GIS组合开关SF6气室环流处理分析

GIS组合开关SF6气室环流处理分析

周义军

（广东省粤电集团有限公司珠海发电厂，广东珠海519000）

摘要：本文通过实际工程案例探讨分析了GIS母线环流问题产生的原因及影响，同时对其接地要求做了详细阐述。

关键词：GIS组合开关；SF6气室；环流；处理

前言

通过有效的控制环流解决气室过热的隐患，以供参考。

1工程概况

2008年2月6日，XX电厂700MW主变高压侧220KV电缆A相发生接地短路，故障处理中将XX电厂700MW主变A相交联聚乙烯电缆由原日本藤仓制造的220KVXLPE3000mm2电缆（NDPI-0297619414）更换为沈阳古河电缆厂的220KVXLPE2500mm2电缆（YJLW03-Z1×2500mm2220KV）。为了掌握已投入正常连续运行的XX电厂700MW主变A相新电缆状况及分析、预防和消除隐患，通过XX电厂、三菱总承包商、日本藤仓电缆、沈阳古河、广东中试所、电力设计院、武高所、XX电建等多方分析研究制定《220KV电缆及终端装置反事故技术措施》。其中包括：预防220KV电缆及其GIS设备载流导体过热（①采用红外测温成像仪检查，②XX电厂700MW主变220KV电缆及终端头表面温度在线监测和预警）和检测电终端及接头的绝缘劣化程度（①XX电厂700MW主变220KV电缆及终端局部放电检测，②电缆终端外护层环流监测）。

按照反事故技术措施要求，2008年3月份，电气点检人员在对XX电厂700MW主变出口开关2201间隔进行红外测温点检时发现6号气室地脚螺栓发热严重（如下图为2008年3月27日红外热像仪测温记录）。

（2008年3月27日14:16:12红外热成像图片）

在随后的跟踪测量中测得最高温度高达93℃，用钳表电流表测量各地脚螺栓通过的电流为89～184A。初步分析认为XX电厂XX电厂700MW主变出口开关2201间隔6号气室金属外壳产生的环流流过地脚螺栓引起螺栓发热。而产生环流的原因极有可能是XX电厂700MW主变高压侧三相电流不平衡导致的。例如下图：2009年8月18日凌晨02:47:18，XX电厂700MW主变高压侧A、B、C三相电流依次为（1593.66A）、（1612.21A）、（1642.52A），B相电流比A相高18.55A；C相比B相高30.31A，比A相高48.86A。而2号主变高压侧A、B、C三相电流依次为（1519.76A）、（1519.96A）、（1521.48A），最多相差1.72A。

（2009年8月18日凌晨02:47:18，1、2号主变高压侧电流）

从数据中可以看出XX电厂700MW主变高压侧三相电流略有不平衡。下面我们将着重分析一下GIS母线环流的产生及其影响。

2GIS母线环流问题分析

2.1GIS母线环流的定义

在GIS系统中，母线封装于金属外壳中，母线与金属之间存在电磁耦合，当母线有电流流过时，金属外壳上会产生感应电压，通过一定的间隔，母线外壳上将会有感应电流流过，这种电流称为环流。

2.2环流产生的机理及影响其大小的因素

2.2.1金属外壳产生环流的机理

电流流过母线时在外壳产生环流的同时，也会产生涡流。此电流由交变母线电流通过外壳截面的磁通量发生变化而感就产生的，是一种横向电流。不管是相间耦合还是相间接地，外壳上都会产生两种感应电压：纵向感应的共模电压和涡流引起的差模电压，这两类电压可以叠加。

对于差模电压，任何外包导体的非磁性管式屏蔽，电流流过内部导体时会产生一个交变磁场，多少可以减弱该磁场对其他外部导体的磁效应。此屏蔽效应完全是由于导体的垂直平面内涡流循环的缘故；同时，这种电流本身的磁场能平衡、抵消内部导体磁场，因此无论外壳接地与否都能产生差模电压。一般情况下，在工频时，外壳不能提供足够大的屏蔽，感应电压很少，相对屏蔽效应小于10%。而在连续结构体的GIS外壳屏蔽效应会很高（约80%～90%），这是由在闭合回路中通过各相外壳及连接器纵向环流引起的，所以也是外壳采用连续型的优点，同时可以认为在研究连续型外壳环流部题时，涡流的影响完全可以忽略。

对于纵向的共模电压，一般通过耦合关系来研究，其基本耦合电路有相导线与构成闭合的外壳之间的耦合和相导线与以大地构成回路的外壳之间的耦合，这两种耦合都可以通过理想变压器的T型等效来模拟。

2.2.2影响环流大小的因素

（1）电压等级的影响。当耦合关系一旦确定，电压等级越高，耦合到外壳上的感应电压就会越大，（即EQ的值），形成环流也就会很大。

（2）外壳尺寸、位置的影响。壳体距地高度、母线筒的直径、相间距离都会影响导体与金属外壳的耦合关系、耦合系数改变，从而影响环流值。

（3）金属材料（外壳的材料和外壳连接体的材料）的选取。选取的材料必须有足够的传导性，以免局部电位分布不均匀，还要有足够的机械强度，很好的抗腐蚀和耐热性能，否则金属外壳表面阻抗S0连接器感抗Lb的值就会变化，环流也会随之变化。

（4）外壳连接器之间的距离和接点之间的距离都会对环流产生影响。

（5）接地引线的长度和接地电阻的值都是影响环流的因素，通过合理的接地措施调节环流值。

2.3金属外壳环流对二次设备的影响

由于GIS内部结构比较紧凑，电气设备（一、二次）都处在一个特殊的电磁环境中，电磁干扰通过各种形式耦合和传导，随进会危及设备的安全。在系统正常运行时，感应到外壳上的电流幅值小，频率为工频，对二次设备威胁不大。但在GIS内部故障或例行操作而引起的隔离开关、断路器和接地开关等动作时，会产生快速暂态过程，表现在母线套管上为快速暂态过电压，此时在外壳上产生的暂态环流幅值虽然不是很大，但是陡度较大，而且含有高频分量，这时电压和电流相互作用产生的暂态电磁场（TEM）的频率主要集中在105～150MHZ之间，可高达300MHZ，TEM波耦合到外部环境中，会对变压器、电缆出线、套管和法兰等电气设备的绝缘造成威胁，特别是对变压器绕组的匝间绝缘危害最为严重。除此之外，由于GIS中产生的暂态环流具有高频、超高频分量，而GIS的布置不右能与接地电流注入点的距离一致，会引起GIS的TGPH效应，同时也会对二次侧的监控、测量设备产生电磁干扰，造成系统误动作。

3GIS接地的要求

接地网的设计在电力系统的设计中占十分重要的地位，特别是在GIS系统中，其结构紧凑，电力工程规定其接地电阻在5Ω以下，在电压等级较高的系统中，接地电阻要求更高，这样对于一般的地区尚不能很好满足，对高高阻抗地区情部就更为严峻。GIS装置要安全接地，除了要求承受各种故障电流和雷电流，还必须有效遏制环流的产生和TPGR的产生，具有较低的接地电阻和较小的接触电压和跨步电压。对于单纯的降低TGPR，通常采用改进操作、改变外壳装置和采用屏蔽技术的方法，其技术也相对于降低环流技术较为成熟。所以要求，GIS变电站应采用铜材料接地网以有效降低整个装置的接地电阻；在允许的情况下尽可能降低GIS金属外壳高度，而抑制暂态电流入地时产生的暂态电位升高；采用独立的主接地母线，GIS装置的金属外壳应整体连接并采用多点有效接地方式，确保外壳感应电流的流通，从而降低外壳中的涡流损耗，这也是降低接触电压和跨步电压的主要手段。为了限制外壳环流所造成的不利影响，应满足如下要求：

（1）所有GIS中的金属外壳都应该在低电位下运行。

（2）为了避免GIS内部电路以年的外壳出现环流，电缆外壳的接地导体应该通过GIS母线外壳分隔开界限开关的设计应备用绝缘空气间隙或装有适当的绝缘元件，GIS内部故障可引起这些绝缘元件的网络，网络在接地系统的电流分布的后果也应考虑。

（3）在指定的点上接地时，母线外壳应该在各个外壳段之间不存在较大的电位差，而且支撑结构或接地装置的任何部分应不受感应电流的不利影响。

（4）不允许外壳回路电流流经任何安装的电流互感器。

4目前采取的解决方案

为了消除XX电厂700MW主变出口开关2201间隔6号气室底座过热的隐串，2009年1号机组小修期间，XX电建按照西门子公司提供的方案在2201间隔6号气室底部加装导流接地跨条，使6号气室部分环流经导流排流入地网，减轻了底部螺栓的通流量。事后测量分流效果明显，大约有一半的电流流过导流排。三相底部支撑螺的通过电流分别为A相（96.0、81.0、35.6、89.2）、B相（57.7、40.1、38.2、63.4）、C相（89.3、76.6、57.2、116.8）。螺栓发热问题也有所缓解。

5结语

综上所述，由于三相电流不平衡的原因造成CIS母线环流，从而导致气室金属外壳产生的环流流过地脚螺栓引起螺栓发热，因此，对于SF6气室的环流处理必须从源头入手，对CIS组合开关采取有效的散热措施，保障气室的安全运行。

参考文献：

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[2]李喜桂．交流高压SF6断路器检修工艺[M]．北京：中国电力出版社，2009.

[3]郭磊，范冕，姚裕安．500kVGIS外壳感应环流特性的仿真分析[J]．湖北工业大学报，2012（01）