劉鋒，劉秋菊，路繼偉

（1.河南平芝高壓開關(guān)有限公司，河南平頂山，467000；2.平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院資源開發(fā)學(xué)院，河南平頂山，467000）

0 引言

近幾年，全封閉組合電器(GIS）作為一種可靠的輸變電設(shè)備在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。GIS比之常規(guī)敞開式設(shè)備擁有更高的安全性和實(shí)用性，但隨著電力系統(tǒng)的容量增大以及GIS投運(yùn)數(shù)量的增多，GIS設(shè)備故障率也開始呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。在GIS設(shè)備故障中，接地設(shè)計(jì)不合理是引發(fā)設(shè)備故障的常見原因，如果要確保GIS設(shè)備安全可靠地運(yùn)行，就必須要了解GIS接地設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和要點(diǎn)，不斷在工作中加以完善和改進(jìn)，以此減少設(shè)備故障的發(fā)生頻次，保障GIS的正常運(yùn)行。

1 GIS的接地設(shè)計(jì)主要問題

1.1 外部電磁感應(yīng)問題

外部電磁感應(yīng)是GIS運(yùn)行中的常見問題之一。根據(jù)圖1所示的GIS運(yùn)作結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)GIS母線中通過某一運(yùn)行電壓、電流時(shí)，將在封閉金屬外殼上將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流。

圖1 GIS運(yùn)作結(jié)構(gòu)

GIS內(nèi)部導(dǎo)體與外殼的間距離并不大，這使得GIS的電磁耦合非常強(qiáng)，也讓運(yùn)行電流可在很短時(shí)間內(nèi)達(dá)到幾千安左右。當(dāng)GIS設(shè)備保持正常運(yùn)行時(shí)，三相電流可以處于相對(duì)平衡的狀態(tài)。但受結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布置方案等因素所帶來的影響，內(nèi)部導(dǎo)體與外殼間一定會(huì)存在某種偏差，這種導(dǎo)體與殼體的偏差是造成GIS外部電磁感應(yīng)問題的主要原因，也是接地設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問題。特別是當(dāng)發(fā)生單相內(nèi)部故障時(shí)，GIS外殼將產(chǎn)生明顯的感應(yīng)電流和電壓，因?yàn)镚IS外殼有連續(xù)性結(jié)構(gòu)和非連續(xù)性結(jié)構(gòu)之分，殼體的不同也會(huì)造成感應(yīng)電流的形成狀態(tài)不同，在連續(xù)性結(jié)構(gòu)外殼中，連續(xù)性結(jié)構(gòu)沿母線方向各段殼體彼此電氣連通，母線電流會(huì)在外殼上引起感應(yīng)電壓，形成縱向電流[1]。非連續(xù)性結(jié)構(gòu)外殼中，非連續(xù)性結(jié)構(gòu)沿母線方向各段殼體電氣隔斷狀態(tài)，母線電流同樣會(huì)在外殼上引起感應(yīng)電壓，但不能產(chǎn)生形成縱向電流，同時(shí)會(huì)在每一個(gè)隔斷的外殼上產(chǎn)生局部感應(yīng)電流，對(duì)不連續(xù)處絕緣部件構(gòu)成威脅。由于GIS中盤式絕緣子和氣室分隔隔板等的存在，GIS金屬外殼通常不能形成完整的閉合回路，通常需在非連續(xù)性結(jié)構(gòu)處加裝跨接排使之形成連續(xù)回路，這也加大了外部電磁感應(yīng)問題的發(fā)生幾率。

1.2 瞬時(shí)過電壓?jiǎn)栴}

GIS外殼瞬時(shí)接地電壓，通常表現(xiàn)為在極短時(shí)間時(shí)間內(nèi)迅速上升，可高達(dá)數(shù)百千伏，并可伴隨聲、光、電等現(xiàn)象。此問題將給GIS設(shè)備和運(yùn)行人員帶來潛在的危害。GIS外殼瞬時(shí)接地電壓產(chǎn)生的原因可總結(jié)為三點(diǎn)，分別是絕緣擊穿、母線對(duì)地?fù)舸┖烷_關(guān)兩端觸頭擊穿[2]。

絕緣擊穿是當(dāng)GIS內(nèi)部發(fā)生氣體或絕緣部件擊穿時(shí)引發(fā)的擊穿現(xiàn)象，當(dāng)絕緣擊穿出現(xiàn)時(shí)，GIS的電壓會(huì)急劇上升，并引起高頻振蕩，瞬時(shí)電壓急劇升高，最終發(fā)生設(shè)備故障。

母線對(duì)地?fù)舸┦悄妇€對(duì)地放電造成了母線電壓的急劇下降而引起的擊穿現(xiàn)象，當(dāng)接地系統(tǒng)正常時(shí)，此時(shí)擊穿將引起短路電流，危害設(shè)備安全運(yùn)行，若接地系統(tǒng)設(shè)置不合理，就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的過電壓，使GIS外殼電壓迅速升高，對(duì)設(shè)備造成更大的破壞效果[3]。

開關(guān)兩端觸頭擊穿是因?yàn)镚IS運(yùn)行期間，系統(tǒng)中的隔離開關(guān)、斷路器等進(jìn)行分合閘操作，GIS中存在快速暫態(tài)（VFTO）過程，這使得接地外殼的電位在短時(shí)間內(nèi)迅速上升，由此造成了絕緣介質(zhì)擊穿故障的發(fā)生。

1.3 GIS外殼接觸電壓?jiǎn)栴}

在GIS設(shè)備運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行人員可以接觸到GIS的外殼，這就使得故障電流需要以最小電阻回路向接地網(wǎng)釋放，確保各種工況下GIS外殼接觸電壓均在安全范圍內(nèi)[4]。

GIS設(shè)備以下述兩種基本故障為主：第一種時(shí)發(fā)生在GIS內(nèi)部的故障，如母線導(dǎo)體與外殼發(fā)生閃絡(luò)。第二種發(fā)生在GIS裝置以外，即故障電流流過GIS母線在外殼上形成感應(yīng)電流。在GIS設(shè)計(jì)過程中，主要針對(duì)第一種情況加以預(yù)防，當(dāng)GIS發(fā)生故障時(shí)，GIS外殼感應(yīng)電壓、接地電流也將發(fā)生顯著變化，因事故位置、接地位置、電源位置、電流路徑的差異，電壓上升差異也不同。

接觸電壓的計(jì)算方法可參考下式計(jì)算：

E:接觸電勢(shì)(V）

ρb:土壤表面電阻率（Ω·m）

t：主保護(hù)及開關(guān)動(dòng)作時(shí)間（ms）

公式（1）按通過人體允許電流為165/t設(shè)定的人體電阻為1500歐姆考慮。通常，根據(jù)事故電流持續(xù)時(shí)間和及人員體重，人體允許的接觸電壓如表1所示。

表1 接觸電壓額度

2 工程設(shè)計(jì)中接地問題的預(yù)防辦法

2.1 接地設(shè)計(jì)

2.1.1 接地材料的選擇

接地材料合理選擇可確保設(shè)備運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)電流、故障電流實(shí)現(xiàn)及時(shí)有效的擴(kuò)散，減少或杜絕問題的出現(xiàn)，確保GIS設(shè)備安全、可靠運(yùn)行。接地材料主要基于在故障電流持續(xù)時(shí)間來進(jìn)行針對(duì)性選擇，在選擇材料時(shí)，設(shè)計(jì)人員要確保接地材料的耐受性，保證所選擇材料不會(huì)發(fā)生熔融等破壞問題[5]?；谶@一要求，在挑選材料時(shí)就要從熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性、導(dǎo)電率、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行考慮，選出符合GIS設(shè)計(jì)的材料類別。GIS設(shè)備的接地網(wǎng)需要采用銅質(zhì)材料，銅質(zhì)材料可以保證接地裝置的可靠與穩(wěn)定，在設(shè)計(jì)接地網(wǎng)時(shí)，設(shè)計(jì)者必須要確保所有的接地引出線端都是銅排，統(tǒng)一化的銅排設(shè)計(jì)會(huì)讓接地電阻減少，對(duì)于GIS的使用壽命延長有很大幫助。在GIS各氣室外殼的對(duì)接面，設(shè)計(jì)師要設(shè)計(jì)盆式絕緣子或者橡膠密封墊，兩個(gè)筒體間要用跨接銅排進(jìn)行連接，對(duì)界面的截面也要按照主接地網(wǎng)的截面進(jìn)行參照設(shè)計(jì)。

2.1.2 接地材料熱穩(wěn)定性計(jì)算

故障電流持續(xù)時(shí)間通常由繼電保護(hù)時(shí)間和斷路器開斷時(shí)間確定，可按照1s計(jì)算。故障電流可按照最苛刻的GIS設(shè)備短時(shí)耐受電流確定，其具體計(jì)算公式如下：

S：接地體截面積(mm2）

Ig ：故障電流（A）

t：持續(xù)時(shí)間（S），通常按照1s計(jì)算

C：系數(shù)

通常，接地材料采用銅、鋁、鋼等材質(zhì)，不同故障電流下，接地材料最小截面積如下表2所示。

表2 接地材料最小截面積

2.2 接地材料導(dǎo)電率、耐腐蝕性、經(jīng)濟(jì)性

接地材料遭遇的腐蝕問題主要有化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩類，鋼材料是接地材料中受腐蝕問題影響較明顯的材料之一，由于受環(huán)境的影響容易發(fā)生化學(xué)腐蝕，所以設(shè)計(jì)者要特別注意鋼材料的防腐措施[6]。

銅在20℃時(shí)的電阻率為17.24×10-6Ω·mm，鋼在20℃時(shí)的電阻率138×10-6Ω·mm。以銅為基準(zhǔn)，取其導(dǎo)電率為100%，則鋼的導(dǎo)電率為10.8%，鋼的導(dǎo)電率僅為銅的1/10。銅材料較鋼材料作為接地體導(dǎo)電性能明顯更優(yōu)。

從單位材料價(jià)格看，鋼材明顯更具經(jīng)濟(jì)性。但需考慮鋼材的熱處理工藝費(fèi)用，因腐蝕原因造成的維護(hù)更換作業(yè)費(fèi)用。銅材則基本無腐蝕，維護(hù)成本較低，在確定材料時(shí)需綜合考慮材料在全壽命周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)效益。

故可以在GIS設(shè)計(jì)中選擇以銅材料和鋼材料互相組合的方式實(shí)現(xiàn)接地設(shè)備對(duì)化學(xué)腐蝕的良好抗性，同時(shí)節(jié)約成本，不過鋼、銅連接后容易形成電化學(xué)腐蝕，因此在選用這兩種材料作為接地設(shè)備主要材料時(shí)，要尤為預(yù)防電化學(xué)腐蝕問題發(fā)生。為了避免這種現(xiàn)象發(fā)生，設(shè)計(jì)者要通過設(shè)計(jì)覆蓋層以及加緩蝕劑實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的保護(hù)，覆蓋層可以選擇用搪瓷、塑料涂覆以及鋼襯玻璃為基礎(chǔ)材料，用噴涂或者電鍍等方式將這層材質(zhì)覆蓋到GIS設(shè)備的表面，使其逐漸磷化和氧化，起到防銹作用，預(yù)防電化學(xué)腐蝕的發(fā)生。

2.3 GIS導(dǎo)流排的設(shè)計(jì)

GIS多采用多點(diǎn)接地，為確保GIS外殼上的感應(yīng)電流流通，必須合理設(shè)置同相導(dǎo)流排。采用環(huán)氧樹脂絕緣隔盆必須設(shè)置同相導(dǎo)流排；采用金屬嵌件包裹的絕緣隔盆因法蘭具備通電性能可不需要設(shè)置同相導(dǎo)流排；特別注意的是因GIS波紋管多采用不銹鋼材質(zhì)，為降低電阻較大而引起的通流、溫升異常，應(yīng)設(shè)置同相導(dǎo)流排[7]。同相導(dǎo)流排的設(shè)置主要考慮GIS外殼通流電流大小，將溫升控制在國家標(biāo)準(zhǔn)要求值以下。

2.4 接地間隔的設(shè)計(jì)

GIS帶電部位全部置于接地的金屬殼體中，一旦金屬殼體內(nèi)部有電流通過，金屬殼體的接觸電壓就會(huì)上升。必須掌握事故發(fā)生時(shí)金屬殼體的接觸電壓上升值，將電壓控制在允許電壓以下。通過降低GIS殼體外殼高度h，縮短接地距離L可有效降低接觸電壓，一套GIS外殼具體需要幾個(gè)點(diǎn)與主接地網(wǎng)連接，要由制造廠根據(jù)訂貨單位所提供的接地網(wǎng)技術(shù)參數(shù)來決定。如圖2所示。

圖2 接地間隔設(shè)計(jì)

2.5 避免瞬時(shí)過電壓需要特別注意的問題

GIS操作時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)過電壓通過殼體或接地線會(huì)引起地電壓升高，從而危及設(shè)備和人員安全，特別時(shí)擊穿后，脈沖波傳播過程中遇到波阻抗變化，將發(fā)生折反射現(xiàn)象，使殼體對(duì)地電位升高。通常GIS套管與架空線連接處、GIS母線與變壓器直聯(lián)處、GIS母線與高壓電纜直聯(lián)處極易形成瞬時(shí)電壓升高現(xiàn)象。作為一般對(duì)策，要求GIS套管與架空線連接處殼體、GIS母線與變壓器直聯(lián)處殼體、GIS母線與高壓電纜直聯(lián)處殼體設(shè)置相間導(dǎo)流排、過電壓保護(hù)裝置等良好的接地，以避免絕緣破壞。

3 結(jié)語

通過以上分析，要求GIS裝置必須可靠接地，從而有效的限制外殼接觸電壓、遏制瞬態(tài)過電壓的發(fā)生，具體包括：①應(yīng)優(yōu)先采用銅材料作為接地線或接地網(wǎng)，可有效降低GIS裝置接地回路的電阻值，利于電流向接地網(wǎng)釋放；②GIS外殼應(yīng)采用多點(diǎn)有效接地方式接地，確保外殼感應(yīng)電流可連續(xù)流通，從而降低外殼渦流損耗，限制接觸電壓；③盡可能降低GIS裝置高度，縮短接地回路長度，從而降低接觸電壓，遏制瞬態(tài)過電壓；④當(dāng)變壓器、電抗器、電纜終端等直接連接到GIS外殼時(shí)，應(yīng)設(shè)置過電壓保護(hù)裝置，遏制鄰近設(shè)備外殼上過電壓的相互影響。