500 kV GIS 管母外殼三相短路排溫度過高分析及處理

付 鵬，龍子琦

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

在巡視某運(yùn)行中的500 kV 出線場(chǎng)設(shè)備時(shí)，發(fā)現(xiàn)氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱GIS）管母外殼三相短路排嚴(yán)重過熱，溫度最高點(diǎn)在GIS 外殼法蘭面與刀型鋁板連接螺栓處（見圖1）。紅外測(cè)溫結(jié)果顯示最高溫度達(dá)145℃，該型號(hào)GIS 母線外殼管母設(shè)計(jì)溫升為60 K（環(huán)境溫度40℃），外殼最高溫度不能超過100℃，顯然該出線GIS 管母法蘭與刀型短路板連接處溫度已明顯超過外殼設(shè)計(jì)溫升。GIS 母線外殼材料為鋁合金，其導(dǎo)熱系數(shù)較高（138～147 W/m·K）,長(zhǎng)期溫度高將使法蘭面橡膠密封圈加速老化，最終導(dǎo)致法蘭面密封不嚴(yán)，隔室內(nèi)SF6氣體泄漏，影響出線設(shè)備正常運(yùn)行。

圖1 紅外熱成像

該型號(hào)500 kV GIS 母線外殼三相短路排結(jié)構(gòu)如圖2 所示：每相外殼法蘭面上用2 顆非穿心式螺桿固定一塊刀型鋁板，然后通過1 根鋁合金排（60×10 mm2）連接三相外殼，再通過1 根60×8 mm2的接地扁銅入地。設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)行情況下進(jìn)行紅外熱成像，同時(shí)測(cè)量短路排電流，如圖3 所示，其流過刀型鋁板最大電流為1 132 A。

圖2 短路排結(jié)構(gòu)

圖3 短路排各處電流測(cè)量值

1 GIS 外殼感應(yīng)電流產(chǎn)生的機(jī)理

該電站GIS 設(shè)備外殼采用多點(diǎn)接地方式接地。多點(diǎn)接地方式是在GIS 設(shè)備的每個(gè)分段處用導(dǎo)體連接外殼和大地，而且每個(gè)分段處都用導(dǎo)體連接，形成多點(diǎn)接地，使外殼整體連通，提高可靠性。

GIS 外殼與其內(nèi)部導(dǎo)體間距離很小，兩者的電磁耦合強(qiáng)，這種緊湊型結(jié)構(gòu)使得GIS 外殼與內(nèi)部對(duì)應(yīng)導(dǎo)體構(gòu)成一個(gè)空心變壓器，導(dǎo)體為原邊，外殼為副邊，導(dǎo)致GIS 外殼產(chǎn)生明顯的感應(yīng)電勢(shì)。在GIS 設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，由于導(dǎo)電桿中的工頻電流的電磁感應(yīng)，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。理論上GIS 外殼環(huán)流與導(dǎo)體運(yùn)行電流大小相等，方向相反。

一般來說GIS 外殼產(chǎn)生的環(huán)流有兩種路徑，一種是GIS 外殼與地網(wǎng)通過架臺(tái)、接地引線等構(gòu)成的回路產(chǎn)生感應(yīng)電流（圖4）；另一種是GIS 相間外殼通過短接排構(gòu)成的回路產(chǎn)生感應(yīng)電流（圖5）。由于該電站GIS 外殼采取多點(diǎn)接地方式，外殼電流通過GIS 外殼三相短路板，構(gòu)架，接地引線形成環(huán)流。

圖4 GIS 外殼與架臺(tái)形成的環(huán)流

圖5 GIS 相間外殼形成的環(huán)流

1.1 接地導(dǎo)體接觸電壓及熱穩(wěn)定校核分析

設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，對(duì)500 kV 出線GIS 管母外殼接地電流進(jìn)行測(cè)量，單相管母外殼實(shí)際接地電流約1 100 A，外殼對(duì)地電壓為0.8 V。GIS 發(fā)生單相接地短路故障時(shí)，短路電流取63 kA，計(jì)算短路故障時(shí)外殼接觸電壓最大為23.1 V。根據(jù)GB/T 50065《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，GIS 正常運(yùn)行時(shí)，外殼接觸電壓最大值不得超過24 V；發(fā)生短路故障時(shí)外殼上的電位降一般不應(yīng)超過100 V。外殼接觸電壓在允許范圍內(nèi)。

按照GIS 設(shè)備最大故障電流為63 kA 時(shí)，需要的鋁接地導(dǎo)體截面積為294 mm2,需要的銅接地導(dǎo)體截面積為168 mm2。因此該電站GIS 管母外殼接地導(dǎo)體截面積滿足設(shè)計(jì)要求。

1.2 GIS 外殼過熱原因分析

該電站安裝6 臺(tái)700 MW 機(jī)組，三條外送500 kV出線線路，按照電力系統(tǒng)N-1 原則，每條出線至少需要滿足3 臺(tái)機(jī)組有功輸出功率，即出線電流最低為2 550 A，考慮一定系數(shù)，該電站選型的出線電流互感器變比為3 000∶1，出線端GIS 管母外殼接地接觸面需滿足在3 000 A 電流下的長(zhǎng)期運(yùn)行要求。

接觸面約按照鋁板的3～5 A/mm2（經(jīng)驗(yàn)值）過流計(jì)算，長(zhǎng)期通流3 000 A 時(shí)，刀型鋁板與外殼法蘭接觸面積最低1 000 mm2，電站出線端GIS 管母外殼實(shí)際接地運(yùn)行電流約1 100 A，刀型鋁板與外殼法蘭接觸面積最低367 mm2。GIS 管母外殼采用刀型鋁板與法蘭面接觸，每個(gè)刀型板與法蘭面有2 個(gè)接觸面（測(cè)量單個(gè)接觸面積約16×10 mm2）。目前出線端GIS 管母外殼僅安裝一塊刀型鋁板，過流接觸面積320 mm2，而同類型設(shè)備其他電站出線端GIS 管母外殼安裝四塊刀型鋁板，過流接觸面積1 280 mm2，該電站刀型鋁板與外殼法蘭接觸面積明顯偏低，長(zhǎng)期運(yùn)行發(fā)熱導(dǎo)致刀型鋁板與法蘭面固定螺栓發(fā)熱（該站三回出線溫度在120～145℃間），

圖6 刀型鋁板

短路排處理過程中，對(duì)刀型板拆除后發(fā)現(xiàn)，外殼接觸面及螺栓墊片有明顯受熱融化現(xiàn)象，平墊已融斷，如圖7。

圖7 設(shè)備過熱受損情況

綜上所述，接地電廠房頂GIS 母線外殼三相短路板溫度高的原因主要為管母外殼刀型鋁板與外殼法蘭接觸面積偏小，長(zhǎng)期通過電流發(fā)熱引起。

2 過熱情況的處理

通過計(jì)算本次對(duì)其進(jìn)行如下改造處理：每相外殼法蘭面上用非穿心式螺桿固定四塊刀型鋁板，然后通過兩根銅排（80×10 mm2）連接三相外殼，再通過一根80×10 mm2接地扁銅入地。

圖8 短路排改造方案

目前該電站三條出線短路排均已完成改造，通過運(yùn)行跟蹤情況可知，結(jié)果達(dá)到預(yù)期效果：

圖9 改造后單根短路排上電流測(cè)量情況

改造前：短路排電流密度過大，局部溫升過高；短路排電流分部極不平衡；

改造后：整體溫升正常，電流分部較平衡。

3 結(jié)語(yǔ)

GIS 外殼環(huán)流不可避免，必須充分考慮環(huán)流在地線中損耗及發(fā)熱，短路排是一個(gè)好的解決方案，因此在GIS 接地的設(shè)計(jì)中，應(yīng)適當(dāng)加寬GIS 接地點(diǎn)的接地引下線，防止接地線截面積不足導(dǎo)致的過熱現(xiàn)象。