GIS的温升验证试验方法评述*

罗 园，吴盛刚，陈慧欣，高原彬

(甘肃电器科学研究院，甘肃 天水 741018)

0 引 言

GIS(Gas Insulated Switchgear)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、连接件和出线终端等组成，这些设备或部件全部封闭在金属接地的外壳中，在其内部充有一定压力的的SF6气体、N2气体或混合气体作为开关设备的绝缘介质，用真空或SF6为灭弧介质，将母线、断路器、隔离开关等中压元件集中密闭在箱体中，综合运用现代绝缘技术、开断技术、制造技术、传感技术、数字技术生产的集智能控制、保护、监视、测量、通讯于一体的高新技术产品[1]。具有体积小、重量轻、安全性好、可靠性高、能适应恶劣环境条件下使用等优点。GIS因具有通流能力强、输送容量大、结构紧凑和使用寿命长等优点而被广泛地应用于高压输电领域[2]。 但是，GIS的封闭性和结构的紧凑性也导致了内部热故障不易被发现，降低了GIS使用寿命，影响输电可靠性。因此，对GIS的温升验证就显得尤为重要。近年来，不少试验站对GIS温升试验展开了研究。笔者通过对GIS温升验证试验目的、试验方法、温升测量及结果的处理分析，对GIS有关温升试验方法以及试验条件进行了简要介绍和评述，明确了对GIS温升试验判定结果的解释说明问题，这对特殊情况下温升结果的判定有一定的参考价值。

1 试验目的

GIS的温升试验以验证GIS的通电性能为目的，适用于额定频率为50 Hz或60 Hz的、可连续通电的GIS开关设备。其内容可从下列项目中任选其一，或进行逐项验证：(1) 确认GIS各部分的温升值是否在规定范围内；(2) 确认通过罐体、支架、接地线等电流的大小，以及有无异常发热的现象存在；(3) 确认SF6气体压力上升、罐体的热伸缩等的大小；(4) 此外还应确认通电有无老化、或者长期使用性能上有无问题。

通常如果满足项(1)所示的内容，则一般认为，也能同时满足项(2)～(4)的内容，但是GIS的情况，由于其体积的大小和组合装置的互相干扰因素，那么，尤其要想再提高项(2)～(4)中所具有的意义，则应在试验目的中重新明确阐述。

2 试验方法

2.1 试品的布置

在布置GIS时，希望尽可能模拟实际使用状态下的试品布置，但是整体装置供试时或模拟现场安装状态有困难时，则由用户和厂家协商解决。

局部试验和部分试验所得的试验结果，与实际安装条件的试验结果有差异时，以没有影响实际安装条件的试验结果为有效部分，其它部分供作参考。

2.2 通电方法

在额定电流、额定频率下以三相通电为原则，对于分相式等结构的GIS，对其他相的影响没有问题的情况，可以单相进行试验。此外，分相式时，外壳电流的大小与主回路电流的大小相近似的情况，则也可以罐壳作为回路进行单相试验。当母线和分支部分等的额定电流不同的局部互相受到影响时，则从实际运用条件方面考虑，要在操作试验循环中选其最苛刻的条件确定通电回路和通电电流。

2.3 频率要求

关于频率，也是对GIS温升有影响的因素，但实际上因其影响并不太大，所以，以50 Hz或60 Hz任意一种进行试验都可以。但是，对于可能出现杂散损失大的部位(罐体等)，必须考虑频率所引起的温度上升的变化分量。电流频率的差异造成的温升差值，主要在于发热量的变化，以下述计算为例。

主回路导体表面系数变化引起的温升差异：如表1表示直径80 mm(厚度15 mm)，和直径150 mm(厚度20 mm)铝管导体表面系数以及60 Hz温升的增加部分(对50 Hz而言)。

表1 50 Hz和60 Hz表面系数和温升分量

表面系数是由形状、材质、截面积决定的直流电阻和交流电阻的比率。形状相同的条件下，截面积越大、材质导电率越高越受频率影响。当电流为I时，导体发热量W用公式W=I2RAC表示。所以，发热量也和交流电阻RAC成正比变化。所以，利用这一关系使其和发热量的0.9次方成正比。此时60 Hz温升值与50 Hz温升值的关系可用式(1)、(2)表示：

(1)

式中：θ60为60 Hz时的最终温升值；θ50为50 Hz时的最终温升值；RAC60为60 Hz时的交流电阻；RAC50为50 Hz时的交流电阻。

(2)

式中：θI1为I1时的温升值；θI2为I2时的温升值；K为温升指数。

GIS所用的铝导体，据机械强度要求，使用含5%Mg、Cu、Zn的合金，其导电率百分比为纯铝61%的一半，即30%左右(所以导电率按30%进行计算的)。温升系数K表示电流值和温升值的关系指数[3]。

因为涡流损失和φ2f2成正比，所以杂散损失和f成正比，因此，60 Hz的发热量为50 Hz的1.2倍左右，尤其使用低碳钢罐体，频率变化对温升的影响特别值得注意。关于分相式的GIS，其罐体相间连接及接地状态要与实际使用状态一样，应进行切实的考虑。

2.4 试验气体压力

试验时采用额定气体压力或最低保证气体压力。若将SF6气体压力(气体密度)提高时，由于容器内气体的对流作用产生热扩散，所以冷却效果增大。只从温升观点来看，以最低保证压力进行的方法是苛刻的。不过，通常额定气体压力与最低保证压力之差只有0.1 MPa左右，所以，对温升的影响甚微。

另外，也有人认为，从实用性能上验证压力上升和各部分变位等的意义上考虑，在额定气体压力下进行试验是比较合适的。从迄今为止的实例上看，只有额定气体压力和最低保证压力两方面的实例，即使在国外标准IEC、ANSI等中，关于气体压力也没有明确表示，正在考虑中。可是，日本断路器标准JEC-181中明确规定以额定值为标准，所以希望使用额定气体压力进行试验为宜[4]。

2.5 环境温度的确定

(1) 温度计的位置：在GIS的周围几处放置温度计，高度取在GIS的大约中间，距离1～2 m的位置，不受通风及散热的影响。

(2) 温度的确定：根据上述项(1)，所放置的温度计读数平均值作为环境温度。此外，在温升试验过程中环境温度有变化时，取试验全过程的最后1/4时间段的温度平均值作为环境温度。

3 温升的测量

3.1 主回路电阻测量

测量温升可用温度计法或热电偶法。关于温度计法是将玻璃温度计、电阻显示温度计以及电热显示温度计等的感温部位放到试品外部容易接触部位的温度最高的表面上或所指定部位的表面上进行测量。尤其测量裸露于大气中的表面温度时，温度计的感温部位要用适量的腻子等包裹上进行测量。埋设热电偶一般采用钻孔铆接法，当无法实施钻孔时，可采用胶贴固定法。无论用哪种方法，均应使其与测量点紧密接触，否则会产生测量误差。

温升试验前后测量主回路电阻，测量位置原则上为GIS主回路端子间，但是，只能够利用接地开关等进行测量時，要求进行仔细的测量。若采用直流电压降法进行测量，其测量过程不应引起试品发热，造成电阻变化。

3.2 气体压力的测量

关于温升试验前的和温度达到允许温度时的气体压力用压力计来测量，再根据外部温差补偿的基础上来求气压上升值。温升造成的SF6气压升高，可通过下公式(3)、(4)近似的求出。

(3)

(4)

式中：ΔP为排除由环境温度造成的变化因素后的气压上升值，MPa；P2′为将温度达到允许温度时的压力换算为试验前的外部气温的压力；P1为试验前的压力；t1为试验前的SF6气体温度，℃；P2为温度达到允许温度时的压力；t2为温度达到允许温度时的SF6气体温度，℃；θ1为试验前环境温度，℃；θ2为达到允许温度时的环境温度，℃。

其他如罐体热伸缩、接地线电流等的对温升值有影响的测量，根据试验目的，当事者进行协商，采用适当的方法进行。

4 试验结果处理和分析

4.1 试验结果表示

GIS温升试验的结果主要由以下项目表示：①试验条件；②试验回路；③测量温度位置说明图；④试验电流和频率(A；Hz)；⑤气压(MPa)；⑥环境温度(℃)；⑦各部位温升值和标准值及通电时间(k,h)；⑧代表性部位温升曲线；⑨其它测量结果(测量值、测量条件、测量方法、测量位置说明)。

4.2 试验结果评定

试验结果的评定按下列标准。

(1) 各部温升及最高温度应小于表2所列的值[5]。表2所列的温升极限及最高允许温度参照了国标GB/T 11022-2011所规定的值。

表2 温升极限及最高允许温度

(2) 试验前后主回路电阻应无异常变化。

(3) 接触部位和其他各部位应无异常。

关于温升试验结果的评定条件，根据项(1)～(3)，而在实际运行中的某种GIS受日照影响的情况很多。

表2记载的最高允许温度在定量分析上未包括这一影响，而在电气协会技术报告中也有记载日照影响大的情况，一日内要有几小时，从温升与时间常数的关系看，日照对机器内部的影响要小(因负荷峰值引起的温升高峰和日照高峰不一定同时发生)。另外在日本，环境温度达到40 ℃的情况很少见，因此认为实用上没有问题，所以未把日照影响提到日程上来作为特殊考虑。因此，倘若遇到必须特殊考虑日照影响的情况，则应由用户和厂家双方协商进行考虑。

5 结 语

对GIS有关温升试验方法以及试验条件，进行了简要介绍和评述，对GIS温升试验的判定结果根据标准规定进行了解释说明，并针对特殊情况介绍了判定依据。如果遇到难以判定的试验结果，应将测量范围尽可能的缩小，如果测量前后环境温度有误差时，则希望以进行温度补偿等方法来提高评价测量的精确度。