GIS / GIL系统绝缘设计的一些关键方面的回顾外文翻译资料

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GIS / GIL系统绝缘设计的一些关键方面的回顾

K.D. Srivastava, 研究员，IEEE M.M.Morcos,高级会员, IEEE
不列颠哥伦比亚大学 堪萨斯州立大学
温哥华V6T 1Z4 曼哈顿，KS 66506
加拿大 美国

摘要：全球电力行业在压缩气体，SF6或SF6/N2混合物，开关设备和输电线路（GIS/GIL）方面拥有大约35年的制造和实践经验。这些设备被用于分配电压最高的传输电压，包括目前正在测试和评估承载电压高达1000kV的GIS。根据一些研究重点在GIS绝缘设计的电力公司和制造业的调查发现，对于GIS设备，绝缘设计中有两个领域非常关键：一是金属颗粒污染，二是支撑盆式绝缘子可靠性。因为在电力行业中要使用SF6（一些组件中）和SF6/N2混合物（其他组件中）来发展承载更高电压的GIS设备和更长GIL线路设计，所以对颗粒污染的控制和对盆式绝缘子的质量的管理和考虑就是至关重要的。本文回顾了当前对于颗粒污染的控制技术和对支撑盆式绝缘子的质量保证技术。局部放电监测在确保GIS/GIL安装的绝缘完整性方面的起着重要诊断作用。
关键词：气体绝缘系统，支撑盆式绝缘子，颗粒污染。

一、介绍
电力系统几十年来一直使用气体绝缘开关设备（GIS）和气体绝缘传输线（GIL）技术承载和传输高达765kV的电压。在20世纪70年代，美国已经拥有了一些GIL装置，但在当时的GIL线路通常都应用在是几百英尺的短运行上。在另一方面，GIS技术迅速发展，现在全世界有大量承载电压高达765kV的GIS设备。参考文献[1-3]是关于GIL和GIS技术以及关于GIS实践经验的有用的总结。
在传输电压设计上，虽然三相和单相设计都在使用，但是单相设计更为常见。现在GIS/GIL的技术和操作优势已经确立，GIS和空气绝缘变电站（AIS）相比有很多优点：更加可靠，占用空间小，不受天气影响，并且可以美观地集成到周围环境中。
基本的单相设计是包括具有支承绝缘子，膨胀接头，观测/监测装置和仪表的同轴总线。在GIS中当然也存在其他设备，例如断路器，断路开关，电流和电压互感器和接地开关等。这些设备外壳几乎全是铝合金，也在一些设计中使用钢，例如短距离的GIL。外壳都设计成压力容器，并且必须承载感应返回电流来减少外部磁场的影响。
到目前为止最常用的绝缘气体是六氟化硫（SF6）。SF6是一种电负性气体，在均匀电场中，对于一定的给定压力，SF6在破坏性放电情况下绝缘效果比N2好大约2.5倍。SF6也是一种在京都议定书中被提到的“温室气体”。此外，在SF6气体中存在水分的情况下，气体的间歇性排放可能产生剧毒性副产物，在大电流起弧的情况下产生的副产物会对人的健康造成非常严重的危害。
由于上述原因，有很多工业企业对评估混合了N2的SF6（例如，20％SF6 80％N2）的使用非常关注，并给出了在纯度接近80％SF6的混合物的理想击穿情况。所以这种气体混合物最有可能在GIL中应用。
如上所述，在过去五年左右的时间里，GIL技术重新获得了关注。在1998年，有一项对70米的GIL原型进行了模拟50年正常服务寿命的测试。此外，在1999年，在GIL中使用SF6--N2气体混合物的几个项目也在进行。这其中最重要的设计挑战是设计可以长期运行和并且适用于地下隧道技术的管状铝导体。这项设计的目的是制作出约100m长的密封截面。日本已经安装了适用于275kV，3.3km的GIL线路[4]。不仅如此，最近在日本已经进行了1000kV GIS的现场测试[5]。目前，包括都在使用单相和三相机壳，GIL的使用数量已经超过200例。
在电力公共事业中，GIL应用的增长是由架空传输线上的环境约束来驱动的。对于这样的GIL应用没有公认的标准或指南。然而最近IEC出版物旨在局部的填补这一空白，早些时间IEC关于GIS的出版物也被考虑在内[6-7]。 近来对GIL的试验评估了更换部分所需的修复时间，并且测试了2500小时后在额定电流和两倍额定电压下GIL的老化情况。

二、现场经验
参考文献[2，3]中报道的行业经验确定了可能对GIS绝缘产生有害影响的几个原因，并扩展到了GIL的可靠性问题。参考文献[3]中报道的1996年调查结果中确定了隔离开关是故障的主要原因，其次是气体绝缘失效。导致GIS/GIL绝缘失效的因素有：

1.支撑盆式绝缘子的质量问题

2.陡坡前过电压（VFTO）

3.瞬态地面

4.控制接线瞬变

5.金属颗粒污染

6.调试测试
此外，至少还有两个其它相关系统问题，一是陡坡前过电压（VFTO）对连接的绝缘装置上的影响，二是对SF6绝缘气体的电弧放电的处理。典型的“早期故障期”的故障频率已经被观察发现，而且因为盆式绝缘子可靠性和颗粒污染导致的绝缘故障在更高的系统电压下更难以解决。然而这是可以预估的，由于BIL与峰值服务电压的比率从138kV的5.76降低到800kV的3.29，盆式绝缘子脆弱性和颗粒污染的组合会更严重的损害气体绝缘的完整性[8,9]。
根据大量已出版的文献可以了解GIS/GIL技术的发展，和上文所写的现场经验。大多数的制造商已经采取通过合并设计/制造的措施以提高绝缘的完整性。本文主要涉及两个具体方面，即对支撑盆式绝缘子和金属颗粒的控制。

三、GIS/GIL支撑盆式绝缘子
GIS/GIL系统中的盆式绝缘子闪络是一个复杂的现象，各种因素都会影响其性能，例如盆式绝缘子的轮廓和材料，施加电场下的体电荷，施加电压波形和金属颗粒污染[9]。假设不存在表面或主体电荷，在金属插件/任何静电屏蔽的影响下，盆式绝缘子附近的电场分布由介电常数和电极——盆式绝缘子——气体“三重”确定。在优化支撑盆式绝缘子以适应其他设计约束[1,9]中有非常多的工业经验作为指导，一些制造商将盆式绝缘子的最大表面场限制为小于中心导体处的临界击穿场。主要未知因素是在正常和瞬态施加电场下的任一表面的电荷积累的数量情况和分布情况。超高速图像转换器拍摄的盆式绝缘子闪络表明放电可能发生在盆式绝缘子表面上的任何地方，而且发生速度极快，在纳秒范围内[10]。因此，盆式绝缘子轮廓的设计和三重合流点的屏蔽非常关键。与真空（低压）开关设备的经验不同，致力于通过弱导电表面涂层来排出盆式绝缘子表面的测试尚未实践。

支撑盆式绝缘子可以通过从电极注入电荷和在固体材料中传输，或通过间隔物上的表面传导，或通过穿过绝缘气体的电荷传输来获得表面/体电荷。当存在DC施加场时，容积充电最有可能发生。应当注意的是对用于DC GIS/GIL的盆式绝缘子需要长期进行包括体电荷的分布和沿着表面并与表面垂直的所得场的电应力评估。一些DC GIS设计可以使盆式绝缘子区附近的场驱动自由金属颗粒离开盆式绝缘子并朝静电颗粒捕集器移动[11]。
除了考虑盆式绝缘子的热和机械完整性存在之外，还有若干其它设计考虑，如屏蔽表面免受游离金属颗粒的影响，最小化盆式绝缘子材料的主体中的气体空隙，还有在SF6电弧副产物的情况下确保盆式绝缘子表面的最小化学腐蚀。最近的研究表明，由开关操作导致的VFTO可能会破坏在直径小至1mm的空隙中的PD活性。这有极低的可能性导致击穿，还需要使用x射线辐射和“1pC”的PD来检测灵敏度从而进行专门的开发测试。
盆式绝缘子可能由于表面闪络或大面积失效而导致故障。GIS/GIL设计经常使用气密盆式绝缘子来分隔不同的总线隔间。优先选择将电磁场限制4kV/mm（rms）以下，如果质量控制特别好，那么更高的电磁场也是可行的。大多数盆式绝缘子是填充环氧树脂系统的铸件，树脂通常选用双酚A，脂环族或乙内酰脲。 为了实现良好的热和跟踪性能以及在铸造期间的能够最小化收缩，填充是必需的。尽管已经在使用二氧化硅和石英，但现在新的实践是使用氧化铝或三水合铝。而且环氧树脂制剂是必须专用的。当存在SF6起弧副产物时，二氧化硅/石英填料会受到腐蚀损害。
至少有三个因素影响盆式绝缘子的绝缘性能，一是在高度互连的电力系统中，断开开关操作下产生的相当多的VFTO会导致低概率体故障；二是可移动的金属颗粒可能移动到盆式绝缘子表面; 三是当在中心导体上存在被捕获的DC电荷时，来自中心导体上的固定粒子（发射极）的DC电荷在盆式绝缘子表面上的累积。当然可以认为上述条件只是有非常低的概率发生。但是，VFTO导致故障是可能的发生的，因为在某些系统操作条件下，可能在绝缘上施加非常多的这种瞬态过电压。制造商和电力公司正在探索新的质量控制方法来检查这种非常小的空隙（lt;1 mm）[12]。
为了防止自由导电粒子到达盆式绝缘子，大多数制造商使用某种形式的静电粒子阱。 图1显示145 kV GIS设计的隔离和金属颗粒的气体绝缘的退化[13]。 下面是对自由导电颗粒的控制和管理的更详细的描述。

图1 使用模拟同轴电极降解145 kV GIS的SF6气体绝缘：

（1）裸电极，负开关脉冲，考虑导体表面粗糙度;

（2）与（1）相同但具有盆式绝缘子;

（3）与（2）相同，但对于60Hz，一分钟峰值AC耐压;

（4）与（3）相同，但是具有6.4mm长，0.45mm直径的铝颗粒。

参考文献[13]。

四、自由导电颗粒的控制和管理
GIS/GIL中的金属颗粒污染会极大的损害电绝缘。金属颗粒污染最有可能的产生原因是制造和组装过程中留下的碎屑，机械磨损，负载循环下的中心导体的运动和装运期间的振动。即使具有非常严格的质量控制，一定水平的颗粒污染似乎也是不可避免的。已经有大量的研究调查可以使我们通过了解GIS/GIL系统中金属污染的行为来实现控制和减轻其有害影响[14]。
在施加的AC电压的条件下，在GIS/GIL的水平安装部分中，闲置在外壳内部的金属颗粒获得电荷，并在电压足够高的情况下抵抗引力的能力提升。颗粒一旦悬浮将随机运动，由于颗粒和外壳之间存在不可避免的粗糙程度，粒子还将获得一定的水平速度。如果施加的电压足够高，则颗粒可以跨过电极间间隙。研究表明，在中心导体附近的击穿主要发生在以下两个阶段过程中：在足够高的施加电压下，颗粒和中心导体之间的小气隙首先击穿，随后穿过较大间隙到达外壳。所以要想控制和管理颗粒污染，三个电压参数对于设计者非常重要：即给定的GIS/GIL配置中给定的颗粒剥离，交叉和击穿电压。图2显示了特定情况下的这些电压[15]。

图2 SF6中的剥离，交叉和击穿电压，直径为0.45 mm的铜线，在76 mm平行间隙中为1.6mm（o）和6.4mm（）。每级六个测量。参考文献[15]。

从一些制造商进行的测试得知发现污染的金属颗粒是大部分短于1mm“线”形物，还从中得到了较长的颗粒（4mm和更大）对绝缘完整性具有最大的威胁这一结论。此外，如果移动的颗粒到达盆式绝缘子表面，将会造成严重的损害[8]。
大多数制造商通过某种形式的静电阱来固定这些颗粒。图3显示了一个这样的静电阱。由于盆式绝缘子是绝缘系统中最脆弱的部件，大多数GIS/GIL设计将颗粒陷阱设置在盆式绝缘子附近。
减少颗粒污染影响的另一种方法是选择直径较大的外壳。通过使用更高的用于剥离，交叉和击穿的AC电压，可以减小由给定的操作AC电压引起的外壳电场。因此不同制造商之间的GIS/GIL尺寸存在明显变化。


图3 用于单相GIS总线管道的静电颗粒捕集器示意图。 参考文献[13]。
还有一些制造商研究使用的另一种技术：用绝缘（电介质）材料（例如环氧树脂）涂覆外壳的内表面。现在已经有很多关于这项技术的文献[14]。这层涂层通过位于涂层上的颗粒来阻碍电荷的获取，因此交叉和击穿电压显着提高。图4和图5示出了针对给定的GIS/GIL中线颗粒的几何计算结果。颗粒在电荷高速提升和之后与外壳碰撞的物理过程还没有完全了解。只能假设穿过涂层的传导和颗粒与涂层之间的部分放电这两方面起了作用[14]。

图4 施加的交流电压对在70mm / 190mm同轴GIS母线管中的0.45mm直径，6.4mm长的铝线达到的最大偏移高度的影响。 参考文献[14]。

图5 在70mm / 190mm同轴GIS总线管道中，气体压力对0.45mm直径，6.4mm长的铝线的SF6击穿概率的影响。 参考文献[14]。

五、未来趋势
颗粒检测和局部放电检测技术在目前受到相当的重视。新的超高频（UHF）技术已经投入使用[16]。在新设计中，简单的静电（电容）探头已被UHF耦合器取代，因为UHF耦合器更加灵敏，而且产生的噪声更少。
随着HVDC在电力传输中使用的增加，DC GIS设计现在已经

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