分相式GIS設(shè)備常見發(fā)熱原因研究及處理措施

馬寶玲

（國網(wǎng)青海省電力公司西寧供電公司，西寧 810003）

GIS設(shè)備變電站的核心設(shè)備，GIS設(shè)備組部件發(fā)熱是變電設(shè)備常見的缺陷與隱患，目前尚未針對GIS設(shè)備發(fā)熱類型與原因開展系統(tǒng)的歸納與分析。對于發(fā)熱缺陷局限集中在具體部位分析，無法從整體網(wǎng)絡(luò)對電流回路進(jìn)行分析，且目前尚未對GIS外殼構(gòu)架接地引起接地網(wǎng)絡(luò)變化導(dǎo)致的復(fù)雜環(huán)流進(jìn)行研究分析。開展GIS設(shè)備發(fā)熱分析研究對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

1 分相式GIS結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)備用途

GIS是氣體絕緣全封閉組合電器[1]，GIS設(shè)備以SF6氣體絕緣，相比于傳統(tǒng)的空氣絕緣介質(zhì)，其體積小、占地面積少。SF6氣體絕緣性能良好，可進(jìn)行回收，滅弧效果好，在當(dāng)前電網(wǎng)得到了大范圍的推廣應(yīng)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(yùn)行下，外殼上產(chǎn)生的環(huán)流幅值不會很高，而電壓等級較高時，三相不是“共體”結(jié)構(gòu)，一般采用三相分體的形式。

對于高電壓等級的GIS設(shè)備，由于運(yùn)行電壓過高，導(dǎo)致三相共體結(jié)構(gòu)會帶來設(shè)備制造難度大，運(yùn)輸、安裝不便，故采用將A、B、C三相導(dǎo)體進(jìn)行分相設(shè)計(jì)。分相設(shè)計(jì)的GIS設(shè)備一般運(yùn)用在330 kV及以上電壓等級的變電，也應(yīng)用在安裝有調(diào)相機(jī)的換流站，用分相式GIS設(shè)備將調(diào)相機(jī)定子側(cè)接至升壓變。分相式GIS設(shè)備如圖1所示。

圖1 分相式GIS設(shè)備結(jié)構(gòu)

1.2 GIS結(jié)構(gòu)

GIS設(shè)備主要由斷路器、隔離開關(guān)、避雷器、電壓互感器、母線、電流互感器及接地開關(guān)等部件組成。內(nèi)部主要由觸頭、觸指、絕緣子及SF6絕緣介質(zhì)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(gòu)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(zhì)跨接排或軟質(zhì)連接、波紋管上的游標(biāo)卡尺、安裝固定波紋管的鐵質(zhì)穿孔螺絲桿。內(nèi)部導(dǎo)電桿通過支撐絕緣子對導(dǎo)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(jìn)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(dú)立，維持各自的額定氣壓。GIS外殼互相連接經(jīng)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(cè)一般設(shè)置2個隔離開關(guān)，斷路器對交流電流過零點(diǎn)進(jìn)行滅弧，隔離開關(guān)形成明顯的斷開點(diǎn)對相鄰電氣設(shè)備進(jìn)行隔離。一個隔離開關(guān)兩側(cè)配置2個接地開關(guān)，分別對隔離開關(guān)兩側(cè)進(jìn)行接地保護(hù)。電壓互感器、電流互感器對設(shè)備電壓與電流進(jìn)行測量，供保護(hù)測量系統(tǒng)使用。避雷器對操作和雷電過電壓進(jìn)行保護(hù)。

2 發(fā)熱類型及原因分析

2.1 電流致熱型發(fā)熱

2.1.1 電流通路

外殼環(huán)流網(wǎng)絡(luò)，在GIS中母線封裝于金屬外殼中，當(dāng)母線有電流流過時，金屬外殼上會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，感應(yīng)電流需經(jīng)合理的路徑流入大地，才能保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行[2]。GIS外殼的電流流通路徑，以2個三相匯流接地排為區(qū)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(nèi)部電流網(wǎng)絡(luò)較單一，各分支回路對潮流進(jìn)行分配，經(jīng)內(nèi)部導(dǎo)電桿及觸頭連接位置等單一回路進(jìn)行流通。

2.1.2 發(fā)熱類型及影響因素

GIS設(shè)備的發(fā)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(fā)熱，核心原因?yàn)殡娏髋c電阻2個變量。常見的發(fā)熱類型為導(dǎo)體觸頭發(fā)熱、外殼固定螺帽發(fā)熱、三相匯流接地銅排發(fā)熱、波紋管發(fā)熱、游標(biāo)卡尺發(fā)熱和波紋管跨接連排發(fā)熱。GIS設(shè)備發(fā)熱主要導(dǎo)體在時間的作用下流過導(dǎo)體的電能損耗大于由于冷卻介質(zhì)耗散的能量。根據(jù)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(nèi)的GIS設(shè)備，保持良好的通風(fēng)也能對溫度的升高起到一定的作用。

對于室外設(shè)備，導(dǎo)體處于自然的環(huán)境中，受陽光等環(huán)境的影響。在太陽強(qiáng)烈，環(huán)境溫度高的時候，GIS設(shè)備溫度散熱受到影響，溫度會異常升高。紅外技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)設(shè)備故障診斷以來，對保障電力安全生產(chǎn)發(fā)揮著獨(dú)特的重要作用[4]。在目前電力系統(tǒng)中，紅外帶電檢測技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，紅外成像儀將電氣設(shè)備的圖譜實(shí)物化顯示，發(fā)熱點(diǎn)能清晰顯示。在太陽強(qiáng)烈的照射下，GIS設(shè)備外殼對陽光輻射率極度敏感，可能會導(dǎo)致紅外成像儀溫度較高，在實(shí)際現(xiàn)場中盡量選擇避免太陽光直射的時間進(jìn)行紅外測量。

電流的突增在無發(fā)生短路故障時主要是GIS外殼電流的分布不平衡導(dǎo)致，涉及到整個外殼網(wǎng)絡(luò)的某一支路電流在不同的已經(jīng)安裝完成的母線GIS鋼構(gòu)架與GIS外殼之間部分絕緣墊已掉落，當(dāng)電流流過引起外殼振動時，外殼漆皮與鋼構(gòu)架摩擦導(dǎo)致漆皮掉落，使GIS外殼接地，由于絕緣墊塊掉落的隨機(jī)性，造成GIS外殼單相、兩相等不平衡接地方式。由于剛構(gòu)架與GIS盆子法蘭面直接通過金屬構(gòu)架接觸，構(gòu)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(gòu)架通過上述異常接地，使得原來的外殼接地網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了變化，使得外殼電流在新網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生重新分配。這種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)根據(jù)接地網(wǎng)孔建立KCL、KVL求解得到的外殼支路電流相位角發(fā)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(wǎng)孔中產(chǎn)生大環(huán)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(gòu)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(tài)，導(dǎo)致電流此消彼長，三相匯流接地排的作用形同虛設(shè)。典型的發(fā)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(fā)熱主要由接觸面存在異物、接觸不良、螺絲松動、螺帽兩側(cè)材質(zhì)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(fā)熱主要由軟連接銹蝕、氧化、材質(zhì)不良、載流面積不符合熱穩(wěn)定效驗(yàn)?zāi)芰屯鈿きh(huán)流等引起。接地匯流排發(fā)熱主要由銅排載流面積不符合熱穩(wěn)定校驗(yàn)、材質(zhì)不良、連接位置為銅鋁過渡接頭及GIS外殼異常接地產(chǎn)生環(huán)流等引起。鐵質(zhì)螺桿發(fā)熱，4個跨接軟連接因端頭接觸電阻和軟連接電阻增大導(dǎo)致其電阻值和與鐵質(zhì)材料電阻值比例接近，導(dǎo)致反比分流至鐵質(zhì)螺桿中，導(dǎo)致發(fā)熱。

2.2 電壓致熱型發(fā)熱

由于GIS導(dǎo)電桿上工頻電流產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象[3]，當(dāng)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(yīng)部位產(chǎn)生過熱現(xiàn)象。對于過電壓導(dǎo)致介質(zhì)損耗增大的電壓致熱型缺陷，發(fā)熱表現(xiàn)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(guān)本體發(fā)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(yīng)原理感應(yīng)出電壓，在一次、二次線圈之間的絕緣介質(zhì)中會產(chǎn)生電容電流，當(dāng)交變的電壓固定時，當(dāng)絕緣介質(zhì)老化、絕緣性能下降等會使絕緣介質(zhì)的電容電流增大，在長時間的運(yùn)行過程中，會導(dǎo)致介質(zhì)損耗增大而發(fā)熱（圖3）。

圖3 分相式設(shè)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(fā)熱的主要原因?yàn)殡娏魍罚紫确治鲭娏鞯幕芈肥欠癞惓?，再者分析電流的大小是否異常。如絕緣故障，導(dǎo)體過熱故障，機(jī)械故障等。其中，熱故障是最主要的故障表現(xiàn)形式之一[5]。對于內(nèi)部導(dǎo)電桿電流只涉及到電流大小的因素，排查是否過負(fù)荷和發(fā)生短路故障導(dǎo)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(dǎo)致外殼電流的回路發(fā)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(fā)熱的次要原因?yàn)殡娮璧脑龃?，涉及到?dǎo)體材質(zhì)、接觸面積、過渡面的壓緊程度、接觸面是否存在異物、導(dǎo)體本身的氧化腐蝕及不同金屬過渡電阻等因素。對于內(nèi)部導(dǎo)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(dǎo)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(wěn)定校驗(yàn)?zāi)芰徒佑|面過渡電阻增大。對載流面積不符合熱穩(wěn)定校驗(yàn)?zāi)芰Φ倪M(jìn)行更換，對接觸面氧化的進(jìn)行打磨，對松動的部位按要求進(jìn)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(fā)熱，表現(xiàn)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(guān)本體發(fā)熱，GIS設(shè)備如果有了熱故障，就將以過熱點(diǎn)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(zhì)加大了介質(zhì)損耗，使電氣設(shè)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(shè)備進(jìn)行處理。

4 結(jié)束語

通過對GIS設(shè)備常見的發(fā)熱類型進(jìn)行研究分析，提出了各種類型發(fā)熱缺陷的處理措施，為后續(xù)GIS設(shè)備實(shí)際運(yùn)行中紅外檢測與缺陷診斷分析提供了理論框架。