汪全虎 戴鵬飛 陳欣

【摘? 要】針對(duì)氣體絕緣全封閉組合電器（GIS）運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)外部發(fā)熱缺陷的現(xiàn)象，研究了GIS外部環(huán)流產(chǎn)生機(jī)理，并通過幾個(gè)典型GIS外部發(fā)熱缺陷對(duì)環(huán)流進(jìn)行了驗(yàn)證，提出了針對(duì)GIS外部發(fā)熱的幾種抑制措施和處理方式。

【關(guān)鍵詞】氣體絕緣全封閉組合電器;GIS;電磁感應(yīng);環(huán)流

Abstract：Aiming at the external heating defects in the operation of GIS，this paper introduces the mechanism of GIS circulation current.Based on several typical heating defect of GIS，it is found out that the circulation current is exists.According to this reasons，the several inhibition methods are proposed，which is significantly useful in eliminating the GIS external heating defects.

Key words：Gas Insulated Switchgear;GIS;Electromagnetic Induction;Circulating Current

引言

GIS（GAS insulated SWITCHGEAR）是氣體絕緣全封閉組合電器的英文簡(jiǎn)稱。GIS由斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、互感器、避雷器、母線、連接件和出線終端等組成，這些設(shè)備或部件全部封閉在金屬接地的外殼中，在其內(nèi)部充有一定壓力的SF6絕緣氣體，故也稱SF6全封閉組合電器。與常規(guī)敞開式變電站相比，GIS的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、可靠性高、配置靈活、安裝方便、安全性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，維護(hù)工作量很小[1]。

GIS設(shè)備在浙江省內(nèi)廣泛應(yīng)用，在運(yùn)行過程中已發(fā)生過多起設(shè)備外部發(fā)熱現(xiàn)象，特別是法蘭面發(fā)熱情況較多，長(zhǎng)時(shí)間發(fā)熱會(huì)加速密封圈等部件老化，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)漏氣、放電等嚴(yán)重影響GIS設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

本文分析了發(fā)熱機(jī)理，通過幾起典型GIS外部發(fā)熱紅外圖譜進(jìn)行驗(yàn)證，并提出了抑制發(fā)熱的措施，希望能對(duì)GIS外部發(fā)熱缺陷消除提供重要的借鑒指導(dǎo)意義。

1? GIS外部發(fā)熱機(jī)理

由于導(dǎo)電桿中的工頻電流的電磁感應(yīng)，氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）的外殼中會(huì)出現(xiàn)兩種感應(yīng)電流，即在外殼橫截面內(nèi)的渦流和由于外殼多處接地引起的通過垂直地線、地網(wǎng)及外殼流過的環(huán)流[2]。

1.1 產(chǎn)生環(huán)流的機(jī)理分析

產(chǎn)生環(huán)流的基本原理是電磁感應(yīng)，采用單匝空心電磁式電流互感器原理分析這一現(xiàn)象，其等值電路如圖1。圖中R1、Xs1為原邊漏磁阻抗，R2、Xs2為副邊漏磁阻抗，Rm、Xm為激磁阻抗，I1、I2、Im為原邊、副邊和激磁電流。

設(shè)備中的高壓載流導(dǎo)體可看作電流互感器中只有1匝的原邊電路，流過其中的電流則是互感器的原邊電流;地線、外殼接地點(diǎn)及外殼形成的環(huán)路是互感器的副邊，也只有1匝，其中流過的電流則是環(huán)流，也即流過外殼和地線的環(huán)流[2]，如圖2所示。

因此利用電流互感器原理，母線導(dǎo)體流經(jīng)大電流時(shí)，GIS外殼會(huì)因電磁感應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。對(duì)于三相共體結(jié)構(gòu)的母線，外殼經(jīng)大地形成閉合回路。對(duì)于三相分體結(jié)構(gòu)的GIS，除了外殼與大地形成閉合回路外，外殼經(jīng)相間短接排也會(huì)構(gòu)成閉合回路。通過這個(gè)回路，感應(yīng)電壓將在GIS外殼上激發(fā)電流，這種電流稱為環(huán)流。特別的，三相分體結(jié)構(gòu)在產(chǎn)生平衡電流或故障時(shí)，環(huán)流數(shù)值會(huì)較大。

1.2 影響環(huán)流大小的因素

電感互感及漏感定義為：

其中，L2為導(dǎo)體副邊電感，M12為導(dǎo)體原副邊互感，L2s為導(dǎo)體副邊漏感，Ψ2為副邊磁通。

原副邊電流關(guān)系與原邊漏磁阻抗無關(guān)，與激磁阻抗及副邊漏磁阻抗之比有關(guān)。若激磁電抗無窮大或副邊漏磁阻抗為0時(shí)，即原副邊電流完全相同，這是極端情況，實(shí)際上由于原邊只有1匝，主磁通磁路中也沒有鐵芯，原副線圈間的磁通耦合差，激磁阻抗極小且與漏磁阻抗接近，因此外殼上感應(yīng)電流與導(dǎo)體電流在一個(gè)數(shù)量級(jí)。

GIS外殼的感應(yīng)電流與其結(jié)構(gòu)、位置布置、運(yùn)行方式等因素有關(guān)，文獻(xiàn)[3][4]通過建立GIS外殼感應(yīng)電流的等效計(jì)算模型，使用EMPT程序?qū)IS外殼接地感應(yīng)電流、接地點(diǎn)入地電流進(jìn)行仿真分析，計(jì)算得到外殼最大感應(yīng)與額定電流相差無幾。

文獻(xiàn)[5]通過對(duì)宜都換流站內(nèi)GIS和咸寧變HGIS設(shè)備接地電流的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)外殼接地電流均為安倍級(jí)的，比設(shè)計(jì)值大。原理分析、仿真計(jì)算及實(shí)際測(cè)量結(jié)果均證明了GIS外殼上存在環(huán)流，且此環(huán)流值遠(yuǎn)比理想中的大，穩(wěn)態(tài)情況計(jì)算環(huán)流值約幾百安培。故障情況下，外殼環(huán)流比穩(wěn)態(tài)情況下大得多，地電位也會(huì)達(dá)到千伏以上，對(duì)人身產(chǎn)生威脅。

GIS無論正常還是在故障情況下運(yùn)行，外殼均會(huì)出現(xiàn)環(huán)流，通過對(duì)其等值模型的仿真分析，影響環(huán)流大小的因素主要有：

（1）電壓等級(jí)。GIS外殼環(huán)流是由于導(dǎo)體與外殼的電磁感應(yīng)而產(chǎn)生，電壓等級(jí)越高，感應(yīng)到外殼上的感應(yīng)電壓會(huì)越大，從而回路中流過的環(huán)流相應(yīng)也會(huì)越大。

（2）GIS結(jié)構(gòu)。環(huán)流與GIS相間距離、母線導(dǎo)體半徑、外殼半徑、等都有關(guān)系，這些因素都與原副邊耦合系數(shù)有關(guān)。

（3）GIS材質(zhì)。金屬材質(zhì)不一樣，局部電位的分布不均勻，外殼表面阻抗也不一樣，導(dǎo)致環(huán)流大小不一樣。

（4）外殼法蘭跨接排、相間連接排的布置及接觸面接觸情況的影響，接觸不良使接觸電阻變大。

2 典型GIS外部發(fā)熱

2.1 典型GIS外部發(fā)熱紅外圖譜

在對(duì)GIS開展帶電檢測(cè)時(shí)，發(fā)生過多起GIS外部發(fā)熱現(xiàn)象，比較典型的如圖3-圖7所示。

（1）220kVGIS母線波紋管固定螺栓發(fā)熱

圖3為三相共體GIS母線波紋管固定螺栓發(fā)熱紅外測(cè)溫圖譜，熱點(diǎn)溫度36.3℃，環(huán)境溫度15.6℃，正常點(diǎn)溫度21.5℃，負(fù)荷電流840A。

（2）110kVGIS出線套管法蘭發(fā)熱

圖4為出線套管法蘭處發(fā)熱紅外測(cè)溫圖譜，其中A相58.7℃、B相64.1℃、C相57.9℃，環(huán)境溫度29.5℃，正常點(diǎn)溫度35℃，負(fù)荷電流1286A。

（3）220kVGIS三相SF6氣體連通管路發(fā)熱

圖5為三相SF6氣體連通管路發(fā)熱紅外測(cè)溫圖譜，熱點(diǎn)溫度19℃，環(huán)境溫度10℃，正常點(diǎn)溫度12℃。

（4）500kVGIS出線套管三相匯流排發(fā)熱

圖6為GIS出線套管三相匯流排發(fā)熱紅外測(cè)溫圖譜，熱點(diǎn)溫度31.5℃，環(huán)境溫度6.8℃，正常點(diǎn)溫度14.4℃，負(fù)荷電流983A。

（5）220kVGIS母線波紋管跨接排發(fā)熱

圖7為三相共體GIS母線波紋管跨接排發(fā)熱紅外測(cè)溫圖譜，熱點(diǎn)溫度34.7℃，環(huán)境溫度15.6℃，正常點(diǎn)溫度21.3℃，負(fù)荷電流840A。

2.2 典型GIS外部發(fā)熱原因分析

由于電磁感應(yīng)導(dǎo)致GIS外殼存在環(huán)流，環(huán)流值為安倍級(jí)，正常情況下環(huán)流通路順暢，且法蘭面跨接排、接地銅排、三相匯流排等接觸良好，熱穩(wěn)定性符合設(shè)計(jì)要求。一旦某些連接部位由于接觸面處理不符合要求、螺栓松動(dòng)、通流能力不足等原因?qū)е禄芈冯娮柙龃?，超過熱穩(wěn)定要求量時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，發(fā)熱會(huì)導(dǎo)致材料老化、絕緣受損、密封面失效，給GIS穩(wěn)定運(yùn)行帶來隱患。

圖3處波紋管螺栓發(fā)熱，波紋管與母線筒體通過螺栓緊固固定，法蘭固定接觸面安裝工藝不良，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)后接觸面由于腐蝕、異物等因素導(dǎo)致部分區(qū)域接觸不良，感應(yīng)電流從法蘭固定螺栓處通過，從而局部螺栓載流發(fā)熱。

圖4為套管底部法蘭面發(fā)熱，由于套管出線處場(chǎng)強(qiáng)集中，渦流損耗增大，應(yīng)考慮三相匯流后接地。

圖5為GIS三相SF6氣體連通管路發(fā)熱，SF6連通管三相匯流，由于GIS無三相跨接排或三相匯流排接觸面接觸不良。

圖6經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)引起發(fā)熱的原因?yàn)橄嚅g導(dǎo)流排與B相套管間連接鋁排安裝不正確，鋁排搭接面未與導(dǎo)流排相連，導(dǎo)致實(shí)際搭接面為油漆面。

圖7波紋管兩側(cè)設(shè)有4塊跨接銅排，經(jīng)測(cè)試跨接銅排流經(jīng)電流，發(fā)現(xiàn)流過跨接排電流分別為20A、562A、112A、52A，發(fā)熱處跨接排流過電流值562A，負(fù)荷電流為840A。該發(fā)熱情況也充分證明環(huán)流是存在的，當(dāng)其他三處跨接排搭接面接觸不良，螺栓緊固不足，接觸電阻較大時(shí)，發(fā)熱處跨接排接觸電阻較小，電流從該出流過引起發(fā)熱。

3 GIS外部發(fā)熱防護(hù)措施

為防止GIS外部發(fā)熱造成絕緣老化、密封失效，可采取一定的措施來進(jìn)行預(yù)控防護(hù)。

（1）外殼法蘭應(yīng)采用跨接片，戶外GIS 罐體上應(yīng)有專用跨接部位，禁止通過法蘭螺栓直連[6]，同時(shí)跨接片數(shù)量、截面積應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）接地銅排布局應(yīng)合理，接地銅排截面積、動(dòng)熱穩(wěn)定性應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。接地銅排應(yīng)直接與主接地網(wǎng)連接，不能通過其他元件接地串聯(lián)后接地，GIS間隔數(shù)量較多時(shí)，可以設(shè)置兩條接地母線，接地母線應(yīng)與主接地網(wǎng)兩點(diǎn)以上接地。

（3）三相母線外殼應(yīng)短接后接地。離相式母線三相外殼環(huán)流的相位相差120°，三相外殼短接后，通過外殼接地線的電流僅有不平衡電流。

（4）各金屬連接面應(yīng)保證接觸緊密，具有良好的導(dǎo)通性能，接觸面不得有油漆等影響導(dǎo)電的物質(zhì)，因長(zhǎng)期運(yùn)行導(dǎo)致接觸面腐蝕而影響導(dǎo)電性能的需及時(shí)清理。

（5）為防止GIS 設(shè)備罐體的感應(yīng)電流通過設(shè)備支架、金屬管道、運(yùn)行平臺(tái)等，要求GIS 設(shè)備罐體均應(yīng)多點(diǎn)接地。在罐體與金屬結(jié)構(gòu)之間應(yīng)絕緣，以防止感應(yīng)電流的環(huán)流。

4? 結(jié)語

本文對(duì)GIS外殼環(huán)流的機(jī)理通過原理分析、仿真計(jì)算、實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，正常運(yùn)行條件下外殼上環(huán)流值很大，為安倍級(jí)。通過對(duì)幾起典型GIS外部發(fā)熱缺陷進(jìn)行總結(jié)，對(duì)各種發(fā)熱原因進(jìn)行介紹，提出了防護(hù)GIS外部發(fā)熱的相應(yīng)措施，對(duì)防止GIS外部發(fā)熱和消除發(fā)熱點(diǎn)具有重要的參考價(jià)值和借鑒意義。

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作者簡(jiǎn)介：

汪全虎（1989—），男，碩士，工程師，主要研究方向：變電一次檢修。E-mail：549269930@qq.com

（作者單位：國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司檢修分公司變電檢修中心）