直流GIL絕緣設計及局部放電檢測研究進展

趙 科， 王靜君， 劉 通， 何 攀

(國網江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

直流GIL絕緣設計及局部放電檢測研究進展

趙 科， 王靜君， 劉 通， 何 攀

(國網江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

氣體絕緣金屬封閉輸電線路(gas insulated line, GIL)在我國輸電系統中占有越來越重的比例，推廣使用直流GIL對于完善現有直流輸電方式具有很強的經濟效益。與交流GIL相比，直流GIL研究的技術難點和差異主要在于絕緣方面。研究直流GIL絕緣問題能夠指導其運行維護并對其進行壽命預測。文中從直流GIL整體絕緣設計和GIL內部局部放電檢測兩個方面，梳理和介紹了國內外對交直流GIL各方面的研究情況，為針對直流GIL絕緣問題的后續研究提供了參考和借鑒。

氣體絕緣封閉輸電線路； 直流； 絕緣設計；局部放電

0 引言

氣體絕緣金屬封閉輸電線路(gas insulated line, GIL)作為一種新型的輸電方式，具有輸送容量大、傳輸損耗小、安全性能高、對環境破壞小等優點，在特殊地理環境及大容量遠距離輸電領域得到了廣泛應用[1，2]。

現有GIL的應用仍主要限制于交流輸電領域，考慮到GIL的諸多技術優點和直流輸電的快速發展，推廣直流GIL在輸電領域的應用將能夠帶來很高的經濟和社會效益。

目前國內外針對直流GIL的研究集中于其絕緣問題，較多的是對直流GIL的絕緣性能設計和充入氣體SF6的成分比例等研究[4-6]。這些研究通常借鑒了交流GIL和氣體絕緣金屬封閉開關設備(gas insulated switchgear, GIS)相關方面的研究方法和思路，取得了一定的研究成果。文中從直流GIL整體絕緣設計和GIL內部的局部放電2個大方面，梳理和介紹了現有的研究成果。

1 直流GIL的絕緣設計研究

1.1 直流絕緣件設計

直流GIL絕緣設計的目的是將沿面閃絡電壓提高到氣體間隙擊穿電壓的水平，使絕緣的擊穿在氣體介質中發生，而不是沿絕緣子表面發生。

典型的GIL單元化結構示意圖[7]如圖1所示。導電桿為中空結構，和外圍圓筒共同構成同軸的傳輸系統，導電桿和圓筒均使用鋁材。絕緣氣體使用20% SF6和80% N2的混合氣體，在保證絕緣強度的基礎上，降低了成本并削弱了可能帶來的溫室效應。對稱分布的支撐絕緣子由樹脂材料澆筑而成，起到電氣絕緣和機械支撐的作用。絕緣件通常由環氧樹脂和填料制成，目前最為常用的是氧化硅和氧化鋁，2種填料均可以在環氧樹脂模具成型時提供給絕緣件必要的機械強度。

圖1 GIL單元化結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of GIL structure

GIL內部絕緣子有盆式絕緣子和支撐絕緣子2種。

(1) GIL盆式絕緣子一般采用內置式，作用為氣室隔離，既可利用殼體連接法蘭進行封裝，也可在殼體內部設計專用法蘭對其進行安裝，見圖2。

圖2 內置盆式絕緣子設計Fig.2 Design of built-in insulating plate insulator

(2) 支撐絕緣子主要采用三柱式、單柱式，主要作用為支撐導體，如圖3和圖4所示。三柱絕緣子，用于長距離導體的支撐，滑動式三柱式絕緣子頂部支腳與外殼內壁采用彈性觸頭等電位連接，底部的兩個支腳采用滾珠設計，這種設計可以補償導體由于熱膨脹沿外殼內壁的滑動；單柱式絕緣子用于短距離導體的支撐，滑動式單柱式絕緣子通過設置滑動觸頭來實現導體的熱膨脹補償。

本文介紹的是基于BGP的域間二維路由設計方案，它可以利用路徑屬性（如本地優先級和多出口分辨器）實現二維路由策略。簡單來說，域間二維路由為所有可達的目的地址前綴設置一套默認的路徑屬性，然后再為<目的地址前綴，源地址前綴> 這樣的前綴對兒設置專門的路徑屬性，這種設置只作用于對應的前綴對兒，這樣就可以生成一條區別于默認方式的轉發路徑。目的地址前綴，源地址前綴

圖3 單柱式支撐絕緣子設計Fig.3 Design of single-pole support insulator

圖4 三柱式支撐絕緣子設計Fig.4 Design of three-pole support insulator

在直流電壓作用下，絕緣件的形狀及表面形態對GIL內部電場的分布有很大影響。

經過研究[1,2]，綜合絕緣子的直流電壓、操作沖擊電壓和雷電沖擊電壓的耐受水平，比較了多種形式絕緣子的表面場強，如圖5所示。由圖5可以看出半圓錐形盆式絕緣子對絕緣件表面的電荷積聚抑制效果最好，因此在優化直流絕緣子外形結構時，多選用半圓錐形盆式絕緣子。各種絕緣件的應用及主要功能如表1所示。

圖5 不同盆式絕緣子表面場強分布Fig.5 Surface field strength distribution of different basin insulators

絕緣子型式應用場景主要功能盤形盆式絕緣子交流GIL圓錐形盆式絕緣子交流GIL半圓錐形盆式絕緣子直流GIL絕緣支撐氣室隔離三柱式絕緣子單柱式絕緣子交/直流GIL絕緣支撐

1.2 GIL微粒陷阱設計

在GIL中，金屬導電微粒附著在電極表面是普遍存在的現象。金屬導電微粒在垂直的靜電力和電場力作用下，對GIL的絕緣危害很大。

常用的GIL微粒陷阱為柵格狀或孔篩狀，與殼體間會形成低場強區并在底部設粘性物質，當金屬微粒在電場力作用下進行運動，到達微粒陷阱位置后便會掉入陷阱而被捕獲；微粒陷阱與盆式和柱式絕緣子配合安裝，并置于絕緣子殼體側，可以有效捕獲GIL內部金屬微粒，圖6為微粒陷阱和三柱式絕緣子組合安裝圖。

圖6 微粒陷阱結構示意圖Fig.6 Sketch of particle trap structure

1.3 絕緣性能影響因素

直流GIL的絕緣性能受2個因素影響：充入SF6或SF6和N2混合氣體間隙的絕緣強度，以及支柱絕緣子閃絡特性。

針對SF6氣體間隙的絕緣強度已有很多研究。研究結果表明，最優的電場結構設計為外殼與內導體同軸圓柱同心布置[8]。同軸圓柱電極與圓柱平板電極的外形結構和電場分布相似，在絕緣子外形結構優化和金屬導電微粒抑制的相關試驗中，可用帶絕緣子的圓柱平板電極替代帶絕緣子的同軸圓柱電極。直流電壓下的臨界擊穿場強具有極性效應，并隨著氣壓的增大而變得更加明顯；直流GIL的絕緣水平取決于負極性直流電壓。對于理想的同軸圓柱電極，直流臨界擊穿場強估算為：

(1)

式(1)中：p為SF6氣體的壓力，MPa；r為同軸結構內導體的外半徑，cm。

對于SF6和N2混合氣體，可以通過試驗對式(1)進行系數校正，獲取滿足工程使用需求的計算公式。

對支柱絕緣子的閃絡特性研究表明，GIL支柱絕緣的閃絡特性主要受表面聚集電荷和自由導電金屬微粒影響。

直流GIL絕緣子表面存在電場的法向分量，當施加一定長時間的直流電壓后，絕緣子表面電荷會發生聚集并導致表面電場畸變，絕緣子表面可能發生沿面放電[9]。在電壓極性發生改變時，電荷聚集對絕緣子表面放電的影響更加明顯。已有的研究發現：所加直流電壓的大小、極性和作用時間能影響絕緣子表面電荷的分布。在負極性電壓作用下，絕緣子表面分布著負電荷，在正極性電壓作用下，絕緣子表面除分布正電荷以外，還有負電荷；兩種情況下負電荷要多于正電荷，負電荷更易積聚于絕緣子表面。根據SF6中電荷積聚的規律可以推斷，與所加電壓極性相反的電荷將增大絕緣子表面與電極之間的場強，因此在直流電壓持續作用下，電荷積聚到一定程度將直接導致絕緣子閃絡。

自由導電金屬微粒對GIL絕緣也有顯著影響[10，11]。在GIL中，由于機械摩擦和組裝加工遺漏等原因，導致金屬導電微粒附著在電極表面的現象是普遍存在的。金屬微粒附著在電極表面或絕緣表面時有以下3種帶電機理：通過導體或覆膜介質傳導帶電、微粒與覆膜電極間的微放電和微粒尖端電暈放電。由于絕緣子表面電荷聚集導致電場畸變，在絕緣子附近場強集中，自由導電微粒將附著在絕緣子表面。附著在絕緣子表面的金屬微粒直接成為了絕緣子的閃絡途徑，縮短了沿面放電的路徑，極大地降低了絕緣子的閃絡電壓。

綜合影響直流GIL的絕緣性能的2個因素，通常沿面閃絡電壓要遠低于氣體間隙的擊穿電壓。因此，直流GIL的絕緣設計目標是提高絕緣子沿面閃絡電壓，使絕緣擊穿發生在氣體介質中，而不是發生在絕緣子表面。目前，針對GIL采用的措施主要是：優化絕緣子外形并進行表面覆膜處理，減少表面電荷的聚集；設計微粒陷阱和驅趕電極對自由金屬導電微粒進行捕捉，消除自由導電金屬顆粒帶來的不良影響。

2 直流GIL的局部放電檢測研究

電氣設備在運行過程中長期受工作電壓電流的作用，將導致絕緣材料發生局部擊穿，造成局部破壞。隨著時間延長，被擊穿的絕緣結構可能逐步擴大，并最終導致設備絕緣失效。直流GIL在運行過程中同樣存在絕緣失效問題，其中，由于表面電荷積聚和其他缺陷引起的局部放電是引發電老化的一個重要因素。通過對直流GIL局部放電的檢測，能夠保障其運行的安全性并預測其使用壽命[12，13]。

造成GIL局部放電的主要原因是設備中存在缺陷，包括接觸不良、金屬微粒、絕緣子缺陷等，以及直流電壓作用下表面電荷的積聚。由于GIL與GIS設備中的管道母線非常相似，研究GIL的局部放電檢測問題可以借鑒國內外對GIS局部放電的已有研究情況。

對GIS局部放電檢測的技術主要有光學法、聲測法、化學法等非電氣測試法和電氣測試法[14-17]。非電氣測試法的應用都有較大的局限性，如：光學檢測法適用于已知點的局部放電檢測，不適用于未知放電地點的情況；化學檢測法耗費的時間較長，檢測結果有一定的滯后性；聲學檢測法由于聲波傳播方式復雜，衰減程度大，也不適用于常規檢測。電氣測試法包括耦合電容法、地線電流法、外被電極法等，這幾種方法對傳感器的要求均較高，且易受外界干擾。目前常用的特高頻法(ultra high frequency, UHF)，其原理是測量局部放電時電荷中和產生的上升沿較陡的脈沖電流向四周輻射的電磁波，如圖7所示。常用的電磁波傳感器(天線)有內設傳感器、盆式絕緣子內電極、GIL外殼外敷電極和外設天線等。特高頻法的測量頻率范圍足夠寬，可以有效實現對噪聲的抑制，在GIS設備局部放電的檢測方面具有很高的準確性，從原理上，可以推廣到GIL的局部放電檢測，這一觀點得到了文獻[18，19]的支持。

圖7 GIL局部放電體外UHF傳感原理圖Fig.7 UHF sensing outside of GIL partial discharge

在實際應用中，需要檢測出局放信號的幅值和對局放信號進行定位，對設備局部放電嚴重程度判斷，以實現對設備局部放電情況的在線監測。針對GIS局部放電的研究中，使用特高頻法和超聲定位相結合，確定局部放電位置，已經在實驗室范圍內實現了較為準確的放電定位[20]。此外，利用在實驗室搭建的GIS設備局部放電缺陷發展試驗平臺[21]，可以研究GIS設備絕緣子局部放電嚴重程度及其判斷依據。通過對視在放電量、特高頻、超聲波和紫外光等信號的綜合處理，判斷設備局部放電的嚴重程度。類似的診斷方法也可以推廣至GIL的設備狀態檢測，預測其運行狀態。

綜上所述，現有針對GIS的局部放電研究方法都可以推廣至GIL的相關研究中來。需要注意的是，交流條件下廣泛采用局部放電測量來判斷介質絕緣情況，但直流條件下的應用還較少[22]。這是由于直流情況下，電壓極性大小不變，不存在周期性的放電現象，因此檢測直流設備的局部放電現象更加困難。在具體的研究中，還需要考慮使用的檢測方法是否能夠甄別直流GIL中表面電荷反復積聚和中和過程造成的局部放電。

3 結語

GIL具有輸送容量大、布置靈活、對環境影響小、布置方式靈活等優勢，在大容量直流輸電線路加速建設的背景下，直流GIL具有很強的推廣價值。

對于直流GIL的絕緣設計，類比于交流GIL，應著重考慮絕緣子表面電荷積聚和自由導電金屬微粒的影響，提高絕緣子沿面閃絡電壓。對于直流GIL的局部放電檢測，類比GIS的局部放電檢測手段，通過特高頻法與其他測量手段的結合，實現GIL局部放電的測量、定位和嚴重程度判斷。

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(編輯錢 悅)

A Review of Insulation Design and PartialDischarge Detection of DC Gas Insulated Line

ZHAO Ke, WANG Jingjun, LIU Tong, HE Pan

(State Grid Jiangsu Electric Power Company Research Institute， Nanjing 211103， China)

Gas insulated line (GIL) occupies an increasing proportion in the transmission system. The promotion of DC GIL can improve the existing DC transmission mode, and has a very strong economic benefits. Compared with AC GIL, the major technical difficulties and differences of DC GIL are insulation issues. Studies on DC GIL insulation issues are helpful to its operation, maintenance, and life prediction.Domestic and foreign researches on DC GIL are widely introduced from two aspects: the overall insulation design and internal partial discharge detection. It can provide a better cognition and reference for further study on DC GIL insulation problems.

gas insulted line; direct current; insulation design; partial discharge

趙 科

2017-04-28；

2017-06-05

TM854

：A

：2096-3203(2017)05-0098-05

趙 科(1985—)，男，江蘇無錫人，高級工程師，研究方向為GIS、GIL現場交接試驗、局部放電檢測(E-mail：15105168884@163.com)；

王靜君(1982—)，男，江蘇無錫人，高級工程師，研究方向為GIS、GIL現場交接試驗、局部放電檢測(E-mail：15105168881@163.com)；

劉 通(1990—)，男，陜西西安人，工程師，研究方向為GIS、GIL現場交接試驗、局部放電檢測(E-mail：294092404@qq.com)；

何 攀(1989—)，男，湖北荊州人，助理工程師，研究方向為GIS、GIL現場交接試驗、局部放電檢測(E-mail：15205158231@163.com)。