于 倩，俞 隆，王繼偉，秦誠意，張 騰

（1.國網(wǎng)山東省電力公司超高壓公司，山東 濟南 250118；2.華北電力大學(xué)，北京 102200）

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（gas insulated switchgear，GIS）具有重量輕、占地面積小、維護量少、檢修方便等優(yōu)勢，是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備。隨著GIS的應(yīng)用越來越廣泛，其對電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的影響日益顯著，因此對GIS 各類缺陷和故障進行準(zhǔn)確診斷與分析非常重要。近年來，在對GIS 缺陷進行診斷的研究中，學(xué)界廣泛采用紅外熱像檢測、特高頻檢測、超聲檢測、氣體成分分析、光纖光柵法檢測等多種技術(shù)。這些技術(shù)的應(yīng)用能夠高效地檢測并診斷GIS設(shè)備中的各類缺陷，對確保電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行具有重要意義［1-3］。

根據(jù)近年來的故障事件分析，發(fā)熱故障是GIS最常見的故障類型［4］。根據(jù)發(fā)熱的原因和故障發(fā)生的場合，異常發(fā)熱故障可細分為不同類型。GIS異常發(fā)熱故障根據(jù)原因可分為電流致熱型、電壓致熱型、磁場致熱型和其他類型。電流致熱型故障源于設(shè)備內(nèi)部導(dǎo)體接觸不良，電壓致熱型故障是設(shè)備電壓異常導(dǎo)致的發(fā)熱現(xiàn)象，磁場致熱型故障是由外部磁場對設(shè)備的影響而產(chǎn)生的異常發(fā)熱，其他類型的發(fā)熱故障包括機械故障或材料缺陷引起的發(fā)熱問題。根據(jù)故障發(fā)生的場合，GIS異常發(fā)熱故障可分為內(nèi)部異常發(fā)熱故障和外部異常發(fā)熱故障兩類。內(nèi)部異常發(fā)熱主要因為設(shè)備內(nèi)部導(dǎo)體接觸不良，外部異常發(fā)熱主要由設(shè)備運行時產(chǎn)生的環(huán)流以及外部回路接觸不良所致。尤其在大電流、高電壓和大負(fù)荷的情況下，異常發(fā)熱現(xiàn)象更突出。異常發(fā)熱會加速GIS 部件的老化，降低其密封性能，并對設(shè)備的安全運行產(chǎn)生不利影響。因此，應(yīng)對GIS 的異常發(fā)熱問題給予充分重視。

本文對現(xiàn)場GIS 發(fā)熱案例進行分析，借助紅外測溫儀、鉗形電流表等工具，對環(huán)流引起發(fā)熱的機理進行了研究。根據(jù)研究結(jié)果采取了相應(yīng)的措施，取得了較好的效果。借助有限元仿真軟件構(gòu)建了多物理場耦合模型，為GIS 設(shè)計、運維提供了重要參考。

1 發(fā)熱機理及影響因素

在設(shè)備運行過程中，GIS外部發(fā)熱故障多由環(huán)流引起。由于GIS 設(shè)備電磁耦合比較緊密，會在其內(nèi)部形成以高壓導(dǎo)體為原邊、以外殼殼體為副邊的類似于變壓器的結(jié)構(gòu)。當(dāng)高壓導(dǎo)體上流過電流時，會在其外殼上產(chǎn)生感應(yīng)電流。感應(yīng)電流經(jīng)接地點與大地構(gòu)成回路，該感應(yīng)電流稱為環(huán)流［5-6］。環(huán)流示意圖如圖1所示。

圖1 環(huán)流示意圖

新型三相共箱式GIS 設(shè)備相與相之間結(jié)構(gòu)緊密，在三相對稱運行的情況下，由于三相電源的相位差為120°，并且電流大小和波形相同，電磁感應(yīng)效應(yīng)會相互抵消。在理想情況下，外部環(huán)流較小。然而，在傳統(tǒng)的三相分箱式GIS 設(shè)備中，由于三相的間距較大，磁場不足以相互抵消，會在外殼上產(chǎn)生一定的感應(yīng)電動勢，且感應(yīng)電動勢通過外殼與地或其他接地點之間的回路閉合，形成環(huán)流。根據(jù)經(jīng)驗，這個電流的大小甚至可達到與高壓導(dǎo)體所通電流同一數(shù)量級［7］。

應(yīng)用場論中的斯托克斯定理和高斯散度定理，可得到電磁場基本方程組的積分表達形式，以求解多種狀態(tài)下的電磁場定解問題。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用伽遼金有限元法進行離散，由源電流密度求得總電流密度。進一步求得渦流損耗P和磁場儲能Wm分別為：

式中：Ω為渦流損耗區(qū)域；H為磁場強度；B為磁感應(yīng)強度；J為外殼總電流密度；E為電場強度。

以上公式表明，環(huán)流大小主要與高壓母線的電流、外殼的接地方式及接地點間距、三相相間距離、電磁耦合緊密程度等參數(shù)有密切的關(guān)系。在高壓母線的電流較大、單點接地、相間距離較大的情況下，電磁耦合更加緊密，環(huán)流更大。

2 案例分析

2.1 案例一

2022 年8 月，運維人員對某220 kV GIS 設(shè)備進行紅外巡檢測溫時，發(fā)現(xiàn)該站主變壓器中壓側(cè)斷路器C 相接地刀閘接地點與法蘭連接處螺栓位置出現(xiàn)異常發(fā)熱情況，測得導(dǎo)流排與螺栓最熱點溫度為111 ℃，檢測時環(huán)境溫度為29.9 ℃。

現(xiàn)場查看發(fā)現(xiàn)接地刀閘接地點通過螺栓固定，同時上方連接相間導(dǎo)流排，下方通過螺栓固定接地導(dǎo)流排，溫度最高點111 ℃出現(xiàn)在螺栓與接地導(dǎo)流排固定處。變壓器在運行中始終伴隨著電磁交換過程，產(chǎn)生的損耗引起溫升，致使導(dǎo)流排整體溫度上升。

對設(shè)備進行檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)熱時負(fù)荷電流較小，并且發(fā)熱部分的溫度遠高于其余部件的溫度。因此在相同的環(huán)境和負(fù)荷條件下，基本排除發(fā)熱是由內(nèi)部熱量傳導(dǎo)所致。通過對主變壓器的運行原理進行分析，得出發(fā)熱的原因：

1）環(huán)流引起發(fā)熱。當(dāng)繞組通過交變電流時，會在鐵芯內(nèi)產(chǎn)生交變磁通。其中，以鐵芯作為主要路徑的是主磁通，其在二次繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。另一部分磁通則通過其他部分形成閉合回路，這部分磁通是漏磁通。主磁路通過鐵芯閉合，漏磁通則通過其他部分如導(dǎo)流排和螺栓等閉合。由于不同材料的導(dǎo)磁能力不同，漏磁通會在連接螺栓和導(dǎo)流排上產(chǎn)生環(huán)流，并引起發(fā)熱。

2）在GIS 殼體外表面上生成的感應(yīng)電流經(jīng)過導(dǎo)流排及螺栓流入大地，表面環(huán)流在導(dǎo)流排上富集，使得感應(yīng)電流的數(shù)值較大，且由于現(xiàn)場工作環(huán)境位于戶外，設(shè)備受風(fēng)吹日曬等環(huán)境影響，易發(fā)生銹蝕，而銹蝕會導(dǎo)致接觸電阻增大，進而使得發(fā)熱量增大。

2.2 案例二

2022 年6 月，運維人員在巡檢過程中進行紅外測溫時，發(fā)現(xiàn)某段GIS 出線套管處接地導(dǎo)流排與法蘭連接處螺栓位置出現(xiàn)異常發(fā)熱情況，測得與導(dǎo)流排接觸的螺栓最熱點溫度為63.1 ℃，檢測時環(huán)境溫度為30 ℃，可見光圖片及紅外測溫圖譜如圖2所示。

圖2 案例二異常發(fā)熱部位檢測圖譜

外殼通過外部導(dǎo)流排連通形成整體，絕緣子及法蘭通過螺栓固定，外殼采用單點接地方式，接地導(dǎo)體采用銅材料制成。外殼采用鋁合金材料制成，導(dǎo)電率較高，在連通處形成渦流，但由于外殼厚度較小，渦流產(chǎn)生的數(shù)值不會太大，其對發(fā)熱的影響也很有限，因此在分析中默認(rèn)可以忽略渦流損耗導(dǎo)致的發(fā)熱，只分析環(huán)流對發(fā)熱的影響。對發(fā)熱原因進行分析，此時負(fù)荷電流為672.86 A，沿該出線套管法蘭一周設(shè)有兩根導(dǎo)流排，導(dǎo)流排與法蘭接觸位置異常發(fā)熱，進而導(dǎo)致連接的固定螺栓發(fā)熱。現(xiàn)場采用鉗形電流表對兩根導(dǎo)流排進行檢測，測得流經(jīng)上方發(fā)熱導(dǎo)流排的電流為278.75 A，流經(jīng)下方導(dǎo)流排的電流為5.1 A。

兩根導(dǎo)流排并聯(lián)的作用是用以分擔(dān)在GIS 外殼上產(chǎn)生的感應(yīng)電流，但由測量結(jié)果可知，感應(yīng)電流絕大部分從上方導(dǎo)流排流過，下方導(dǎo)流排的分流作用并未發(fā)揮。這是由于GIS 法蘭面不夠平整，接觸電阻分散性較大，導(dǎo)流排的分流作用有限。此外，部分導(dǎo)流排與法蘭面的接觸電阻過大，阻礙了電流的流通。產(chǎn)生的感應(yīng)電流大部分從接觸電阻較小的上方導(dǎo)流排流過，由于端部接觸位置流過的電流較大，在該位置產(chǎn)生異常發(fā)熱。而且檢查時發(fā)現(xiàn)在導(dǎo)流排及螺栓上產(chǎn)生了部分氧化銹蝕的情況，這也是異常發(fā)熱的原因之一。

3 處置措施

針對以上案例可采取如下處置措施：

1）案例一的處置措施。在外部加設(shè)由導(dǎo)磁性能良好的材料構(gòu)成的磁屏蔽裝置，盡量減小漏磁通對外部構(gòu)件的影響。同時可考慮將普通材質(zhì)的外部構(gòu)件更換為反磁鋼制成的特制構(gòu)件，使得磁損耗降到最低。針對環(huán)流引起的發(fā)熱，可通過設(shè)置多點接地，在導(dǎo)流排與螺栓間增加絕緣墊片等措施來抑制。

2）案例二的處置措施。認(rèn)真處理法蘭面與導(dǎo)流排的接觸部位，將其打磨光滑，以保證兩根導(dǎo)流排接觸良好，能正常分流。此外，部分廠家設(shè)計時對法蘭面和導(dǎo)流排的接觸位置進行了凸出設(shè)計，并且對凸出面的平整度進行了處理，大大降低了接觸電阻分布的不確定性，用以保證多導(dǎo)流排的分流作用。針對銹蝕可采用鍍金保護方法或用砂紙對接觸面進行打磨，然后用酒精擦洗，最后對其進行緊固，以保證接觸均勻，消除異常發(fā)熱故障。

對兩個案例進行處理操作后，采用紅外測溫儀繼續(xù)對設(shè)備運行情況進行觀測，確保其故障消除，恢復(fù)正常運行，觀測結(jié)果如圖3所示。

圖3 觀測結(jié)果

4 仿真分析

參考國內(nèi)某126 kV GIS 設(shè)備，根據(jù)相似原理，按照實際設(shè)備工況建立等比例真實模型（以下簡稱“真型模型”），如圖4 所示。該模型有兩個氣室，氣室間通過盆式絕緣子隔開，盆式絕緣子不僅起支撐導(dǎo)體的作用，而且能將氣室分段隔開，使故障維修時涉及到的區(qū)域變小。該模型中，盆式絕緣子與兩邊氣室的法蘭通過螺栓和螺母固定，氣室兩端接地。

圖4 126 kV真型模型

為便于仿真收斂以及結(jié)果分析，對模型設(shè)定如下假設(shè)條件：

1）電場分布對GIS 螺栓溫升的物理過程影響不大，為減小計算量，未對屏蔽罩進行建模，將抱緊彈簧等效為施加在觸指上的壓力荷載，忽略實體模型中零件表面小于1 mm 的細小倒角等幾何特征。

2）材料各項同性。

3）計算的熱力學(xué)參數(shù)有熱導(dǎo)率、動力黏度、比熱容三項。實際情況中，參數(shù)值在不同溫度下會有變化，但在一般室溫下這些參數(shù)隨溫度變化的關(guān)系近似于線性。采取將參數(shù)擬合為線性函數(shù)的方法來表示熱力學(xué)參數(shù)隨溫度變化的特性。

基于以上近似假設(shè)，借助COMSOL 有限元仿真軟件，建立仿真模型［8-9］，如圖5所示。

圖5 剖分網(wǎng)格處理后有限元模型

在仿真中，傳統(tǒng)方法使用穩(wěn)態(tài)公式來求解頻域激勵的復(fù)值解。研究人員更希望通過仿真觀察電磁學(xué)和熱學(xué)特性隨時間和溫度的變化，但瞬態(tài)公式計算成本高，因此需平衡計算效率和模擬精度。本文采用分離雙向耦合方法，將問題分解為多個步驟進行求解。首先進行頻域下的電磁損耗計算，求得周期內(nèi)的平均損耗，然后將損耗作為恒定熱源插入到瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)傳熱過程中進行求解。這種方法不僅與實際情況的誤差較小，而且能大幅減少計算量、縮減計算時間。仿真計算流程如圖6 所示。

圖6 仿真計算流程

在設(shè)置GIS 外部故障之后，仿真結(jié)果顯示，60 min內(nèi)其表面溫度達到了96.8 ℃，溫升非常明顯。導(dǎo)流排溫度隨時間變化的曲線如圖7 所示。由圖7可見，在設(shè)置故障后設(shè)備溫度急劇上升，在很短的時間內(nèi)達到了很高的溫度值，這種溫度的異常升高會加劇載流導(dǎo)體的老化，同時對設(shè)備的絕緣造成巨大的破壞。因此，針對GIS發(fā)熱的建模研究是非常必要的，并且可以幫助工作人員有針對性地提出抑制措施。

圖7 導(dǎo)流排溫度變化曲線

根據(jù)上文所提出的發(fā)熱原因及抑制措施，可以采用改善環(huán)流和減小接觸電阻等方法來抑制GIS 設(shè)備外部故障導(dǎo)致的異常溫升。采取抑制措施后導(dǎo)流排溫升曲線如圖8 所示，與采取抑制措施前相比，溫升明顯降低，表明抑制措施是有效的。

圖8 采取抑制措施后導(dǎo)流排溫升曲線

5 結(jié)語

GIS外部異常發(fā)熱是較常見的一種故障，在日常巡檢中，紅外測溫仍是發(fā)現(xiàn)異常發(fā)熱故障的主要手段。本文結(jié)合紅外測溫發(fā)現(xiàn)的兩起異常發(fā)熱實例，分析了異常發(fā)熱的原因及機理，有針對性地提出了處置措施，并且取得了較好的效果。采用有限元仿真軟件構(gòu)建了“電-磁-熱”多物理場耦合的GIS 模型，借助模型對GIS 異常溫升的抑制措施進行了研究，為現(xiàn)場處理和分析GIS 外部異常發(fā)熱故障提供了參考。