GIS导体接头异常温升问题研究简述

南方电网科学研究院有限责任公司 金 虎 彭在兴 王 颂 袁 耀 程建伟

中国南方电网有限责任公司 陈 曦

新能源电力系统国家重点实验室，华北电力大学 丛浩熹

GIS导体接头异常温升问题研究简述

南方电网科学研究院有限责任公司 金 虎 彭在兴 王 颂 袁 耀 程建伟

中国南方电网有限责任公司 陈 曦

新能源电力系统国家重点实验室，华北电力大学 丛浩熹

SF6气体绝缘组合电器（gas insulated switchgear,GIS）是重要的电气设备，在电力系统中的应用日益广泛。但是根据南方电网近几年的统计数据，发现导体接头异常温升引起的故障问题非常突出，基于此，本文作者通过跟踪多起现场GIS接头异常温升事故及调研目前研究成果，总结了现场GIS接头异常温升的特征及原因，并从实验平台搭建、接触不良模型、检测方法及评估算法等方面对目前已有研究成果进行了综述，最后进行了总结，为进一步实现GIS接头异常温升的检测提供了一定的指导意义。

GIS；异常温升；检测；触头温度；简述

0.引言

SF6气体绝缘组合电器（gas insulated switchgear,GIS）由于其占地面积小、受大气环境影响小等优点，近年来在电力系统中得到广泛应用[1-3]。其密封结构具有很多优点，但是也带来了一些不利的影响，诸如不方便检修、不利于内部运行状态的检测等[4-6]。根据南方电网2010-2015年多起GIS故障统计分析数据，发现导体接头异常温升问题在所有故障原因中位列第2位，其中仅2015年就发生5起，占全年GIS故障数量的50%，进一步统计发现，异常温升主要发生在母线接头、分支母线接头和隔离开关接头位置，而目前对于GIS接头异常温升检测方面尚缺乏有效的检测手段。基于此，对GIS接头过热原因和检测方法进行研究具有重要意义。

作者通过跟踪多起现场GIS接头异常温升事故及调研目前研究成果，通过分析总结现场GIS接头异常温升的特征及原因，同时通过查阅相关文献及和部分高校进行交流，对其研究现状进行了综述，包括GIS实验平台的搭建、触头接触不良模型的模拟和仿真、检测方法的研究以及检测结果的评估。该综述旨在更好的掌握目前存在的问题和需要进一步解决的问题，为解决GIS导体接头过热故障提供了一定的参考作用。

1.GIS接头过热故障特征及原因

表1是南方电网2015年度发生的5起GIS接头异常温升故障统计。作者通过现场典型事故案例跟踪获取了典型的故障特征，如图1所示。

表1 2015年南方电网GIS接头异常温升故障统计

图1 现场事故图

现场故障主要特征如下：

（1）接头处有烧融的现象，甚至有些连接螺母完全融化；

（2）有熏黑的迹象，腔体内部有大量的分解及二次生产物，呈粉末状。

2.现场检测方法研究现状

目前对于GIS导体过热现场检测方法主要为回路电阻测试和红外成像测试[7,8]，其中回路电阻测试需要停电，而且该方法并不能反映接触不良的具体位置，红外成像测试法具有非接触、不停电的优点，目前市场上的主流红外成像仪测试波段为8~14um，但是绝大多数红外成像仪的分辨率和精确度不能够满足要求。

由于GIS的封闭结构，通过红外检测，测试的只是外壳温度，而外壳温度受日照，环境温度等影响较大，同时对于外壳温度和导体温度的相关性目前处于实验室研究阶段，尚没有公认的定论，主要是根据温差来判断内部状态，尚缺乏有效的诊断判据。

3.实验室研究现状

实验室研究主要是针对现场运行出现的故障问题进行模型搭建，在实验室中重现现场故障特征，从而探索造成GIS接触不良故障的原因和机理，并根据其特征开发出相应的检测方法，最终将研究成果应用于运行生产实际中。

图2 实验室研究方案示意图

如图2所示，实验室研究主要包括GIS实验平台及接触不良模型的搭建、检测方法研究以及故障诊断方法研究几个方面，其中实验平台搭建是是整个研究的基础，而温度参数的获取是关键部分，其质量好坏直接影响到后续分析，最终通过算法模型验证得到的数据的合理性是落脚点，是最终研究的目标。目前国内外对于GIS实验平台的搭建技术已较为成熟，但是对于导体接触不良模型的搭建尚处于探索阶段，另外现有的实验检测方法主要有两种：基于红外辐射技术直接测量GIS导体接头温度和基于光纤光栅技术。

3.1 GIS导体接触不良模型及仿真研究

由于在现场，事故发生后，故障部位往往都烧融了，只能够通过观察GIS内部的故障现象和部分运行数据，再根据专家的运行经验来推断故障原因。要实现GIS导体接触不良的检测，首先要研究其发热机理。

要研究GIS导体接触不良模型，首先需要搭建GIS实验平台，目前国内外研究机构在这方面做了较多研究，已存在各个电压等级的GIS实验平台，但是对于建立触头接触不良的实验模型，目前尚存在较大难度，已有的研究中基本上都是通过仿真来进行研究。

3.2 基于红外技术的GIS触头温度研究进展

文献[9]首先搭建了GIS触头温度检测实验平台，平台主要由126kV GIS设备、大电流发生器、红外温度传感器等组成采用实际的隔离开关触头进行模拟实验，将红外温度传感器安装在GIS外壳外表面，探头通过测量孔接收触头辐射出的红外光波。对于GIS内金属导体由于经过抛光处理，发射率非常低问题，作者采用在待测导体表面涂覆一种高辐射非金属涂料的方法，解决了被测金属表面发射率低的难题。对于SF6气体吸收红外光的问题，研究了不同GIS浓度对红外测温结果的影响，并验证了可以通过调节红外温度传感器的发射率来补偿SF6气体的吸收效应。

文献[10]针对无法直接对带有屏蔽罩的GIS触头进行测温的问题进行了研究。作者通过建立GIS传热模型及实验验证的方法获得触头温度与金属屏蔽罩温度之间的定量关系，提出了利用数据预测与拟合算法，通过直接测量屏蔽罩温度而间接获得触头部位温度的方法。计算温度与实验结果对比表明该方法具有较高准确度。

文献[11]将光纤光栅传感器应用于GIS母线温度监测中，研制出相应在线监测系统，能够有效监测GIS 母线温度及其变化趋势。

4.检测标准制定现状

在生产实际中，标准是科学和经验的结晶，对于现场作业具有非常好的指导性。目前主要是DL/T664-2008《带电设备红外诊断应用规范》，该标准给出了使用红外热像仪检测带电设备的方法、仪器要求及相应的缺陷判据，适用于具有电流、电压致热效应的大部分输变电设备。另外，广东电网公司于2009年也制定了相应的企业标准《带电设备红外诊断预防实验作业指导书》，该作业指导书适用于电力设备预防性试验的周期性项目中，使用红外热像仪进行的带电设备红外诊断工作，但是不包括使用红外测温仪（点温仪）进行的工作。这些标准主要都是基于红外热像仪，并不是专门针对一种设备提出的。目前专门针对GIS导体过热检测方面的，暂时未见标准。

5.结论与展望

5.1 结论

通过整个综述，目前关于GIS设备导体接头过热研究具有如下结论：（1）目前对GIS设备触头温度监测还处于理论研究阶段，红外辐射、红外热诊断和光纤光栅测温三种方法具有很好的应用前景。（2）对于红外热诊断，需要健全GIS导热模型，对GIS导热方面的问题进行深入研究。对于光纤光栅测温，直接测温需寻找光纤光栅的植入方式并深入研究其对设备绝缘影响；而间接测温的主要研究方向为测温点的选取及测温点和触头间温度关系的研究。

5.2 展望

作者结合前人的研究和南方电网发生的典型的GIS导体接头过热事故，目前正在开展如下研究工作：

设计220kV设备主母线（三相共箱）约9m，中间设气隔绝缘子2件，主母线长度方向取截面5~7处放置绝缘板，绝缘板作为传感器载体，每个传感器载体放置测试点若干处，通过浇注绝缘板引线，外壳位置设测试点多处；按导体固定螺钉的拧紧力矩不同设档模拟触头不同接触情况，分别测试回路电阻并进行温升试验；实验中调节三相负荷电流大小模拟不同负荷电流下温升情况；实验中确保无阳光直射GIS壳体。通过该研究力图找出GIS内部异常发热的有效预防措施。

图3 试验方案示意图

[1]RUNDE M,LILLEVIK O,LARSEN V．Condition assessment of contacts in gas-insulated substations[J]．IEEE Trans． on Power Delivery,2004,19(2)：609-617．

[2]YAO Liangzhong,LI Naihu,HAO Kou,et al．Reliability tests of a wireless system of monitoring and controlling for high voltage switch cabinets[C]//2010 International Conference on Power System Technology． Hangzhou,China：IEEE,2010：1-5．

[3]张良胜,张杰．红外在线监测系统在封闭开关柜中的应用[J]．电网技术,2008,32(1)：150-153．

[4]魏翔．气体绝缘金属封闭开关柜在线测温系统设计[J]．电工电气,2010(1)：51-54．

[5]武胜斌,郑研,陈志彬．基于红外测温技术的GIS导体温度在线监测的方案[J]．高压电器,2009,45(4)：100-102．

[6]吴继平,李跃年．红外热成像仪应用于电力设备故障诊断[J]．电力设备,2006,7(9)：38-41．

[7]师晓岩,查玮,孙福等．UHV GIS内部温度场的红外热诊断技术[J]．高电压技术,2007,33(6)：16-20．

[8]陈衡,侯善敬．电力设备故障红外诊断[M]．北京：中国电力出版社,1999．

[9]丛浩熹,李庆民,齐波等．基于红外传感的GIS隔离开关触头温度在线监测技术研究[J]．电力自动化设备,2014,34(3)：144-148．

[10]丛浩熹,行晋源,李庆民等．有屏蔽罩结构的GIS 触头温度红外在线监测技术[J]．电力自动化设备,2014,34(9)：148-152．

[11]吴晓文,舒乃秋,李洪涛等．基于光纤光栅的气体绝缘开关母线温度在线监测系统[J]．电力自动化设备,2013,33(4)：155-160．