分相式GIS設備常見發熱原因研究及處理措施

馬寶玲

（國網青海省電力公司西寧供電公司，西寧 810003）

GIS設備變電站的核心設備，GIS設備組部件發熱是變電設備常見的缺陷與隱患，目前尚未針對GIS設備發熱類型與原因開展系統的歸納與分析。對于發熱缺陷局限集中在具體部位分析，無法從整體網絡對電流回路進行分析，且目前尚未對GIS外殼構架接地引起接地網絡變化導致的復雜環流進行研究分析。開展GIS設備發熱分析研究對電力系統穩定運行具有重要意義。

1 分相式GIS結構

1.1 設備用途

GIS是氣體絕緣全封閉組合電器[1]，GIS設備以SF6氣體絕緣，相比于傳統的空氣絕緣介質，其體積小、占地面積少。SF6氣體絕緣性能良好，可進行回收，滅弧效果好，在當前電網得到了大范圍的推廣應用。電壓等級電壓等級較低時，三相母線共用一個金屬外殼，在三相對稱運行下，外殼上產生的環流幅值不會很高，而電壓等級較高時，三相不是“共體”結構，一般采用三相分體的形式。

對于高電壓等級的GIS設備，由于運行電壓過高，導致三相共體結構會帶來設備制造難度大，運輸、安裝不便，故采用將A、B、C三相導體進行分相設計。分相設計的GIS設備一般運用在330 kV及以上電壓等級的變電，也應用在安裝有調相機的換流站，用分相式GIS設備將調相機定子側接至升壓變。分相式GIS設備如圖1所示。

圖1 分相式GIS設備結構

1.2 GIS結構

GIS設備主要由斷路器、隔離開關、避雷器、電壓互感器、母線、電流互感器及接地開關等部件組成。內部主要由觸頭、觸指、絕緣子及SF6絕緣介質組成。GIS外殼主要由盆式絕緣子、三相外殼匯流接地排、2個相鄰氣室法蘭面之間的跨接鋁排、對分支母線起支撐固定作用的鋼構架、起熱漲冷縮緩沖作用和安裝對接作用的波紋管、波紋管硬質跨接排或軟質連接、波紋管上的游標卡尺、安裝固定波紋管的鐵質穿孔螺絲桿。內部導電桿通過支撐絕緣子對導電桿起固定支撐作用，SF6氣體起絕緣作用。

不同氣室通過盆式絕緣子進行分離，盆式絕緣子有通盆子和死盆子之分，通盆子保持相鄰氣室的SF6氣體流通和維持同一額定氣壓；死盆子保持相鄰氣室互相獨立，維持各自的額定氣壓。GIS外殼互相連接經過盆式絕緣子時通過跨接鋁排保持電氣連接通路。在斷路器兩側一般設置2個隔離開關，斷路器對交流電流過零點進行滅弧，隔離開關形成明顯的斷開點對相鄰電氣設備進行隔離。一個隔離開關兩側配置2個接地開關，分別對隔離開關兩側進行接地保護。電壓互感器、電流互感器對設備電壓與電流進行測量，供保護測量系統使用。避雷器對操作和雷電過電壓進行保護。

2 發熱類型及原因分析

2.1 電流致熱型發熱

2.1.1 電流通路

外殼環流網絡，在GIS中母線封裝于金屬外殼中，當母線有電流流過時，金屬外殼上會產生感應電壓，感應電流需經合理的路徑流入大地，才能保證設備的安全穩定運行[2]。GIS外殼的電流流通路徑，以2個三相匯流接地排為區間將分支母線分成幾段，每一段中外殼電流的回路，A、B、C相的外殼電流分別沿外殼的通路流向下一個三相匯流排。每一相正常的流通路徑為三相匯流接地排—GIS氣室外殼—2個相鄰氣室法蘭面之間的4個鋁排—波紋管2個法蘭面之間的4個跨接排—GIS氣室外殼—2個相鄰氣室法蘭面之間的4個鋁排—三相匯流接地排。內部電流網絡較單一，各分支回路對潮流進行分配，經內部導電桿及觸頭連接位置等單一回路進行流通。

2.1.2 發熱類型及影響因素

GIS設備的發熱按成因劃分，可分為電流致熱型、電壓致熱型[3]，電流致熱性發熱，核心原因為電流與電阻2個變量。常見的發熱類型為導體觸頭發熱、外殼固定螺帽發熱、三相匯流接地銅排發熱、波紋管發熱、游標卡尺發熱和波紋管跨接連排發熱。GIS設備發熱主要導體在時間的作用下流過導體的電能損耗大于由于冷卻介質耗散的能量。根據焦耳定律，電能損耗與電流的平方成正比，與電阻值的大小成正比。對于室內的GIS設備，保持良好的通風也能對溫度的升高起到一定的作用。

對于室外設備，導體處于自然的環境中，受陽光等環境的影響。在太陽強烈，環境溫度高的時候，GIS設備溫度散熱受到影響，溫度會異常升高。紅外技術應用于電力系統設備故障診斷以來，對保障電力安全生產發揮著獨特的重要作用[4]。在目前電力系統中，紅外帶電檢測技術得到了廣泛應用，紅外成像儀將電氣設備的圖譜實物化顯示，發熱點能清晰顯示。在太陽強烈的照射下，GIS設備外殼對陽光輻射率極度敏感，可能會導致紅外成像儀溫度較高，在實際現場中盡量選擇避免太陽光直射的時間進行紅外測量。

電流的突增在無發生短路故障時主要是GIS外殼電流的分布不平衡導致，涉及到整個外殼網絡的某一支路電流在不同的已經安裝完成的母線GIS鋼構架與GIS外殼之間部分絕緣墊已掉落，當電流流過引起外殼振動時，外殼漆皮與鋼構架摩擦導致漆皮掉落，使GIS外殼接地，由于絕緣墊塊掉落的隨機性，造成GIS外殼單相、兩相等不平衡接地方式。由于剛構架與GIS盆子法蘭面直接通過金屬構架接觸，構成三相高阻抗接地。三相匯流銅排可以視作低阻接地。

將GIS三相外殼電流視作A、B、C三相電流時，由于剛構架通過上述異常接地，使得原來的外殼接地網絡發生了變化，使得外殼電流在新網絡中發生重新分配。這種復雜網絡根據接地網孔建立KCL、KVL求解得到的外殼支路電流相位角發生變化，使得外殼電流在三相匯流銅排不是單純的120°之間的相位角，在某一個網孔中產生大環流，造成外殼的組部件過熱。以上單相GIS外殼接地、兩相GIS外殼接地、三相GIS外殼通過鋼構架接地，改變了外殼電流的流通回路，打破了三相外殼電流通過三相匯流接地排的平衡狀態，導致電流此消彼長，三相匯流接地排的作用形同虛設。典型的發熱缺陷及接觸臟污如圖2所示。

圖2 典型電流致熱型缺陷

螺帽發熱主要由接觸面存在異物、接觸不良、螺絲松動、螺帽兩側材質不同造成過渡接觸面電阻大及螺帽局部渦流等引起。波紋管軟連接發熱主要由軟連接銹蝕、氧化、材質不良、載流面積不符合熱穩定效驗能力和外殼環流等引起。接地匯流排發熱主要由銅排載流面積不符合熱穩定校驗、材質不良、連接位置為銅鋁過渡接頭及GIS外殼異常接地產生環流等引起。鐵質螺桿發熱，4個跨接軟連接因端頭接觸電阻和軟連接電阻增大導致其電阻值和與鐵質材料電阻值比例接近，導致反比分流至鐵質螺桿中，導致發熱。

2.2 電壓致熱型發熱

由于GIS導電桿上工頻電流產生的電磁感應現象[3]，當本體接地不良形成懸浮電位時會引起過熱。懸浮電位與大地的接觸性能下降，會在局部形成電磁渦流，伴隨著渦流損耗，使相應部位產生過熱現象。對于過電壓導致介質損耗增大的電壓致熱型缺陷，發熱表現為電磁式電壓互感器、電流互感器、避雷器、斷路器和隔離開關本體發熱。以常見的電壓互感器為例，一次線圈施加勵磁電壓，二次線圈通過電磁感應原理感應出電壓，在一次、二次線圈之間的絕緣介質中會產生電容電流，當交變的電壓固定時，當絕緣介質老化、絕緣性能下降等會使絕緣介質的電容電流增大，在長時間的運行過程中，會導致介質損耗增大而發熱（圖3）。

圖3 分相式設備典型電壓致熱型缺陷

3 處理措施

3.1 電流致熱型缺陷處理

發熱的主要原因為電流通路，首先分析電流的回路是否異常，再者分析電流的大小是否異常。如絕緣故障，導體過熱故障，機械故障等。其中，熱故障是最主要的故障表現形式之一[5]。對于內部導電桿電流只涉及到電流大小的因素，排查是否過負荷和發生短路故障導致電流增大；對于外殼的組部件，首先排查殼體是否存在異常接地導致外殼電流的回路發生變化，再檢查某一回路中的電流分流是否均衡。

電流致熱型發熱的次要原因為電阻的增大，涉及到導體材質、接觸面積、過渡面的壓緊程度、接觸面是否存在異物、導體本身的氧化腐蝕及不同金屬過渡電阻等因素。對于內部導電桿主要是由于觸頭與觸指的接觸面松動和涉及銅鋁過渡接頭導致電阻增大；對于外殼的組部件主要是過渡面載流面積不符合熱穩定校驗能力和接觸面過渡電阻增大。對載流面積不符合熱穩定校驗能力的進行更換，對接觸面氧化的進行打磨，對松動的部位按要求進行力矩緊固。以上處理措施基本覆蓋了所有電流致熱型缺陷的處理方法。

3.2 電壓致熱型處理措施

電壓致熱型發熱，表現為電磁式電壓互感器、電流互感器、避雷器、斷路器和隔離開關本體發熱，GIS設備如果有了熱故障，就將以過熱點的最高溫度為中心，形成一個特定的熱場[6]。熱場在絕緣介質加大了介質損耗，使電氣設備整體過熱。電壓致熱型危急缺陷一般通過停電更換本體設備進行處理。

4 結束語

通過對GIS設備常見的發熱類型進行研究分析，提出了各種類型發熱缺陷的處理措施，為后續GIS設備實際運行中紅外檢測與缺陷診斷分析提供了理論框架。