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    国内某220kV,GIS分支母线端部接地线异常发热问题分析

    时间：2023-01-13 19:40:59来源：百花范文网本文已影响人

    沈学银，买小飞，黄腾飞

    河南平芝高压开关有限公司，河南平顶山，467000

    GIS（gas insulated substation）是气体绝缘全封闭组合电器的英文简称。GIS由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线和各种连接终端（套管、电缆头、变压器直联）等组成，这些设备或部件全部封闭在金属外壳中，在其内部充有一定压力的SF6绝缘气体，故也称SF6全封闭组合电器[1]。GIS通常用于高电压（110kV以上）、大电流（2000A以上）的输变电工程中，正常运行或出现接地故障时，金属外壳上均有可能感应到超出人体承受能力的电压和电流，因此GIS的接地设计对于GIS的安全、可靠运行至关重要[2]。

    GIS的接地形式有单点接地和多点接地两种形式[3]，均要求GIS外壳可靠接地，满足正常运行时外壳上的感应电压不大于30V，短路故障时外壳上的感应电压不大于100V的要求。接地回路应满足额定短路电流的动、热稳定要求，接地点的接触面和接地连线的截面积应保证故障接地电流能安全地通过。国内GIS产品基本上都选用多点接地[4]。GIS外壳多点接地可实现：①简化母线和支架上的绝缘设计；
    ②外壳上流动的感应电流能减少支撑框架内的磁通量，减少框架的感应发热；
    ③外壳上的每处接地点就近接入地网，可减小接地线上的电感。

    国内某220kV GIS变电站投运一周后，在变电站的日常巡视与测温时发现靠近变压器端的GIS分支母线外壳第一个接地点上的接地线处发热及烧蚀严重，接地线外侧绝缘皮已发黑、龟裂，经红外检测发现接地线处温度达325℃，如图1、图2所示。本站6台主变的相同位置均有类似的烧蚀情况。

    图1 现场接地线烧蚀情况

    图2 接地线处的红外测量情况

    电站有2个主变间隔，均为单相连接形式的变压器直联结构。6台单相变压器分布在6个露天变压器室内，相隔距离为12米。变压器与GIS本体距离为47米，通过三相分箱的分支母线相连。分支母线在跨越站内道路前分散开，分别连接对应的变压器。电站220kV GIS的布置结构如图3所示。

    图3 220kV GIS布置图

    分支母线接地排查情况也参照图3，在分支母线出GIS本体的位置，三相分支母线外壳通过导流排连接后接地，连通形式如图4所示；
    至变压器直联处的分支母线，每隔约12米做一个单相的外壳接地。出现接地线烧蚀的位置位于图3中的最上部接地线上。

    图4 三相外壳连通形式

    2.1 红外复测

    对6处GIS外壳接地出现烧蚀的接地线进行红外复测，结果如表1所示。

    表1 烧蚀的接地线红外测温结果

    2.2 接地电流测量

    接地线连接GIS外壳及GIS母线支架，支架又通过铜排连到地网上。对1号主变的C相烧蚀接地线进行通流测量，显示通流为1520A；
    连接到地网的导流排通流为535A。C相母线上其他位置的接地铜排通流为0.2～20A不等。

    2.3 后台负荷电流

    6台主变后台的运行数据如表2所示。

    表2 主变负荷电流值

    GIS外壳中的感应电流ia/ib/ic是由导体电流i在外壳、大地及两侧的接地体之间的磁场B产生的，如图5所示。导体中交变的电流产生了变化的磁场B，由金属外壳、大地和两侧接地体组成的闭合通路中，因变化的磁场B而使闭合面内的磁通量产生变化，从而使外壳上产生感应电流。若一侧的接地体断开，由于不能组成闭合通路，外壳上将不会产生感应电流，类似GIS单点接地的情况。

    图5 GIS外壳感应电流的来源

    外壳感应电流的方向与导体电流方向相反，如果不考虑电阻，外壳上的感应电流与主回路电流值相等[5-6]。实际应用中，GIS外壳感应电流的大小与母线的布置形式有很大关系，试验表明通常为主回路电流的60%～80%，本站的主回路电流为2005A，实测外壳感应电流为1520A，占比达75.8%。

    分支母线的等效电路如图6所示。

    图6 分支母线等效电路

    左侧三相分支母线外壳用导流排连接并接地，其他位置的接地均为单相外壳接地。左侧接地线上的入地电流iN=ia+ib+ic≈0，壳体上的感应电流因布置结构不同大小有所差异，通常入地电流iN≤50A。中间各处的壳体接地线上的接地电流iN=ia-ia≈0，中间各处设置壳体接地的目的是强制壳体接地点处电势为0，在出现短路等故障时，确保壳体上不会出现危害人体安全得过高感应电压。右端由于没有三相导流排连接分支母线壳体，感应电流通过壳体接地线进入地网，在接地网里进行汇流，此时接地线上的入地电流iN=ia≈ib≈ic。

    本次烧蚀的接地线截面积为200mm²，按实测的入地电流1520A进行发热计算如下：温升的经验公式为ΔT=K×10-4×Ie1.7。

    式中，K为实验常数（200mm2时），空气中8.76，土中5.76；
    Ie为通过的电流值。

    计算得：ΔT=8.76×10-4×15201.7=224.7（℃）。

    可见，在变压器直联侧的GIS分支母线壳体上200mm2接地线不能满足母线外壳上感应电流的通流要求。

    为了降低接地线的通流温升，可以考虑用2根200mm2的接地线并联使用，此时计算温升如下：ΔT=8.76×10-4×(1520/2)1.7=69.1（℃）。

    从计算情况看，两根接地线虽然可以大大降低通流温升，但计算出来的温升仍然较高，且设计院反馈本站的地网是为通流≤500A的小电流而设计的，并不适用于长期通流较大的接地电流。

    本次故障的解决方案：在主变室的上部空间，用截面为800mm2的铝导流管对端部三相外壳进行连通，使三相外壳上的感应电流通过铝导流管进行汇流，并更新烧蚀的接地线。改造完成后重新测得接地线的入地电流为22A，本次故障得以解决。

    从上述分析可知，在GIS的各种分相布置的端部（例如套管、电缆终端、变压器连接部等）均需配置能够满足壳体上感应电流通过的三相汇流装置。

    三相汇流装置的设置形式有以下几种方式可供参考。

    （1）如果三相端部相距较近，可设置三相导流排连接三相外壳并进行接地。

    （2）如果三相端部相距较远，可在设计之初与工程土建专业人员协调，在对应的端部处预埋专用的三相汇流接地排，通过专用的地下导流排实现端部外壳感应电流的汇流。

    （3）如果三相端部受空间位置限制，以上两种方式均无法实现，可在母线的中间部位选择合适的位置，进行三相汇流并接地。三相汇流后的母线外壳与三相汇流前的母线外壳需进行电气绝缘，切断与前面外壳的感应电流通路。三相汇流后至GIS母线端部的分相母线可根据需要再次分成若干电气独立的小段，每一小段分相母线都按照单点接地的方式进行接地，以减少外壳感应电流对接地线的通流要求。

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