一類220k V GIL接地點溫度偏高問題的原因分析及處理

黃 杰 許煒力 陳 行

（國家能源集團宿遷發(fā)電有限公司）

0 引言

宿遷電廠二期220kV升壓站采用氣體絕緣金屬封閉輸電線路 （GIL）和氣體絕緣全封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）的組合設(shè)計，＃3機組于2018年12月31日正式投入運行，投運之后，＃3主變高壓側(cè)GIL接地點溫度一直偏高，最高時達到105℃。宿遷電廠GIS局部圖如圖1所示。

圖1 宿遷電廠GIS局部圖

根據(jù)《電氣設(shè)備紅外測溫的溫度參考規(guī)范》的要求，一般導(dǎo)體的最高允許溫度為70～80℃。超過這個溫度，金屬的氧化加快，從而使接觸電阻變大，發(fā)熱加劇，構(gòu)成惡行循環(huán)。另外，發(fā)熱造成接地電阻變大，最嚴(yán)重時可能導(dǎo)致接地點出現(xiàn)開路，此時GIL母管上將呈現(xiàn)非常高的電壓，嚴(yán)重威脅人員生命安全。

1 GIL的結(jié)構(gòu)及相關(guān)特性介紹

GIL主要由母線、金屬外殼和SF6氣體三部分組成。在母線和金屬外殼之間，充滿了一定壓力的SF6氣體，主要起絕緣作用。

當(dāng)母線上通過交流電流時，會形成一個交變的磁場，金屬外殼上會產(chǎn)生感應(yīng)電壓。由于金屬外殼的橫截面可以看成是一個閉合回路，因此會產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流稱為渦流或橫向電流。另外，金屬外殼與接地引下線、接地網(wǎng)也構(gòu)成一個閉合回路，在這個回路上同樣會有感應(yīng)電流流過，這種電流稱為環(huán)流或縱向電流。由于環(huán)流通過的路徑較為復(fù)雜，因此環(huán)流對設(shè)備的影響也相對較大。

母線的安裝方式有兩種，即三相共體式和三相分體式。實際工程中，在電壓等級較低的場合，一般采用三相母線共體的形式，即三相母線封裝于同一個金屬外殼下，由于正常運行時三相負(fù)荷基本平衡，外殼上產(chǎn)生的環(huán)流幅值很低。而在電壓等級較高的場合，通常采用三相分體式布置。在這種結(jié)構(gòu)下，特別是產(chǎn)生不對稱或故障時，外殼上會產(chǎn)生較大的環(huán)流。

金屬外殼按結(jié)構(gòu)進行劃分，可以分為連續(xù)型和非連續(xù)型兩種。連續(xù)型金屬外殼，在沿同一相母線安裝的所有管段彼此都是連接的，整個外殼上提供了一條電氣上的連接電路，此時母線電流在外殼上引起的感應(yīng)電壓在外殼上會產(chǎn)生環(huán)流。為了降低外殼感應(yīng)電壓，通常還會在三相金屬外殼表面設(shè)置三相短接線，三相短接線一般采用銅排或鋁排，也被稱為導(dǎo)流排。非連續(xù)型金屬外殼，所有管段之間彼此電氣隔離，此時不會產(chǎn)生環(huán)流，但在外殼上會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，對設(shè)備絕緣和人身安全構(gòu)成威脅。

連續(xù)型金屬外殼的接地方式，按接地點數(shù)量的不同，可分為單點接地和多點接地兩種。

對于單點接地，由于無法形成環(huán)路，因此也不會產(chǎn)生環(huán)流，即使回路中出現(xiàn)接地不良時，外殼上也不會出現(xiàn)明顯溫升。但在外殼上會存在較高的感應(yīng)電壓，對設(shè)備和人身構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

對于多點接地，由于外殼與地網(wǎng)構(gòu)成環(huán)路，外殼上的電壓會顯著下降。但此時環(huán)路中會有感應(yīng)電流流過，而且該電流與母線電流大小相當(dāng)。當(dāng)環(huán)路中存在接地不良，回路阻值增加時，回路損耗和發(fā)熱會加劇，對設(shè)備正常運行造成影響。

2 原因分析

宿遷電廠GIL金屬外殼采用三相分體布置、連續(xù)型設(shè)計和多點接地方式。根據(jù)上節(jié)相關(guān)介紹，得知此類型GIL的結(jié)構(gòu)布置，容易出現(xiàn)發(fā)熱的問題。

根據(jù)導(dǎo)體溫升的計算公式：

式中，I2為導(dǎo)體中流過的電流，A；R2為導(dǎo)體電阻或接觸電阻，Ω；KT為散熱系數(shù)，W／（m2×k）；S為導(dǎo)體或接觸件的截面積，m2。

根據(jù)式（1）可知，溫度與電阻、電流有關(guān)，只要能降低其中任意一個量，溫度都將成比例下降。

為了便于更好地分析，先簡單畫出GIL環(huán)流示意圖，如圖2所示。

圖2 GIL環(huán)流示意圖

接下來，不妨把GIL環(huán)路看成是一臺空心電磁式電流互感器。其中，載流母線可看作電流互感器中原邊電路，匝數(shù)為一匝，母線電流即是原邊電流。管道外殼、接地排、地網(wǎng)的環(huán)路構(gòu)成電流互感器的副邊電流，匝數(shù)也為一匝，此時的環(huán)流則是副邊電流。電流互感器等值電路圖如圖3所示。

圖3 電流互感器等值電路圖

母線與金屬外殼之間的互感即是電流互感器的勵磁電感Xm，由于沒有鐵心，所以沒有勵磁電阻，即Rm＝0。外殼縱向電阻和接地電阻一起構(gòu)成副邊電阻，正常情況下，副邊電阻很小，相比環(huán)路的電感（可以看成是副邊漏磁電抗）該值可以忽略。

入地電流I2的大小，與激磁阻抗和副邊漏磁阻抗的之比（近似等于激磁電抗和副邊漏磁電抗之比）有關(guān)。由文獻［1］可知，主磁通與副邊漏磁通所經(jīng)過的磁場介質(zhì)相同，由于原、副邊均只有一匝，主磁通磁路沒有鐵心，原、副邊線圈的磁通耦合很差，激磁電抗很小且與副邊漏磁電抗相近，即：

從而得出入地電流I2與母線電流I1的關(guān)系如下：

結(jié)合式（1）可知，導(dǎo)體的溫升與接地電阻和入地電流有關(guān)，即要想降低接地點溫度，必須從“減小接地電阻和入地電流”入手。

通過對現(xiàn)場進行詳細檢查、分析，最終發(fā)現(xiàn)“接地電阻和入地電流過大”的原因主要是：①接地排與地網(wǎng)連接處接觸不良；②未安裝導(dǎo)流排。

3 處理方法

針對接地排與地網(wǎng)連接處接觸不良的問題，采取以下方法：①在接地點處新增一根與原接地排并聯(lián)的接地排，將GIL金屬外殼與主接地網(wǎng)可靠連接，一方面保證接地點能夠可靠接地，另一方面也在一定程度上減小了接地電阻。②在焊接點處，再跨接一塊接地排，增加接觸面積，從而減小接地電阻。如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場施工圖

針對未安裝導(dǎo)流排的問題，采取以下方法：在＃3主變高壓側(cè)GIL端部加裝導(dǎo)流排，一方面使三相管道外殼上形成回路電流，從而減小的入地電流，起到為接地排分流的效果；另一方面與接地排一起構(gòu)成雙保險，確保外殼上無感應(yīng)電壓，保障人身安全。

4 結(jié)束語

處理過后，GIL接地點溫度偏高的問題得到了很好的解決。＃3主變高壓側(cè)GIL接地點平均溫度為33℃。本文通過對GIL接地點溫度偏高的問題進行分析和處理，解決了當(dāng)前生產(chǎn)上的技術(shù)難題，同時也為其他電廠處理類似問題提供了參考和借鑒。