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河南平芝高壓開關(guān)有限公司，河南平頂山，467000

0 引言

GIS（gas insulated substation）是氣體絕緣全封閉組合電器的英文簡稱。GIS由斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、互感器、避雷器、母線和各種連接終端（套管、電纜頭、變壓器直聯(lián)）等組成，這些設(shè)備或部件全部封閉在金屬外殼中，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[1]。GIS通常用于高電壓（110kV以上）、大電流（2000A以上）的輸變電工程中，正常運(yùn)行或出現(xiàn)接地故障時，金屬外殼上均有可能感應(yīng)到超出人體承受能力的電壓和電流，因此GIS的接地設(shè)計(jì)對于GIS的安全、可靠運(yùn)行至關(guān)重要[2]。

GIS的接地形式有單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地兩種形式[3]，均要求GIS外殼可靠接地，滿足正常運(yùn)行時外殼上的感應(yīng)電壓不大于30V，短路故障時外殼上的感應(yīng)電壓不大于100V的要求。接地回路應(yīng)滿足額定短路電流的動、熱穩(wěn)定要求，接地點(diǎn)的接觸面和接地連線的截面積應(yīng)保證故障接地電流能安全地通過。國內(nèi)GIS產(chǎn)品基本上都選用多點(diǎn)接地[4]。GIS外殼多點(diǎn)接地可實(shí)現(xiàn)：①簡化母線和支架上的絕緣設(shè)計(jì)；②外殼上流動的感應(yīng)電流能減少支撐框架內(nèi)的磁通量，減少框架的感應(yīng)發(fā)熱；③外殼上的每處接地點(diǎn)就近接入地網(wǎng)，可減小接地線上的電感。

1 故障概述

國內(nèi)某220kV GIS變電站投運(yùn)一周后，在變電站的日常巡視與測溫時發(fā)現(xiàn)靠近變壓器端的GIS分支母線外殼第一個接地點(diǎn)上的接地線處發(fā)熱及燒蝕嚴(yán)重，接地線外側(cè)絕緣皮已發(fā)黑、龜裂，經(jīng)紅外檢測發(fā)現(xiàn)接地線處溫度達(dá)325℃，如圖1、圖2所示。本站6臺主變的相同位置均有類似的燒蝕情況。

圖1 現(xiàn)場接地線燒蝕情況

圖2 接地線處的紅外測量情況

2 電站情況介紹

電站有2個主變間隔，均為單相連接形式的變壓器直聯(lián)結(jié)構(gòu)。6臺單相變壓器分布在6個露天變壓器室內(nèi)，相隔距離為12米。變壓器與GIS本體距離為47米，通過三相分箱的分支母線相連。分支母線在跨越站內(nèi)道路前分散開，分別連接對應(yīng)的變壓器。電站220kV GIS的布置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 220kV GIS布置圖

分支母線接地排查情況也參照圖3，在分支母線出GIS本體的位置，三相分支母線外殼通過導(dǎo)流排連接后接地，連通形式如圖4所示；至變壓器直聯(lián)處的分支母線，每隔約12米做一個單相的外殼接地。出現(xiàn)接地線燒蝕的位置位于圖3中的最上部接地線上。

圖4 三相外殼連通形式

2.1 紅外復(fù)測

對6處GIS外殼接地出現(xiàn)燒蝕的接地線進(jìn)行紅外復(fù)測，結(jié)果如表1所示。

表1 燒蝕的接地線紅外測溫結(jié)果

2.2 接地電流測量

接地線連接GIS外殼及GIS母線支架，支架又通過銅排連到地網(wǎng)上。對1號主變的C相燒蝕接地線進(jìn)行通流測量，顯示通流為1520A；連接到地網(wǎng)的導(dǎo)流排通流為535A。C相母線上其他位置的接地銅排通流為0.2～20A不等。

2.3 后臺負(fù)荷電流

6臺主變后臺的運(yùn)行數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 主變負(fù)荷電流值

3 原因分析及故障處置

GIS外殼中的感應(yīng)電流ia/ib/ic是由導(dǎo)體電流i在外殼、大地及兩側(cè)的接地體之間的磁場B產(chǎn)生的，如圖5所示。導(dǎo)體中交變的電流產(chǎn)生了變化的磁場B，由金屬外殼、大地和兩側(cè)接地體組成的閉合通路中，因變化的磁場B而使閉合面內(nèi)的磁通量產(chǎn)生變化，從而使外殼上產(chǎn)生感應(yīng)電流。若一側(cè)的接地體斷開，由于不能組成閉合通路，外殼上將不會產(chǎn)生感應(yīng)電流，類似GIS單點(diǎn)接地的情況。

圖5 GIS外殼感應(yīng)電流的來源

外殼感應(yīng)電流的方向與導(dǎo)體電流方向相反，如果不考慮電阻，外殼上的感應(yīng)電流與主回路電流值相等[5-6]。實(shí)際應(yīng)用中，GIS外殼感應(yīng)電流的大小與母線的布置形式有很大關(guān)系，試驗(yàn)表明通常為主回路電流的60%～80%，本站的主回路電流為2005A，實(shí)測外殼感應(yīng)電流為1520A，占比達(dá)75.8%。

分支母線的等效電路如圖6所示。

圖6 分支母線等效電路

左側(cè)三相分支母線外殼用導(dǎo)流排連接并接地，其他位置的接地均為單相外殼接地。左側(cè)接地線上的入地電流iN=ia+ib+ic≈0，殼體上的感應(yīng)電流因布置結(jié)構(gòu)不同大小有所差異，通常入地電流iN≤50A。中間各處的殼體接地線上的接地電流iN=ia-ia≈0，中間各處設(shè)置殼體接地的目的是強(qiáng)制殼體接地點(diǎn)處電勢為0，在出現(xiàn)短路等故障時，確保殼體上不會出現(xiàn)危害人體安全得過高感應(yīng)電壓。右端由于沒有三相導(dǎo)流排連接分支母線殼體，感應(yīng)電流通過殼體接地線進(jìn)入地網(wǎng)，在接地網(wǎng)里進(jìn)行匯流，此時接地線上的入地電流iN=ia≈ib≈ic。

本次燒蝕的接地線截面積為200mm2，按實(shí)測的入地電流1520A進(jìn)行發(fā)熱計(jì)算如下：溫升的經(jīng)驗(yàn)公式為ΔT=K×10-4×Ie1.7。

式中，K為實(shí)驗(yàn)常數(shù)（200mm2時），空氣中8.76，土中5.76；Ie為通過的電流值。

計(jì)算得：ΔT=8.76×10-4×15201.7=224.7（℃）。

可見，在變壓器直聯(lián)側(cè)的GIS分支母線殼體上200mm2接地線不能滿足母線外殼上感應(yīng)電流的通流要求。

為了降低接地線的通流溫升，可以考慮用2根200mm2的接地線并聯(lián)使用，此時計(jì)算溫升如下：ΔT=8.76×10-4×(1520/2)1.7=69.1（℃）。

從計(jì)算情況看，兩根接地線雖然可以大大降低通流溫升，但計(jì)算出來的溫升仍然較高，且設(shè)計(jì)院反饋本站的地網(wǎng)是為通流≤500A的小電流而設(shè)計(jì)的，并不適用于長期通流較大的接地電流。

本次故障的解決方案：在主變室的上部空間，用截面為800mm2的鋁導(dǎo)流管對端部三相外殼進(jìn)行連通，使三相外殼上的感應(yīng)電流通過鋁導(dǎo)流管進(jìn)行匯流，并更新燒蝕的接地線。改造完成后重新測得接地線的入地電流為22A，本次故障得以解決。

4 結(jié)語

從上述分析可知，在GIS的各種分相布置的端部（例如套管、電纜終端、變壓器連接部等）均需配置能夠滿足殼體上感應(yīng)電流通過的三相匯流裝置。

三相匯流裝置的設(shè)置形式有以下幾種方式可供參考。

（1）如果三相端部相距較近，可設(shè)置三相導(dǎo)流排連接三相外殼并進(jìn)行接地。

（2）如果三相端部相距較遠(yuǎn)，可在設(shè)計(jì)之初與工程土建專業(yè)人員協(xié)調(diào)，在對應(yīng)的端部處預(yù)埋專用的三相匯流接地排，通過專用的地下導(dǎo)流排實(shí)現(xiàn)端部外殼感應(yīng)電流的匯流。

（3）如果三相端部受空間位置限制，以上兩種方式均無法實(shí)現(xiàn)，可在母線的中間部位選擇合適的位置，進(jìn)行三相匯流并接地。三相匯流后的母線外殼與三相匯流前的母線外殼需進(jìn)行電氣絕緣，切斷與前面外殼的感應(yīng)電流通路。三相匯流后至GIS母線端部的分相母線可根據(jù)需要再次分成若干電氣獨(dú)立的小段，每一小段分相母線都按照單點(diǎn)接地的方式進(jìn)行接地，以減少外殼感應(yīng)電流對接地線的通流要求。