分相式GIS设备常见发热原因研究及处理措施
时间：2023-01-22 17:35:06 来源：天一资源网 本文已影响 人 
马宝玲
（国网青海省电力公司西宁供电公司，西宁 810003）
GIS设备变电站的核心设备，GIS设备组部件发热是变电设备常见的缺陷与隐患，目前尚未针对GIS设备发热类型与原因开展系统的归纳与分析。对于发热缺陷局限集中在具体部位分析，无法从整体网络对电流回路进行分析，且目前尚未对GIS外壳构架接地引起接地网络变化导致的复杂环流进行研究分析。开展GIS设备发热分析研究对电力系统稳定运行具有重要意义。
1.1 设备用途
GIS是气体绝缘全封闭组合电器[1]，GIS设备以SF6气体绝缘，相比于传统的空气绝缘介质，其体积小、占地面积少。SF6气体绝缘性能良好，可进行回收，灭弧效果好，在当前电网得到了大范围的推广应用。电压等级电压等级较低时，三相母线共用一个金属外壳，在三相对称运行下，外壳上产生的环流幅值不会很高，而电压等级较高时，三相不是“共体”结构，一般采用三相分体的形式。
对于高电压等级的GIS设备，由于运行电压过高，导致三相共体结构会带来设备制造难度大，运输、安装不便，故采用将A、B、C三相导体进行分相设计。分相设计的GIS设备一般运用在330 kV及以上电压等级的变电，也应用在安装有调相机的换流站，用分相式GIS设备将调相机定子侧接至升压变。分相式GIS设备如图1所示。
图1 分相式GIS设备结构
1.2 GIS结构
GIS设备主要由断路器、隔离开关、避雷器、电压互感器、母线、电流互感器及接地开关等部件组成。内部主要由触头、触指、绝缘子及SF6绝缘介质组成。GIS外壳主要由盆式绝缘子、三相外壳汇流接地排、2个相邻气室法兰面之间的跨接铝排、对分支母线起支撑固定作用的钢构架、起热涨冷缩缓冲作用和安装对接作用的波纹管、波纹管硬质跨接排或软质连接、波纹管上的游标卡尺、安装固定波纹管的铁质穿孔螺丝杆。内部导电杆通过支撑绝缘子对导电杆起固定支撑作用，SF6气体起绝缘作用。
不同气室通过盆式绝缘子进行分离，盆式绝缘子有通盆子和死盆子之分，通盆子保持相邻气室的SF6气体流通和维持同一额定气压；
死盆子保持相邻气室互相独立，维持各自的额定气压。GIS外壳互相连接经过盆式绝缘子时通过跨接铝排保持电气连接通路。在断路器两侧一般设置2个隔离开关，断路器对交流电流过零点进行灭弧，隔离开关形成明显的断开点对相邻电气设备进行隔离。一个隔离开关两侧配置2个接地开关，分别对隔离开关两侧进行接地保护。电压互感器、电流互感器对设备电压与电流进行测量，供保护测量系统使用。避雷器对操作和雷电过电压进行保护。
2.1 电流致热型发热
2.1.1 电流通路
外壳环流网络，在GIS中母线封装于金属外壳中，当母线有电流流过时，金属外壳上会产生感应电压，感应电流需经合理的路径流入大地，才能保证设备的安全稳定运行[2]。GIS外壳的电流流通路径，以2个三相汇流接地排为区间将分支母线分成几段，每一段中外壳电流的回路，A、B、C相的外壳电流分别沿外壳的通路流向下一个三相汇流排。每一相正常的流通路径为三相汇流接地排—GIS气室外壳—2个相邻气室法兰面之间的4个铝排—波纹管2个法兰面之间的4个跨接排—GIS气室外壳—2个相邻气室法兰面之间的4个铝排—三相汇流接地排。内部电流网络较单一，各分支回路对潮流进行分配，经内部导电杆及触头连接位置等单一回路进行流通。
2.1.2 发热类型及影响因素
GIS设备的发热按成因划分，可分为电流致热型、电压致热型[3]，电流致热性发热，核心原因为电流与电阻2个变量。常见的发热类型为导体触头发热、外壳固定螺帽发热、三相汇流接地铜排发热、波纹管发热、游标卡尺发热和波纹管跨接连排发热。GIS设备发热主要导体在时间的作用下流过导体的电能损耗大于由于冷却介质耗散的能量。根据焦耳定律，电能损耗与电流的平方成正比，与电阻值的大小成正比。对于室内的GIS设备，保持良好的通风也能对温度的升高起到一定的作用。
对于室外设备，导体处于自然的环境中，受阳光等环境的影响。在太阳强烈，环境温度高的时候，GIS设备温度散热受到影响，温度会异常升高。红外技术应用于电力系统设备故障诊断以来，对保障电力安全生产发挥着独特的重要作用[4]。在目前电力系统中，红外带电检测技术得到了广泛应用，红外成像仪将电气设备的图谱实物化显示，发热点能清晰显示。在太阳强烈的照射下，GIS设备外壳对阳光辐射率极度敏感，可能会导致红外成像仪温度较高，在实际现场中尽量选择避免太阳光直射的时间进行红外测量。
电流的突增在无发生短路故障时主要是GIS外壳电流的分布不平衡导致，涉及到整个外壳网络的某一支路电流在不同的已经安装完成的母线GIS钢构架与GIS外壳之间部分绝缘垫已掉落，当电流流过引起外壳振动时，外壳漆皮与钢构架摩擦导致漆皮掉落，使GIS外壳接地，由于绝缘垫块掉落的随机性，造成GIS外壳单相、两相等不平衡接地方式。由于刚构架与GIS盆子法兰面直接通过金属构架接触，构成三相高阻抗接地。三相汇流铜排可以视作低阻接地。
将GIS三相外壳电流视作A、B、C三相电流时，由于刚构架通过上述异常接地，使得原来的外壳接地网络发生了变化，使得外壳电流在新网络中发生重新分配。这种复杂网络根据接地网孔建立KCL、KVL求解得到的外壳支路电流相位角发生变化，使得外壳电流在三相汇流铜排不是单纯的120°之间的相位角，在某一个网孔中产生大环流，造成外壳的组部件过热。以上单相GIS外壳接地、两相GIS外壳接地、三相GIS外壳通过钢构架接地，改变了外壳电流的流通回路，打破了三相外壳电流通过三相汇流接地排的平衡状态，导致电流此消彼长，三相汇流接地排的作用形同虚设。典型的发热缺陷及接触脏污如图2所示。
图2 典型电流致热型缺陷
螺帽发热主要由接触面存在异物、接触不良、螺丝松动、螺帽两侧材质不同造成过渡接触面电阻大及螺帽局部涡流等引起。波纹管软连接发热主要由软连接锈蚀、氧化、材质不良、载流面积不符合热稳定效验能力和外壳环流等引起。接地汇流排发热主要由铜排载流面积不符合热稳定校验、材质不良、连接位置为铜铝过渡接头及GIS外壳异常接地产生环流等引起。铁质螺杆发热，4个跨接软连接因端头接触电阻和软连接电阻增大导致其电阻值和与铁质材料电阻值比例接近，导致反比分流至铁质螺杆中，导致发热。
2.2 电压致热型发热
由于GIS导电杆上工频电流产生的电磁感应现象[3]，当本体接地不良形成悬浮电位时会引起过热。悬浮电位与大地的接触性能下降，会在局部形成电磁涡流，伴随着涡流损耗，使相应部位产生过热现象。对于过电压导致介质损耗增大的电压致热型缺陷，发热表现为电磁式电压互感器、电流互感器、避雷器、断路器和隔离开关本体发热。以常见的电压互感器为例，一次线圈施加励磁电压，二次线圈通过电磁感应原理感应出电压，在一次、二次线圈之间的绝缘介质中会产生电容电流，当交变的电压固定时，当绝缘介质老化、绝缘性能下降等会使绝缘介质的电容电流增大，在长时间的运行过程中，会导致介质损耗增大而发热（图3）。
图3 分相式设备典型电压致热型缺陷
3.1 电流致热型缺陷处理
发热的主要原因为电流通路，首先分析电流的回路是否异常，再者分析电流的大小是否异常。如绝缘故障，导体过热故障，机械故障等。其中，热故障是最主要的故障表现形式之一[5]。对于内部导电杆电流只涉及到电流大小的因素，排查是否过负荷和发生短路故障导致电流增大；
对于外壳的组部件，首先排查壳体是否存在异常接地导致外壳电流的回路发生变化，再检查某一回路中的电流分流是否均衡。
电流致热型发热的次要原因为电阻的增大，涉及到导体材质、接触面积、过渡面的压紧程度、接触面是否存在异物、导体本身的氧化腐蚀及不同金属过渡电阻等因素。对于内部导电杆主要是由于触头与触指的接触面松动和涉及铜铝过渡接头导致电阻增大；
对于外壳的组部件主要是过渡面载流面积不符合热稳定校验能力和接触面过渡电阻增大。对载流面积不符合热稳定校验能力的进行更换，对接触面氧化的进行打磨，对松动的部位按要求进行力矩紧固。以上处理措施基本覆盖了所有电流致热型缺陷的处理方法。
3.2 电压致热型处理措施
电压致热型发热，表现为电磁式电压互感器、电流互感器、避雷器、断路器和隔离开关本体发热，GIS设备如果有了热故障，就将以过热点的最高温度为中心，形成一个特定的热场[6]。热场在绝缘介质加大了介质损耗，使电气设备整体过热。电压致热型危急缺陷一般通过停电更换本体设备进行处理。
通过对GIS设备常见的发热类型进行研究分析，提出了各种类型发热缺陷的处理措施，为后续GIS设备实际运行中红外检测与缺陷诊断分析提供了理论框架。
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