GIS外部發熱機理分析及抑制措施研究

汪全虎 戴鵬飛 陳欣

【摘? 要】針對氣體絕緣全封閉組合電器（GIS）運行中會出現外部發熱缺陷的現象，研究了GIS外部環流產生機理，并通過幾個典型GIS外部發熱缺陷對環流進行了驗證，提出了針對GIS外部發熱的幾種抑制措施和處理方式。

【關鍵詞】氣體絕緣全封閉組合電器;GIS;電磁感應;環流

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稱。GIS由斷路器、隔離開關、接地開關、互感器、避雷器、母線、連接件和出線終端等組成，這些設備或部件全部封閉在金屬接地的外殼中，在其內部充有一定壓力的SF6絕緣氣體，故也稱SF6全封閉組合電器。與常規敞開式變電站相比，GIS的優點在于結構緊湊、占地面積小、可靠性高、配置靈活、安裝方便、安全性強、環境適應能力強，維護工作量很小[1]。

GIS設備在浙江省內廣泛應用，在運行過程中已發生過多起設備外部發熱現象，特別是法蘭面發熱情況較多，長時間發熱會加速密封圈等部件老化，嚴重時出現漏氣、放電等嚴重影響GIS設備安全穩定運行。

本文分析了發熱機理，通過幾起典型GIS外部發熱紅外圖譜進行驗證，并提出了抑制發熱的措施，希望能對GIS外部發熱缺陷消除提供重要的借鑒指導意義。

1? GIS外部發熱機理

由于導電桿中的工頻電流的電磁感應，氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）的外殼中會出現兩種感應電流，即在外殼橫截面內的渦流和由于外殼多處接地引起的通過垂直地線、地網及外殼流過的環流[2]。

1.1 產生環流的機理分析

產生環流的基本原理是電磁感應，采用單匝空心電磁式電流互感器原理分析這一現象，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。

設備中的高壓載流導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、外殼接地點及外殼形成的環路是互感器的副邊，也只有1匝，其中流過的電流則是環流，也即流過外殼和地線的環流[2]，如圖2所示。

因此利用電流互感器原理，母線導體流經大電流時，GIS外殼會因電磁感應產生感應電壓。對于三相共體結構的母線，外殼經大地形成閉合回路。對于三相分體結構的GIS，除了外殼與大地形成閉合回路外，外殼經相間短接排也會構成閉合回路。通過這個回路，感應電壓將在GIS外殼上激發電流，這種電流稱為環流。特別的，三相分體結構在產生平衡電流或故障時，環流數值會較大。

1.2 影響環流大小的因素

電感互感及漏感定義為：

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

原副邊電流關系與原邊漏磁阻抗無關，與激磁阻抗及副邊漏磁阻抗之比有關。若激磁電抗無窮大或副邊漏磁阻抗為0時，即原副邊電流完全相同，這是極端情況，實際上由于原邊只有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，因此外殼上感應電流與導體電流在一個數量級。

GIS外殼的感應電流與其結構、位置布置、運行方式等因素有關，文獻[3][4]通過建立GIS外殼感應電流的等效計算模型，使用EMPT程序對GIS外殼接地感應電流、接地點入地電流進行仿真分析，計算得到外殼最大感應與額定電流相差無幾。

文獻[5]通過對宜都換流站內GIS和咸寧變HGIS設備接地電流的測量，發現外殼接地電流均為安倍級的，比設計值大。原理分析、仿真計算及實際測量結果均證明了GIS外殼上存在環流，且此環流值遠比理想中的大，穩態情況計算環流值約幾百安培。故障情況下，外殼環流比穩態情況下大得多，地電位也會達到千伏以上，對人身產生威脅。

GIS無論正常還是在故障情況下運行，外殼均會出現環流，通過對其等值模型的仿真分析，影響環流大小的因素主要有：

（1）電壓等級。GIS外殼環流是由于導體與外殼的電磁感應而產生，電壓等級越高，感應到外殼上的感應電壓會越大，從而回路中流過的環流相應也會越大。

（2）GIS結構。環流與GIS相間距離、母線導體半徑、外殼半徑、等都有關系，這些因素都與原副邊耦合系數有關。

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

（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外部發熱

2.1 典型GIS外部發熱紅外圖譜

在對GIS開展帶電檢測時，發生過多起GIS外部發熱現象，比較典型的如圖3-圖7所示。

（1）220kVGIS母線波紋管固定螺栓發熱

圖3為三相共體GIS母線波紋管固定螺栓發熱紅外測溫圖譜，熱點溫度36.3℃，環境溫度15.6℃，正常點溫度21.5℃，負荷電流840A。

（2）110kVGIS出線套管法蘭發熱

圖4為出線套管法蘭處發熱紅外測溫圖譜，其中A相58.7℃、B相64.1℃、C相57.9℃，環境溫度29.5℃，正常點溫度35℃，負荷電流1286A。

（3）220kVGIS三相SF6氣體連通管路發熱

圖5為三相SF6氣體連通管路發熱紅外測溫圖譜，熱點溫度19℃，環境溫度10℃，正常點溫度12℃。

（4）500kVGIS出線套管三相匯流排發熱

圖6為GIS出線套管三相匯流排發熱紅外測溫圖譜，熱點溫度31.5℃，環境溫度6.8℃，正常點溫度14.4℃，負荷電流983A。

（5）220kVGIS母線波紋管跨接排發熱

圖7為三相共體GIS母線波紋管跨接排發熱紅外測溫圖譜，熱點溫度34.7℃，環境溫度15.6℃，正常點溫度21.3℃，負荷電流840A。

2.2 典型GIS外部發熱原因分析

由于電磁感應導致GIS外殼存在環流，環流值為安倍級，正常情況下環流通路順暢，且法蘭面跨接排、接地銅排、三相匯流排等接觸良好，熱穩定性符合設計要求。一旦某些連接部位由于接觸面處理不符合要求、螺栓松動、通流能力不足等原因導致回路電阻增大，超過熱穩定要求量時，便會出現發熱現象，發熱會導致材料老化、絕緣受損、密封面失效，給GIS穩定運行帶來隱患。

圖3處波紋管螺栓發熱，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，運行時間長后接觸面由于腐蝕、異物等因素導致部分區域接觸不良，感應電流從法蘭固定螺栓處通過，從而局部螺栓載流發熱。

圖4為套管底部法蘭面發熱，由于套管出線處場強集中，渦流損耗增大，應考慮三相匯流后接地。

圖5為GIS三相SF6氣體連通管路發熱，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經現場檢查，發現引起發熱的原因為相間導流排與B相套管間連接鋁排安裝不正確，鋁排搭接面未與導流排相連，導致實際搭接面為油漆面。

圖7波紋管兩側設有4塊跨接銅排，經測試跨接銅排流經電流，發現流過跨接排電流分別為20A、562A、112A、52A，發熱處跨接排流過電流值562A，負荷電流為840A。該發熱情況也充分證明環流是存在的，當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，發熱處跨接排接觸電阻較小，電流從該出流過引起發熱。

3 GIS外部發熱防護措施

為防止GIS外部發熱造成絕緣老化、密封失效，可采取一定的措施來進行預控防護。

（1）外殼法蘭應采用跨接片，戶外GIS 罐體上應有專用跨接部位，禁止通過法蘭螺栓直連[6]，同時跨接片數量、截面積應符合標準要求。

（2）接地銅排布局應合理，接地銅排截面積、動熱穩定性應符合標準要求。接地銅排應直接與主接地網連接，不能通過其他元件接地串聯后接地，GIS間隔數量較多時，可以設置兩條接地母線，接地母線應與主接地網兩點以上接地。

（3）三相母線外殼應短接后接地。離相式母線三相外殼環流的相位相差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）各金屬連接面應保證接觸緊密，具有良好的導通性能，接觸面不得有油漆等影響導電的物質，因長期運行導致接觸面腐蝕而影響導電性能的需及時清理。

（5）為防止GIS 設備罐體的感應電流通過設備支架、金屬管道、運行平臺等，要求GIS 設備罐體均應多點接地。在罐體與金屬結構之間應絕緣，以防止感應電流的環流。

4? 結語

本文對GIS外殼環流的機理通過原理分析、仿真計算、實際測量結果進行驗證，正常運行條件下外殼上環流值很大，為安倍級。通過對幾起典型GIS外部發熱缺陷進行總結，對各種發熱原因進行介紹，提出了防護GIS外部發熱的相應措施，對防止GIS外部發熱和消除發熱點具有重要的參考價值和借鑒意義。

參考文獻：

[1]羅學琛.SF6氣體絕緣全封閉組合電器（GIS）[M].中國電力出版社，1999.

[2]徐國政，關永剛.GIS和GIL外殼環流及損耗的簡化分析和估算[J].高電壓技術，2009，35（2）.

[3]張亞婷，高博，賈磊，et al.800 kV分體結構GIS母線外殼環流特性的研究[J].電瓷避雷器.

[4]郭磊，范冕，姚裕安.550kV GIS外殼感應環流特性的仿真分析[J].湖北工業大學學報，2012，27（1）：74-78.

[5]吳云飛，汪濤，林志偉.500kV變電站的HGIS和GIS設備接地電流測量結果分析[J].電網技術，2007（S2）：47-49.

[6]國家電網有限公司十八項電網重大反事故措施（修訂版）.國家電網設備〔2018〕979號

作者簡介：

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：國網浙江省電力有限公司檢修分公司變電檢修中心）