國內某220kV GIS分支母線端部接地線異常發熱問題分析

沈學銀，買小飛，黃騰飛

河南平芝高壓開關有限公司，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、接地開關、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）等組成，這些設備或部件全部封閉在金屬外殼中，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[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，正常運行或出現接地故障時，金屬外殼上均有可能感應到超出人體承受能力的電壓和電流，因此GIS的接地設計對于GIS的安全、可靠運行至關重要[2]。

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

1 故障概述

國內某220kV GIS變電站投運一周后，在變電站的日常巡視與測溫時發現靠近變壓器端的GIS分支母線外殼第一個接地點上的接地線處發熱及燒蝕嚴重，接地線外側絕緣皮已發黑、龜裂，經紅外檢測發現接地線處溫度達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結構。6臺單相變壓器分布在6個露天變壓器室內，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道路前分散開，分別連接對應的變壓器。電站220kV GIS的布置結構如圖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流排連接后接地，連通形式如圖4所示；至變壓器直聯處的分支母線，每隔約12米做一個單相的外殼接地。出現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 紅外復測

對6處GIS外殼接地出現燒蝕的接地線進行紅外復測，結果如表1所示。

表1 燒蝕的接地線紅外測溫結果

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上。對1號主變的C相燒蝕接地線進行通流測量，顯示通流為1520A；連接到地網的導流排通流為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 后臺負荷電流

6臺主變后臺的運行數據如表2所示。

表2 主變負荷電流值

3 原因分析及故障處置

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

圖5 GIS外殼感應電流的來源

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

左側三相分支母線外殼用導流排連接并接地，其他位置的接地均為單相外殼接地。左側接地線上的入地電流iN=ia+ib+ic≈0，殼體上的感應電流因布置結構不同大小有所差異，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，中間各處設置殼體接地的目的是強制殼體接地點處電勢為0，在出現短路等故障時，確保殼體上不會出現危害人體安全得過高感應電壓。右端由于沒有三相導流排連接分支母線殼體，感應電流通過殼體接地線進入地網，在接地網里進行匯流，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，按實測的入地電流1520A進行發熱計算如下：溫升的經驗公式為ΔT=K×10-4×Ie1.7。

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

計算得：ΔT=8.76×10-4×15201.7=224.7（℃）。

可見，在變壓器直聯側的GIS分支母線殼體上200mm2接地線不能滿足母線外殼上感應電流的通流要求。

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

從計算情況看，兩根接地線雖然可以大大降低通流溫升，但計算出來的溫升仍然較高，且設計院反饋本站的地網是為通流≤500A的小電流而設計的，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的鋁導流管對端部三相外殼進行連通，使三相外殼上的感應電流通過鋁導流管進行匯流，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電流通過的三相匯流裝置。

三相匯流裝置的設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，可設置三相導流排連接三相外殼并進行接地。

（2）如果三相端部相距較遠，可在設計之初與工程土建專業人員協調，在對應的端部處預埋專用的三相匯流接地排，通過專用的地下導流排實現端部外殼感應電流的匯流。

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