浅谈全封闭组合电器接地技术及相关问题探讨

刘锋，刘秋菊，路继伟

（1.河南平芝高压开关有限公司，河南平顶山，467000；2.平顶山工业职业技术学院资源开发学院，河南平顶山，467000）

0 引言

近几年，全封闭组合电器(GIS）作为一种可靠的输变电设备在电力系统中得到了广泛的应用。GIS比之常规敞开式设备拥有更高的安全性和实用性，但随着电力系统的容量增大以及GIS投运数量的增多，GIS设备故障率也开始呈现出上升趋势。在GIS设备故障中，接地设计不合理是引发设备故障的常见原因，如果要确保GIS设备安全可靠地运行，就必须要了解GIS接地设计的特点和要点，不断在工作中加以完善和改进，以此减少设备故障的发生频次，保障GIS的正常运行。

1 GIS的接地设计主要问题

1.1 外部电磁感应问题

外部电磁感应是GIS运行中的常见问题之一。根据图1所示的GIS运作结构可知，当GIS母线中通过某一运行电压、电流时，将在封闭金属外壳上将会产生相应的感应电压、感应电流。

图1 GIS运作结构

GIS内部导体与外壳的间距离并不大，这使得GIS的电磁耦合非常强，也让运行电流可在很短时间内达到几千安左右。当GIS设备保持正常运行时，三相电流可以处于相对平衡的状态。但受结构设计和布置方案等因素所带来的影响，内部导体与外壳间一定会存在某种偏差，这种导体与壳体的偏差是造成GIS外部电磁感应问题的主要原因，也是接地设计时必须考虑的问题。特别是当发生单相内部故障时，GIS外壳将产生明显的感应电流和电压，因为GIS外壳有连续性结构和非连续性结构之分，壳体的不同也会造成感应电流的形成状态不同，在连续性结构外壳中，连续性结构沿母线方向各段壳体彼此电气连通，母线电流会在外壳上引起感应电压，形成纵向电流[1]。非连续性结构外壳中，非连续性结构沿母线方向各段壳体电气隔断状态，母线电流同样会在外壳上引起感应电压，但不能产生形成纵向电流，同时会在每一个隔断的外壳上产生局部感应电流，对不连续处绝缘部件构成威胁。由于GIS中盘式绝缘子和气室分隔隔板等的存在，GIS金属外壳通常不能形成完整的闭合回路，通常需在非连续性结构处加装跨接排使之形成连续回路，这也加大了外部电磁感应问题的发生几率。

1.2 瞬时过电压问题

GIS外壳瞬时接地电压，通常表现为在极短时间时间内迅速上升，可高达数百千伏，并可伴随声、光、电等现象。此问题将给GIS设备和运行人员带来潜在的危害。GIS外壳瞬时接地电压产生的原因可总结为三点，分别是绝缘击穿、母线对地击穿和开关两端触头击穿[2]。

绝缘击穿是当GIS内部发生气体或绝缘部件击穿时引发的击穿现象，当绝缘击穿出现时，GIS的电压会急剧上升，并引起高频振荡，瞬时电压急剧升高，最终发生设备故障。

母线对地击穿是母线对地放电造成了母线电压的急剧下降而引起的击穿现象，当接地系统正常时，此时击穿将引起短路电流，危害设备安全运行，若接地系统设置不合理，就会发生严重的过电压，使GIS外壳电压迅速升高，对设备造成更大的破坏效果[3]。

开关两端触头击穿是因为GIS运行期间，系统中的隔离开关、断路器等进行分合闸操作，GIS中存在快速暂态（VFTO）过程，这使得接地外壳的电位在短时间内迅速上升，由此造成了绝缘介质击穿故障的发生。

1.3 GIS外壳接触电压问题

在GIS设备运行时，运行人员可以接触到GIS的外壳，这就使得故障电流需要以最小电阻回路向接地网释放，确保各种工况下GIS外壳接触电压均在安全范围内[4]。

GIS设备以下述两种基本故障为主：第一种时发生在GIS内部的故障，如母线导体与外壳发生闪络。第二种发生在GIS装置以外，即故障电流流过GIS母线在外壳上形成感应电流。在GIS设计过程中，主要针对第一种情况加以预防，当GIS发生故障时，GIS外壳感应电压、接地电流也将发生显著变化，因事故位置、接地位置、电源位置、电流路径的差异，电压上升差异也不同。

接触电压的计算方法可参考下式计算：

E:接触电势(V）

ρb:土壤表面电阻率（Ω·m）

t：主保护及开关动作时间（ms）

公式（1）按通过人体允许电流为165/t设定的人体电阻为1500欧姆考虑。通常，根据事故电流持续时间和及人员体重，人体允许的接触电压如表1所示。

表1 接触电压额度

2 工程设计中接地问题的预防办法

2.1 接地设计

2.1.1 接地材料的选择

接地材料合理选择可确保设备运行时所产生的感应电流、故障电流实现及时有效的扩散，减少或杜绝问题的出现，确保GIS设备安全、可靠运行。接地材料主要基于在故障电流持续时间来进行针对性选择，在选择材料时，设计人员要确保接地材料的耐受性，保证所选择材料不会发生熔融等破坏问题[5]。基于这一要求，在挑选材料时就要从热稳定性、耐腐蚀性、导电率、经济性等方面进行考虑，选出符合GIS设计的材料类别。GIS设备的接地网需要采用铜质材料，铜质材料可以保证接地装置的可靠与稳定，在设计接地网时，设计者必须要确保所有的接地引出线端都是铜排，统一化的铜排设计会让接地电阻减少，对于GIS的使用寿命延长有很大帮助。在GIS各气室外壳的对接面，设计师要设计盆式绝缘子或者橡胶密封垫，两个筒体间要用跨接铜排进行连接，对界面的截面也要按照主接地网的截面进行参照设计。

2.1.2 接地材料热稳定性计算

故障电流持续时间通常由继电保护时间和断路器开断时间确定，可按照1s计算。故障电流可按照最苛刻的GIS设备短时耐受电流确定，其具体计算公式如下：

S：接地体截面积(mm2）

Ig ：故障电流（A）

t：持续时间（S），通常按照1s计算

C：系数

通常，接地材料采用铜、铝、钢等材质，不同故障电流下，接地材料最小截面积如下表2所示。

表2 接地材料最小截面积

2.2 接地材料导电率、耐腐蚀性、经济性

接地材料遭遇的腐蚀问题主要有化学腐蚀和电化学腐蚀两类，钢材料是接地材料中受腐蚀问题影响较明显的材料之一，由于受环境的影响容易发生化学腐蚀，所以设计者要特别注意钢材料的防腐措施[6]。

铜在20℃时的电阻率为17.24×10-6Ω·mm，钢在20℃时的电阻率138×10-6Ω·mm。以铜为基准，取其导电率为100%，则钢的导电率为10.8%，钢的导电率仅为铜的1/10。铜材料较钢材料作为接地体导电性能明显更优。

从单位材料价格看，钢材明显更具经济性。但需考虑钢材的热处理工艺费用，因腐蚀原因造成的维护更换作业费用。铜材则基本无腐蚀，维护成本较低，在确定材料时需综合考虑材料在全寿命周期内的经济效益。

故可以在GIS设计中选择以铜材料和钢材料互相组合的方式实现接地设备对化学腐蚀的良好抗性，同时节约成本，不过钢、铜连接后容易形成电化学腐蚀，因此在选用这两种材料作为接地设备主要材料时，要尤为预防电化学腐蚀问题发生。为了避免这种现象发生，设计者要通过设计覆盖层以及加缓蚀剂实现对材料的保护，覆盖层可以选择用搪瓷、塑料涂覆以及钢衬玻璃为基础材料，用喷涂或者电镀等方式将这层材质覆盖到GIS设备的表面，使其逐渐磷化和氧化，起到防锈作用，预防电化学腐蚀的发生。

2.3 GIS导流排的设计

GIS多采用多点接地，为确保GIS外壳上的感应电流流通，必须合理设置同相导流排。采用环氧树脂绝缘隔盆必须设置同相导流排；采用金属嵌件包裹的绝缘隔盆因法兰具备通电性能可不需要设置同相导流排；特别注意的是因GIS波纹管多采用不锈钢材质，为降低电阻较大而引起的通流、温升异常，应设置同相导流排[7]。同相导流排的设置主要考虑GIS外壳通流电流大小，将温升控制在国家标准要求值以下。

2.4 接地间隔的设计

GIS带电部位全部置于接地的金属壳体中，一旦金属壳体内部有电流通过，金属壳体的接触电压就会上升。必须掌握事故发生时金属壳体的接触电压上升值，将电压控制在允许电压以下。通过降低GIS壳体外壳高度h，缩短接地距离L可有效降低接触电压，一套GIS外壳具体需要几个点与主接地网连接，要由制造厂根据订货单位所提供的接地网技术参数来决定。如图2所示。

图2 接地间隔设计

2.5 避免瞬时过电压需要特别注意的问题

GIS操作时产生的瞬时过电压通过壳体或接地线会引起地电压升高，从而危及设备和人员安全，特别时击穿后，脉冲波传播过程中遇到波阻抗变化，将发生折反射现象，使壳体对地电位升高。通常GIS套管与架空线连接处、GIS母线与变压器直联处、GIS母线与高压电缆直联处极易形成瞬时电压升高现象。作为一般对策，要求GIS套管与架空线连接处壳体、GIS母线与变压器直联处壳体、GIS母线与高压电缆直联处壳体设置相间导流排、过电压保护装置等良好的接地，以避免绝缘破坏。

3 结语

通过以上分析，要求GIS装置必须可靠接地，从而有效的限制外壳接触电压、遏制瞬态过电压的发生，具体包括：①应优先采用铜材料作为接地线或接地网，可有效降低GIS装置接地回路的电阻值，利于电流向接地网释放；②GIS外壳应采用多点有效接地方式接地，确保外壳感应电流可连续流通，从而降低外壳涡流损耗，限制接触电压；③尽可能降低GIS装置高度，缩短接地回路长度，从而降低接触电压，遏制瞬态过电压；④当变压器、电抗器、电缆终端等直接连接到GIS外壳时，应设置过电压保护装置，遏制邻近设备外壳上过电压的相互影响。