和显示器组成，其中，传感器的主要功能包含压力、露点、温度等的监测。目前，市场上大量使用湿敏元件作为微水传感器，但该类型传感器存在零点漂移的问题，而露点传感器则无该问题，但是露点传感器体积大，需要提供电源进行冷却处理。该技术采用模数转化和算法补偿的方式，把监测数据发送到监控主机，然后通过远方监控系统发送到中枢监控平台，完成系统里SF6气体水分的检测，获得装置的运行状态，从而实现状态检测。其原理框图如图3所示。

图3 SF6微水在线监测装置原理框图

(3) 气体密度在线监测。SF6气体密度对于GIL内部绝缘强度来说非常重要，通过SF6气体在线监测装置能及时发现GIL的气体泄漏，从而进行早期维修。GIL气体密度监控与GIS气体密度监控类似，GIL的每个气室都通过密度计单独进行监控。SF6气体密度在线监测系统由四部分构成：安装在气室的密度传感器、含有过压保护和光电转换器的就地接线箱、安装在继保室的SF6在线监测柜和安装在主控室的后台终端。SF6气体密度在线监测系统通过光缆和后台终端进行通信。如果SF6的密度降到规定下限，则生成报警信号并发送至计算机，并在后台监视器上显示，如图4所示。

图4 SF6气体密度在线监测系统示意图

2 典型故障案例及原因分析

某500 kV变电站自投运以来，GIL设备发生三支柱绝缘子炸裂故障和GIL管道异响的原因，均为绝缘体内部发生贯穿性放电导致，如图5所示。这些情况的出现，可以分为两种类型：绝缘炸裂和焊点断裂。针对焊点断裂引起的GIL管道异响问题，可以对GIL单元进行焊接整改，整改后再未出现过GIL管道异响问题。

图5 三支柱绝缘子炸裂

2.1 GIL管道异响分析

为了准确分析引起GIL管道异响故障的原因，把存在异响的模块进行解体，可以观察到内部连接板处存在焊点断裂的情况，如图6所示。为了消除这种缺陷，通过增加焊点和焊缝长度的技术，改善焊接质量，从而增加焊接位置的稳定性。

图6 GIL管道焊点断裂 图7 当触座发生偏心10 mm时，导体反作用力示意

2.2 炸裂故障原因分析

GIL装置中的固定三支柱功能为固定导体，实现隔离绝缘和支撑导体的目的。受温差的影响，固定三支柱和GIL的外壳出现相对位移，这种位移量非常小，可以看成静力，实际运行过程中，这个力小于1 400 N；通常需要支撑的力小于1 000 N。通过仿真分析，GIL装置在组装过程中，产生的偏心为10 mm，形成的轴向偏心力小于500 N，如图7所示。

GIL转弯位置的固定三支柱受力弯矩包括三个方面：插拔力弯矩、偏心力弯矩和重力弯矩。根据相关规程要求，插拔力弯矩小于700 Nm、偏心力弯矩小于250 Nm、重力弯矩小于120 Nm，如图8所示。通过仿真得出：该处绝缘子径向合力小于1 400 N，轴向合力小于500 N，总弯矩小于1 070 Nm。

图8 固定三支柱弯矩示意图

GIL装置直线段设置的固定三支柱绝缘子的受力包括三个方面：插拔力、偏心力和重力。根据相关规程要求，插拔力小于1 400 N，偏心力小于500 N，重力小于2 000 N，并且，形成的弯矩小于250 Nm，如图9所示。通过仿真得出：该处绝缘子径向合力小于2 500 N，轴向合力小于1 400 N，总弯矩小于250 Nm。

图9 直线段三支柱受力示意图

由上可知，GIL装置中转弯位置的固定三支柱绝缘子受力总弯矩小于1 070 Nm，直线段设置的固定三支柱绝缘子总弯矩小于250 Nm，那么，GIL装置中转弯位置的固定三支柱绝缘子单个支柱最大受力不超过356.7 Nm弯矩。通过实验分析，当GIL装置的绝缘子施加2.12 kN×0.31 m荷载情况时，嵌件与环氧材料分离，因此，该装置设置的嵌件粘接力裕度参数是1.84，参数小于规程要求，如图10所示。

图10 嵌件和环氧材料直接脱开

同时，开展电场分析，假设施加的电压是1 675 kV，如图11所示。通过仿真得出，最大的电场位于SF6气隙侧，达到21 kV/mm。SF6气隙侧电场主要和绝缘子的外绝缘有关，而该站绝缘子炸裂是由于其内部电场集中引起的，和SF6气隙侧电场无关。

图11 电场仿真 图12 气隙电场仿真

为了分析GIL运行过程中气隙的作用，假设GIL装置中存在3 mm的气隙，如图12所示。通过仿真得出，气隙位置的场强超过了90 kV/mm。在电场的作用下，带电粒子容易和气隙内壁发生碰撞，引起GIL装置内部材料性能降低，出现局放的情况，具有炸裂的隐患。

开展站内GIL设备带电局放测试，分析GIL装置内局放超标及炸裂原因，如图13所示。通过测试发现存在局放超标的情况，超标值达9.74pC。打开GIL设备，绝缘子表面正常，那么，局放信号来源于绝缘子内部。

图13 局放超标 图14品红测试

由于局放信号衰减很快，为了对故障位置进行准确定位，选择工业CT技术，确定故障点位于金属嵌件和环氧树脂交界位置，将该处解体，采用品红进行着色测试，如图14所示。通过品红测试可以确定，该处存在明显的裂缝。

3 实验分析

GIL装置运行过程中，由于温差的作用，内部器件之间微小的相对滑动是实际发生的，接触导体与触头的相对运动将在接触部位产生一个持续作用的插拔力。触指珊结构触头的插拔力不超过1 400 N。由于导体与三支柱为刚性连接，该持续往复运动的力会传递到三支柱上。为评估该持续力对三支柱的影响，需要开展15 000次机械试验模拟验证。试验形态由一段带盆式绝缘子、固定三支柱、三通弯头和波纹管的形态与一段6 m长外壳带活动三支柱的形态组成，如图15所示。

图15 机械可靠性验证模型

驱动工装用于实施触头运动的驱动，试验行程为±40 mm。通过调整三通外壳和波纹管可以实现触头插接部位±3°偏转。试验按照先偏转+3°操作1 000次，然后偏转-3°操作1 000次，最后调整到0°完成剩余的13 000次，总共进行15 000次往复试验，试验步骤如下。

(1) 开展单个绝缘子工频耐压测试，设置电压值是740 kV，耐压时间设置是1 min。

(2) 完成局放测试，设置电压值是592 kV，设计值不超过3pC。

(3) 完成X光射线测试。

(4) 组装GIL设备，固定三支柱绝缘子机械可靠性验证试验平台(不包含驱动工装)，开展回路电阻测试。

(5) 完成雷电冲击测试，设置电压值是1 675 kV，波前时间设置是1.2 μs±30%，波后半峰值时间设置是50 μs±20%。

(6) 开展GIL设备工频耐压试验，试验电压为740 kV，试验时间为1 min。

(7) 开展GIL设备局放试验，试验电压为592 kV，局放量要求≤5pC。

(8) 将驱动工装连接到第一GIL导电杆一端，开展动态插拔试验。通过GIL导电杆与波纹管实现触头插接部位±3°偏转，试验按照先偏转+3°操作1 000次，然后偏转-3°操作1 000次，最后调整到0°完成剩余的13 000次，总共进行15 000次往复试验，试验频次为1次/min。

(9) 开展GIL设备回路电阻测试，电阻变化值≤20%。

(10) 重复上述步骤(5)～(7)。

(11) 解体GIL设备，重复上述步骤(1)～(3)。

测试前GIL的回路电阻是145.7 μΩ，通过15 000次以上测试后，测试GIL的回路电阻是149.7 μΩ，电阻稍微增加。测试完成后，GIL装置内的触头导电杆存在一定的磨损，脱落物基本掉在屏蔽罩与导电杆里面。测试前，绝缘子的插拔力为1 481 N，测试完成后，绝缘子的插拔力为2 089 N。GIL转角形态固定三支柱绝缘子单元局放耐压试验和雷电操作无异常，当施加592 kV时，形成的局放量是1.80pC，如图16所示。

图16 绝缘子局放测试

因此，假设GIL装置内的绝缘子投运前不存在缺陷隐患，那么运行15 000次机械操作后，性能基本没有变化，满足稳定运行的要求。

4 结 语

支柱绝缘子是一种特殊的绝缘控制方式，在架空输电线路中起着重要的作用。而GIL输电容量大，布置紧凑灵活，电磁屏蔽功能强大，运行稳定安全。文中以某500kV变电站GIL设备故障为例，通过仿真实验模拟支柱绝缘子炸裂故障与GIL管道异响过程，分析导致绝缘体开裂原因。绝缘子内部出现裂缝、嵌件粘接力裕度系数偏低、交界面气隙较大，都会引起三支柱绝缘子炸裂。同时，增加焊点和焊缝长度，提升焊接位置稳定性，可以消除GIL管道异响，从而提高GIL设备运行年限。