特高压GIL现场耐压试验技术

赵　科，腾　云，贾勇勇，陶风波，周志成，邵新苍

（1.国网江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京211103；2.国网江苏省电力公司检修分公司，江苏南京211102）

特高压GIL现场耐压试验技术

赵科1，腾云1，贾勇勇1，陶风波1，周志成1，邵新苍2

（1.国网江苏省电力公司电力科学研究院，江苏南京211103；2.国网江苏省电力公司检修分公司，江苏南京211102）

根据国家电网公司的规划，1000 kV“淮南—南京—上海”特高压交流输电线路苏通气体绝缘金属封闭输电线路（GIL）管廊工程将采用6 km长，1100 kV GIL设备，文中梳理了特高压GIL现场耐压试验的必要性及有效性，分析了GIL常见故障类型，针对GIL设备中常见的自由金属颗粒和尖刺缺陷进行了电场仿真，并对GIL的冲击耐压进行了过电压仿真，最后对特高压GIL的现场耐压试验提出了建议。

1100 kV GIL；现场交流耐压；现场冲击耐压；缺陷仿真；过电压仿真

气体绝缘金属封闭输电线路 （GIL）是一种采用SF6或其他气体绝缘、外壳与导体同轴布置的高电压、大电流、长距离电力传输设备，具有输电容量大、占地少、布置灵活、可靠性高、维护量小、寿命长、环境影响小的显著优点［1，2］。GIL技术的首次应用出现在1972年，美国CGIT公司在新泽西州中架设了世界上第一条GIL线路。20世纪90年代初期，GIL设备开始在我国得到应用。南方电网天生桥水电站500 kV GIL线路为我国敷设的第一条GIL线路，由CGIT公司1992年制造，用于连接变压器和空气套管［3，4］。

根据国家电网公司的规划，1000 kV淮南—南京—上海特高压交流输电线路苏通GIL管廊工程将采用2回6 km长，1100 kV GIL设备，工程建成后将是世界上电压等级最高，输送距离最长的GIL设备。

1　GIL现场耐压试验的必要性及有效性

根据国际大电网会议（CIGRE）和国家电网公司多年运行经验的统计，没有进行过现场耐压试验的气体绝缘开关 （GIS）/GIL设备发生事故几率非常高，经过现场耐压试验的GIS/GIL设备发生事故的几率相对较低。究其原因，主要是GIL在工厂完成组装运往安装工地现场过程中，虽然GIL在工厂内组装要求组装车间空气洁净度等级达到6级［5］，但运输中机械振动、撞击等可能导致GIL内部紧固件松动或相对位移；在安装过程中，联结、密封等工艺处理方面可能存在失误，导致电极表面刮伤或安装错位引起电极表面缺陷；空气中悬浮尘埃、导电微粒杂质和毛刺等在安装现场无法彻底清理都会造成GIL投运后发生故障。因此为尽早发现缺陷，及时处理和避免投运后发生事故，GIL现场安装完成后进行现场耐压是非常必要的。

GIL的现场耐压试验主要包括：交流耐压、雷电冲击耐压、操作冲击耐压3种方式。目前随着检测技术的发展，超声或超高频局放测量也成为了现场试验的重要手段之一，一般交流耐压试验后在1.1倍的运行电压下进行［6-11］。根据CIGRE 33/23.12工作组的研究，对现有的现场耐压试验方法及其有效性进行了说明，如表1所示。

表1　现场试验方法及其有效性

2　GIL现场耐压试验的有效性

GIL内部发生绝缘故障的原因往往是多方面的，GIL在制造和组装过程中，难免会留下一些微小的缺陷。在GIL中引起局部放电最常见的缺陷有：严重装配错误、固定突起、自由金属微粒、导体间电气接触不良、绝缘子内绝缘缺陷及绝缘子与电极接触面缺陷等，如图1所示。根据国网公司的运行经验报告，GIS/GIL中各种缺陷导致故障的分布情况如图2所示。选取GIL内部比较容易引入的自由金属微粒和金属尖刺进行仿真计算。

2.1自由金属微粒

GIL在安装、运输过程中，会产生一些自由金属微粒。为研究这些微粒对GIL内部电场分布的影响，采用550 kV GIL典型尺寸进行仿真，设计金属微粒直径为5 mm，分别模拟该自由微粒在靠近外壳、导体和位于中间部位3种情况下的电场分布情况，如图3所示。

图1　GIL中常见的故障类型

图2　GIS/GIL中故障分布情况

图3　GIL内部自由金属微粒的3种情况

选取SF6气体的相对介电常数为1.003 1，采用ANASYS进行仿真，对微粒不进行网格剖分，将其视为等电势体。将73 kV电压施加在高压导杆表面，将腔体内表面接地，微粒靠近外壳的电场分布如图4所示。微粒在中间位置的电场分布如图5所示。微粒靠近导体的电场分布如图6所示。

图4　自由金属微粒靠近外壳的电场分布

图5　自由金属微粒在中间位置的电场分布

由仿真可得，当自由金属微粒远离外壳时对GIL内部电场的畸变效应越大，尤其是靠近高压导体时，金属微粒表面的电场强度最大；自由金属微粒在GIL腔体径向方向的电场强度较小，沿GIL腔体圆周方向的电场强度较大。

图6　自由金属微粒靠近导体的电场分布

由此可得，当金属微粒未发生跳动时，不会对GIL产生较大影响，一旦其发生运动，则会产生剧烈放电。

2.2导体和筒壁上的金属尖刺

GIL在安装过程中会产生一些金属尖刺，如在导杆、腔体筒壁上的一些金属毛刺。采用550 kV GIL典型尺寸进行仿真，为突出尖刺对GIL腔体内电场分布的畸变，设计了2种尖刺模型，分别为位于高压导杆上和外壳内表面上的金属尖刺，长为5 cm、尖端曲率半径为80 μm的金属尖刺，材质为钢，结构如图7所示。

图7　金属尖刺缺陷模型示意图

选取SF6气体的相对介电常数为1.003 1，采用ANASYS进行仿真，将73 kV电压分别施加在高压导杆及其上的金属尖刺表面，分别将腔体内表面及其上的金属尖刺接地，金属尖刺在导体上的场分布如图8所示。金属尖刺在外壳上的电场分布如图9所示。

由仿真结果图可见，无论尖刺位于高压导体还是筒壁上，针尖部位对电场的畸变最为严重；尖刺底部对电场强度有所削弱；当尖刺位于高压导体上时，针尖部位的电场值大约是尖刺位于筒壁上时的3倍，因此当尖刺位于高压导体上时容易发生击穿。

图8　金属尖刺在导体上的电场分布

图9　金属尖刺在外壳上的电场分布

金属尖刺对GIL内部电场的畸变非常稳定，在运行电压下，针尖部位的电场集中，形成稳定的电晕放电。在电晕火花的烧蚀下，尖刺逐渐钝化，电场集中程度降低，从而放电强度变弱，以致电晕放电长期而稳定存在。在过电压的作用下，尖刺放电很可能会导致气体绝缘击穿，造成金属性接地故障。

3　GIL现场雷电冲击耐压试验的过电压仿真

根据国网公司的规划，苏通特高压GIL管廊工程将采用2回6 km长的1100 kV GIL设备。特高压GIL现场雷电冲击耐压试验过程中，由于试验电压的上升沿较陡，GIL设备内部的击穿过电压问题最为显著，下面对特高压GIL在现场雷电冲击耐压过程中的击穿过电压进行仿真。

在建立仿真模型时，拟选定施加电压波形为1.2/50 μs标准雷电波，波形无过冲，幅值为1920 kV；击穿时刻选定为最高峰值处，即电压1920 kV时发生击穿。仿真时，波头电阻固定选为150 Ω，母线电容量45.6 pF/m，套管电容量411 pF/只，盆式绝缘子忽略不计。仿真模型如图10所示。

图10　特高压GIL现场冲击耐压中的击穿过电压仿真模型

A点为GIL套管根部，通过套管施加1.2/50 μs标准雷电波，幅值为1920 kV；B点为GIL设备尾部，设置测点测量过电压水平；考虑到冲击耐压设备的带负载能力，仅仿真GIL长度在95 m及以内的情况。

特高压GIL在雷电冲击电压下，由于GIL设备结构的特殊性，过电压幅值较高。在不同的GIL长度（L）情况下，最大过电压幅值如表2所示。最大过电压倍数如表3所示。

表2　不同GIL长度下的过电压幅值

表3　不同GIL长度下的过电压倍数

在GIL长度分别为60 m，70 m和95 m时，正负2种雷电冲击电压下，最大过电压均超过2400 kV，超过GIL设备的出厂冲击电压值。

4　特高压GIL现场耐压试验建议

根据CIGRE建议、国家电网公司多年运行经验及上文的仿真结果表明，特高压GIL现场开展耐压试验非常有必要，而且建议现场开展交流耐压试验。在现场开展交流耐压试验前，应用绝缘电阻测量仪施加5000 V电压测量主回路绝缘电阻。

5　结束语

（1）根据CIGRE建议和国家电网公司多年运行经验的统计，特高压GIL设备现场推荐进行交流耐压试验。

（2）特高压GIL设备现场耐压试验对于GIL中引起局部放电最常见的缺陷，如自由金属微粒、尖刺等，具有显著的检测效果。

（3）对于GIL中的自由金属微粒，当金属微粒未发生跳动时，不会对GIL产生较大的影响，一旦其发生运动，则会产生剧烈的放电；对于GIL中的尖刺缺陷，无论尖刺位于高压导体还是外壳上，针尖部位对电场的畸变最为严重，尖刺底部对电场强度有所削弱。

（4）特高压GIL设备现场交流耐压试验建议按照0 kV→635 kV（10 min）→762 kV（20 min）→1100 kV（1 min）→762 kV（保持30 min后）测局放→0 kV的程序施加电压。

［1］刘振亚.特高压交直流电网［M］.北京：中国电力出版社，2014：331-332.

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［5］GB 50073—2001洁净厂房设计规范［S］.

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赵科（1985），男，江苏江阴人，工程师，从事高压电器设备现场试验工作；

腾云（1987），男，辽宁抚顺人，工程师，从事高压电器设备现场试验工作；

贾勇勇（1986），男，江西九江人，工程师，从事高压电器设备现场试验工作；

陶风波（1982），男，江苏常州人，高级工程师，从事高压电器设备现场试验工作；

周志成（1977），男，湖南株洲人，高级工程师，从事高压电器设备现场试验工作；

邵新苍（1989），男，江苏宜兴人，工程师，从事高压电器设备现场试验工作。

发电技术

Over-voltage Withstand Testing Technology of HUV GIL

ZHAO Ke1，TENG Yun1，JIA Yongyong1，TAO Fengbo1，ZHOU Zhicheng1，SHAO Xincang2
（1.State Gird Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute，Nanjing 211103，China；2.State Gird Jiangsu Electric Power Company Maintenance Branch，Nanjing 211102，China）

According to the State Grid's plan，a 6 km long 1100 kV GIL equipment will be adopted in Sutong GIL utility tunnel in 1000 kV"Huainan-Nanjing-Shanghai"UHV AC transmission lines project.This paper gives a detailed introduction to the necessity and effectiveness of UHV GIL over-voltage withstand testing and analyzes some common fault types.The electric field of free metal particles，the spikes in GIL equipment and the GIL over-voltage withstand testing are implemented. Finally，the suggestions to UHV GIL over-voltage withstand testing are proposed.

1100 kV GIL；field AC over-voltage withstand testing；defect simulation；over-voltage simulation

电网技术

TM83

A

1009-0665（2016）04-0032-04

2016-04-21；修回日期：2016-05-28

国家重点基础研究发展计划（973计划）

2011CB209406