GIS 組合電器主回路直流電阻不穩(wěn)定分析

閆成頌，冉一丁，張 宇

（山東送變電工程有限公司，山東 濟(jì)南 250017）

0 引言

電力系統(tǒng)GIS 組合電器一次設(shè)備要流過大電流，而一次設(shè)備本身、設(shè)備連接處、設(shè)備導(dǎo)體使用材質(zhì)、環(huán)境及安裝工藝均有可能造成一次設(shè)備主回路阻值不穩(wěn)定，導(dǎo)致一次設(shè)備發(fā)熱量超出規(guī)定值，從而危及或損壞一次設(shè)備。

某500 kV 變電站220 kV 側(cè)GIS 一次設(shè)備安裝過程中，GIS 主回路直流電阻第一次測量結(jié)果接近理論值，充入SF6氣體后，進(jìn)行額定氣壓下的主回路直流電阻測量，測量方案為大區(qū)段測量，即從一個(gè)間隔套管到另一個(gè)間隔套管［1-2］。此時(shí)主回路直流電阻值普遍變大，操作斷路器或給筒體以敲擊振動(dòng)，電阻值下降，靜置后電阻值回升。主回路直流電阻有明顯不穩(wěn)定現(xiàn)象。

針對此直流電阻不穩(wěn)定現(xiàn)象，從充氣、導(dǎo)體重力等裝配因素與溫度、膜電阻影響等方面分析其對主回路直流電阻影響并通過大電流試驗(yàn)驗(yàn)證。通過分析，闡述組合電器主回路直流電阻不穩(wěn)定的可能原因及規(guī)避方法，對組合電器安全運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。

1 主回路直流電阻不穩(wěn)定原因分析

螺旋彈簧觸頭結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由導(dǎo)體、支撐環(huán)、螺旋彈簧觸頭、屏蔽罩和觸頭座5 個(gè)元件組成。

彈簧觸頭由于其結(jié)構(gòu)簡單，廣泛用于GIS，在排除導(dǎo)體裝配不良、觸頭接觸不良因素后，大部分主回路直流電阻值復(fù)測合格，但仍有部分區(qū)段的主回路直流電阻值在經(jīng)過一段時(shí)間放置后，其復(fù)測阻值出現(xiàn)不合格現(xiàn)象，對此，從4 個(gè)方面進(jìn)行分析。

圖1 螺旋彈簧觸頭結(jié)構(gòu)

1.1 充氣

對同一主回路區(qū)段及相同環(huán)境，在額定氣壓和0.42 MPa 壓力下，分別連續(xù)6 天測量不同充氣壓力下主回路直流電阻，測量結(jié)果如表1～2 所示。

表1 額定氣壓下同一主回路區(qū)段直流電阻測量值 μΩ

表2 0.42 MPa 氣壓下同一主回路區(qū)段直流電阻測量值 μΩ

由表1～2 可知：在額定氣壓或0.42 MPa 氣體壓力下，同一區(qū)段的主回路直流電阻值變化范圍小于5%，在合格范圍內(nèi)。因此，充氣與主回路直流電阻的變化沒有明顯的關(guān)系。

1.2 導(dǎo)體重力等裝配因素對主回路直流電阻的影響

圖2 為主回路導(dǎo)體實(shí)物和一端施加重物至導(dǎo)體傾斜，測量發(fā)現(xiàn)，主回路直流電阻變化較小。

圖2 導(dǎo)體裝配試驗(yàn)形態(tài)

主回路直流電阻受主回路導(dǎo)體、機(jī)構(gòu)等接觸形式、接觸面積、接觸壓力等方面的影響［3］，而這些因素直接受制于裝配情況，因此研究了裝配情況對電阻的影響。對導(dǎo)體不對中情況進(jìn)行電阻研究，試驗(yàn)電流取100 A，試驗(yàn)形態(tài)如圖3 所示，測量了試驗(yàn)區(qū)段主回路ab 左側(cè)直流電阻值、右側(cè)直流電阻值和試驗(yàn)區(qū)段主回路ad 左側(cè)直流電阻值、右側(cè)直流電阻值。試驗(yàn)區(qū)段主回路直流電阻測量結(jié)果如表3 所示，試驗(yàn)結(jié)果變化曲線如圖4 所示。

圖3 對中研究試驗(yàn)

表3 試驗(yàn)區(qū)段主回路直流電阻測量值

圖4 導(dǎo)體不對中試驗(yàn)電阻變化值

經(jīng)上述試驗(yàn)分析可知：導(dǎo)體在上下偏移距離12 mm的變化區(qū)間內(nèi)，導(dǎo)體觸頭測量的直流電阻變化小于5%。因此，重力對中等因素不能使主回路電阻發(fā)生顯著變化。

1.3 溫度對主回路直流電阻的影響

GIS 在陽光照射或?qū)w通大電流時(shí)，導(dǎo)體溫度升高，彈簧觸頭材料的電阻率［4］隨之增大，該變化是否會(huì)影響彈簧觸頭的接觸電阻。為此，將一組主回路導(dǎo)體長期放置在恒溫加熱設(shè)備中，研究直流電阻變化規(guī)律。試驗(yàn)形態(tài)如圖5 所示，額定氣壓下15 ℃、25 ℃、35 ℃、45 ℃恒溫爐內(nèi)主回路導(dǎo)體直流電阻值測試結(jié)果如表4 所示。

圖5 恒溫加熱爐內(nèi)每天測量電阻值變化

表4 額定氣壓下恒溫爐內(nèi)主回路導(dǎo)體測試值

數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)：環(huán)境溫度變化30 ℃內(nèi)主回路直流電阻數(shù)據(jù)未發(fā)生較大變化均在合理范圍內(nèi)。因此，溫度不是彈簧觸頭接觸電阻發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象的原因。

1.4 膜電阻對主回路直流電阻的影響

膜電阻指的是設(shè)備靜置狀態(tài)下，在氣體、潤滑脂及不同接觸材料的作用下會(huì)在接觸面形成一個(gè)膜，該膜對穿過它的電流所呈現(xiàn)的電阻。

膜電阻形成因素。為提高主回路導(dǎo)電能力，減少導(dǎo)體與彈簧觸頭摩擦，一般在GIS 設(shè)備彈簧觸頭與導(dǎo)體接觸處涂抹牌號為VP980 潤滑脂，VP980 在氣體微量成分、鍍銀層及不同接觸物質(zhì)的作用下會(huì)在接觸面形成一個(gè)膜電阻。膜電阻的厚度取決于接觸力的大小和表面硬度。

潤滑脂的影響。為研究潤滑脂對主回路直流電阻的影響，搭建了如下形態(tài)，一段長度為3 m 的導(dǎo)體（注：為防止銀層硫化變色在鍍銀后涂覆了防銀變色劑），導(dǎo)體的一端鍍銀面外涂覆潤滑脂，另一端不涂覆潤滑脂，觀測潤滑脂對電阻的影響。由于導(dǎo)體處于支撐狀態(tài)，且觸頭自身重力影響可忽略不計(jì)，因此可以消除重力、彈簧等因素影響。圖6 為膜電阻試驗(yàn)形態(tài)。

圖6 膜電阻試驗(yàn)形態(tài)

圖7 導(dǎo)體不同涂覆狀態(tài)下電阻值隨時(shí)間的變化

圖7 為觀測31 h 的電阻變化情況，由此可知，涂抹潤滑脂的導(dǎo)體一端電阻增加的趨勢明顯，約1 倍；未涂抹潤滑脂的一端電阻基本穩(wěn)定，振動(dòng)后兩端電阻值基本一致。該試驗(yàn)證明了膜電阻的存在，接觸面上的銀、防銀變色劑、潤滑脂等物質(zhì)中的微量元素，以及操作者在涂抹潤滑脂時(shí)帶入的微量汗液、油脂等物質(zhì)，這些元素和物質(zhì)共同在接觸面形成了膜電阻。

通電流對膜電阻的影響。對圖6 所示形態(tài)進(jìn)行通電流試驗(yàn)，研究電流對膜電阻的影響，分別對不同電流按時(shí)間段通1 000～4 000 A 電流，主回路直流電阻測量結(jié)果如圖8 所示，由圖可知通流后涂敷端主回路直流電阻值明顯下降，下降值達(dá)到70%左右，且隨通流時(shí)間延長，主回路直流電阻值趨于穩(wěn)定，基本恢復(fù)到原值，未涂端電阻均無明顯變化。

圖8 通流后電阻變化

分析以上試驗(yàn)結(jié)果可知：潤滑脂、防銀氧化劑及不同接觸材料的作用下會(huì)在接觸面形成膜電阻，且隨靜置時(shí)間延長，膜電阻阻值增大；在防銀氧化劑存在的前提下，涂抹潤滑脂的導(dǎo)體一端膜電阻增加的趨勢明顯；通流或振動(dòng)會(huì)使膜電阻的大小發(fā)生變化。

2 全形態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 全形態(tài)常溫試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證膜電阻對電接觸部位溫升及產(chǎn)品通流能力的影響，在現(xiàn)場裝配兩個(gè)完整進(jìn)出線間隔（內(nèi)部導(dǎo)體為防止銀層硫化變色在鍍銀后涂覆了防銀變色劑），靜置測量。試驗(yàn)間隔形態(tài)如圖9 所示。

對主母線直流電阻各個(gè)部位進(jìn)行直流電阻測量監(jiān)控，圖10 為主母線各個(gè)測量埋點(diǎn)位置。

圖9 全形態(tài)常溫試驗(yàn)間隔形態(tài)

圖10 全形態(tài)常溫主回路直流電阻測量埋點(diǎn)

圖10 中，A 相主回路1A～2A 區(qū)段直流電阻計(jì)算值為82 μΩ，B 相主回路1B～2B 區(qū)段直流電阻計(jì)算值為84 μΩ，C 相主回路1C～2C 區(qū)段直流電阻計(jì)算值為82 μΩ。通過對1 號母線，2 號母線的主回路直流電阻監(jiān)測，得出2 號母線主回路直流電阻變化情況如圖11 所示。由圖11 可知，A 相直流電阻變化較為明顯，累計(jì)最大值為116.5 μΩ。對A 相直流電阻分區(qū)間測量，發(fā)現(xiàn)A8～A9 區(qū)間變化較大，最大值為29.37 μΩ。圖12 為A8～A9 電阻變化情況。

通過觀察統(tǒng)計(jì)常溫下252 kV GIS 三相共箱主母線路電阻值增大，由于膜電阻影響三相中任一相的電阻值大于理論值的20%（理論值為出廠管理制值：55 μΩ），A8～A9 區(qū)段的電阻值超出了理論值（5 μΩ）5 倍以上。

圖11 2 號母線三相總電阻累計(jì)變化情況

圖12 2 號母線A8～A9 電阻變化情況

2.2 全形態(tài)溫升試驗(yàn)

對252 kV GIS 三相共箱主母線進(jìn)行了2 000 A和4 000 A 的大電流溫升試驗(yàn)［5-6］，全形態(tài)升溫試驗(yàn)埋點(diǎn)布置同全形態(tài)常溫試驗(yàn)埋點(diǎn)布置。溫升試驗(yàn)前、后測量各相主回路的直流電阻值，其中包括A 相A8～A9 區(qū)段的主回路直流電阻值，溫升試驗(yàn)電流按2 000 A 和4 000 A 分別進(jìn)行。其中，先進(jìn)行2 000 A溫升試驗(yàn)，后進(jìn)行4 000 A 溫升試驗(yàn)。圖13 為溫升試驗(yàn)接線方式。

圖13 溫升試驗(yàn)接線方式

表5、表6 分別為2 000 A、4 000 A 主回路各通道溫升測量值（1 h 內(nèi)溫升變化值小于1 k）。

根據(jù)溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，2 000 A 時(shí)GIS 主母線最大溫升為20.85 K，A8 點(diǎn)溫升值為15.64 K，A9 點(diǎn)溫升值為17.66 K；4 000 A 時(shí)GIS 主母線最大溫升為68.27 K，A8 點(diǎn)溫升值為51.37 K，A9 點(diǎn)溫升值為56.85 K，均小于導(dǎo)體要求的溫升75 K。

試驗(yàn)結(jié)束后A 相主回路直流電阻值為76.9 μΩ，B 相主回路直流電阻值為79.4 μΩ，C 相主回路直流電阻值為82.6 μΩ，A8～A9 測量區(qū)段的主回路直流電阻值為3.8 μΩ，所有電阻均接近理論值。

表5 2 000 A 試驗(yàn)電流下主回路各通道溫升值 K

表6 4 000 A 試驗(yàn)電流下主回路各通道溫升值 K

設(shè)備靜置狀態(tài)下，在氣體、潤滑脂、防銀氧化劑及不同接觸材料的作用下會(huì)在接觸面形成一個(gè)膜電阻，這種膜電阻的形成機(jī)理目前尚不能解釋清楚，但是這種現(xiàn)象卻存在。根據(jù)試驗(yàn)過程跟蹤，發(fā)現(xiàn)一個(gè)接觸點(diǎn)的主回路直流電阻值即可升高25 μΩ，在現(xiàn)場的測量區(qū)間內(nèi)接觸面最多可達(dá)90 多個(gè)，因而現(xiàn)場的電阻計(jì)算值從500 μΩ 升高到1 000 μΩ，即多個(gè)接觸面形成的膜電阻累加造成。

3 結(jié)語

GIS 組合電器主回路直流電阻不穩(wěn)定由其接觸面產(chǎn)生的膜電阻引起，靜置一段時(shí)間后GIS 產(chǎn)品在安裝完成后形成的膜電阻雖然不能通過振動(dòng)的方式消除，但在通過大電流時(shí)會(huì)被電流擊穿達(dá)到電阻穩(wěn)定。通流后溫升合格，接觸電阻明顯降低，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。這種現(xiàn)象對GIS 產(chǎn)品的通流能力沒有影響，不影響設(shè)備安全運(yùn)行。