500 kV GIS 管母外壳三相短路排温度过高分析及处理

2022-08-02龙子琦

水电站机电技术 2022年7期

付鹏，龙子琦

（中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北宜昌 443133）

0 引言

在巡视某运行中的500 kV 出线场设备时，发现气体绝缘金属封闭开关设备（以下简称GIS）管母外壳三相短路排严重过热，温度最高点在GIS 外壳法兰面与刀型铝板连接螺栓处（见图1）。红外测温结果显示最高温度达145℃，该型号GIS 母线外壳管母设计温升为60 K（环境温度40℃），外壳最高温度不能超过100℃，显然该出线GIS 管母法兰与刀型短路板连接处温度已明显超过外壳设计温升。GIS 母线外壳材料为铝合金，其导热系数较高（138～147 W/m·K）,长期温度高将使法兰面橡胶密封圈加速老化，最终导致法兰面密封不严，隔室内SF6气体泄漏，影响出线设备正常运行。

图1 红外热成像

该型号500 kV GIS 母线外壳三相短路排结构如图2 所示：每相外壳法兰面上用2 颗非穿心式螺杆固定一块刀型铝板，然后通过1 根铝合金排（60×10 mm2）连接三相外壳，再通过1 根60×8 mm2的接地扁铜入地。设备满负荷运行情况下进行红外热成像，同时测量短路排电流，如图3 所示，其流过刀型铝板最大电流为1 132 A。

图2 短路排结构

图3 短路排各处电流测量值

1 GIS 外壳感应电流产生的机理

该电站GIS 设备外壳采用多点接地方式接地。多点接地方式是在GIS 设备的每个分段处用导体连接外壳和大地，而且每个分段处都用导体连接，形成多点接地，使外壳整体连通，提高可靠性。

GIS 外壳与其内部导体间距离很小，两者的电磁耦合强，这种紧凑型结构使得GIS 外壳与内部对应导体构成一个空心变压器，导体为原边，外壳为副边，导致GIS 外壳产生明显的感应电势。在GIS 设备正常运行时，由于导电杆中的工频电流的电磁感应，GIS 的外壳中会出现两种感应电流，即在外壳横截面内的涡流和由于外壳多处接地引起的通过垂直地线、地网及外壳流过的环流。理论上GIS 外壳环流与导体运行电流大小相等，方向相反。

一般来说GIS 外壳产生的环流有两种路径，一种是GIS 外壳与地网通过架台、接地引线等构成的回路产生感应电流（图4）；另一种是GIS 相间外壳通过短接排构成的回路产生感应电流（图5）。由于该电站GIS 外壳采取多点接地方式，外壳电流通过GIS 外壳三相短路板，构架，接地引线形成环流。

图4 GIS 外壳与架台形成的环流

图5 GIS 相间外壳形成的环流

1.1 接地导体接触电压及热稳定校核分析

设备正常运行时，对500 kV 出线GIS 管母外壳接地电流进行测量，单相管母外壳实际接地电流约1 100 A，外壳对地电压为0.8 V。GIS 发生单相接地短路故障时，短路电流取63 kA，计算短路故障时外壳接触电压最大为23.1 V。根据GB/T 50065《交流电气装置的接地设计规范》可知，GIS 正常运行时，外壳接触电压最大值不得超过24 V；发生短路故障时外壳上的电位降一般不应超过100 V。外壳接触电压在允许范围内。

按照GIS 设备最大故障电流为63 kA 时，需要的铝接地导体截面积为294 mm2,需要的铜接地导体截面积为168 mm2。因此该电站GIS 管母外壳接地导体截面积满足设计要求。

1.2 GIS 外壳过热原因分析

该电站安装6 台700 MW 机组，三条外送500 kV出线线路，按照电力系统N-1 原则，每条出线至少需要满足3 台机组有功输出功率，即出线电流最低为2 550 A，考虑一定系数，该电站选型的出线电流互感器变比为3 000∶1，出线端GIS 管母外壳接地接触面需满足在3 000 A 电流下的长期运行要求。

接触面约按照铝板的3～5 A/mm2（经验值）过流计算，长期通流3 000 A 时，刀型铝板与外壳法兰接触面积最低1 000 mm2，电站出线端GIS 管母外壳实际接地运行电流约1 100 A，刀型铝板与外壳法兰接触面积最低367 mm2。GIS 管母外壳采用刀型铝板与法兰面接触，每个刀型板与法兰面有2 个接触面（测量单个接触面积约16×10 mm2）。目前出线端GIS 管母外壳仅安装一块刀型铝板，过流接触面积320 mm2，而同类型设备其他电站出线端GIS 管母外壳安装四块刀型铝板，过流接触面积1 280 mm2，该电站刀型铝板与外壳法兰接触面积明显偏低，长期运行发热导致刀型铝板与法兰面固定螺栓发热（该站三回出线温度在120～145℃间），