500 kV GIS 管母外殼三相短路排溫度過高分析及處理

2022-08-02 09:02:20龍子琦

水電站機電技術 2022年7期

付鵬，龍子琦

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北宜昌 443133）

0 引言

在巡視某運行中的500 kV 出線場設備時，發(fā)現(xiàn)氣體絕緣金屬封閉開關設備（以下簡稱GIS）管母外殼三相短路排嚴重過熱，溫度最高點在GIS 外殼法蘭面與刀型鋁板連接螺栓處（見圖1）。紅外測溫結果顯示最高溫度達145℃，該型號GIS 母線外殼管母設計溫升為60 K（環(huán)境溫度40℃），外殼最高溫度不能超過100℃，顯然該出線GIS 管母法蘭與刀型短路板連接處溫度已明顯超過外殼設計溫升。GIS 母線外殼材料為鋁合金，其導熱系數(shù)較高（138～147 W/m·K）,長期溫度高將使法蘭面橡膠密封圈加速老化，最終導致法蘭面密封不嚴，隔室內SF6氣體泄漏，影響出線設備正常運行。

圖1 紅外熱成像

該型號500 kV GIS 母線外殼三相短路排結構如圖2 所示：每相外殼法蘭面上用2 顆非穿心式螺桿固定一塊刀型鋁板，然后通過1 根鋁合金排（60×10 mm2）連接三相外殼，再通過1 根60×8 mm2的接地扁銅入地。設備滿負荷運行情況下進行紅外熱成像，同時測量短路排電流，如圖3 所示，其流過刀型鋁板最大電流為1 132 A。

圖2 短路排結構

圖3 短路排各處電流測量值

1 GIS 外殼感應電流產生的機理

該電站GIS 設備外殼采用多點接地方式接地。多點接地方式是在GIS 設備的每個分段處用導體連接外殼和大地，而且每個分段處都用導體連接，形成多點接地，使外殼整體連通，提高可靠性。

GIS 外殼與其內部導體間距離很小，兩者的電磁耦合強，這種緊湊型結構使得GIS 外殼與內部對應導體構成一個空心變壓器，導體為原邊，外殼為副邊，導致GIS 外殼產生明顯的感應電勢。在GIS 設備正常運行時，由于導電桿中的工頻電流的電磁感應，GIS 的外殼中會出現(xiàn)兩種感應電流，即在外殼橫截面內的渦流和由于外殼多處接地引起的通過垂直地線、地網及外殼流過的環(huán)流。理論上GIS 外殼環(huán)流與導體運行電流大小相等，方向相反。

一般來說GIS 外殼產生的環(huán)流有兩種路徑，一種是GIS 外殼與地網通過架臺、接地引線等構成的回路產生感應電流（圖4）；另一種是GIS 相間外殼通過短接排構成的回路產生感應電流（圖5）。由于該電站GIS 外殼采取多點接地方式，外殼電流通過GIS 外殼三相短路板，構架，接地引線形成環(huán)流。

圖4 GIS 外殼與架臺形成的環(huán)流

圖5 GIS 相間外殼形成的環(huán)流

1.1 接地導體接觸電壓及熱穩(wěn)定校核分析

設備正常運行時，對500 kV 出線GIS 管母外殼接地電流進行測量，單相管母外殼實際接地電流約1 100 A，外殼對地電壓為0.8 V。GIS 發(fā)生單相接地短路故障時，短路電流取63 kA，計算短路故障時外殼接觸電壓最大為23.1 V。根據(jù)GB/T 50065《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》可知，GIS 正常運行時，外殼接觸電壓最大值不得超過24 V；發(fā)生短路故障時外殼上的電位降一般不應超過100 V。外殼接觸電壓在允許范圍內。

按照GIS 設備最大故障電流為63 kA 時，需要的鋁接地導體截面積為294 mm2,需要的銅接地導體截面積為168 mm2。因此該電站GIS 管母外殼接地導體截面積滿足設計要求。

1.2 GIS 外殼過熱原因分析

該電站安裝6 臺700 MW 機組，三條外送500 kV出線線路，按照電力系統(tǒng)N-1 原則，每條出線至少需要滿足3 臺機組有功輸出功率，即出線電流最低為2 550 A，考慮一定系數(shù)，該電站選型的出線電流互感器變比為3 000∶1，出線端GIS 管母外殼接地接觸面需滿足在3 000 A 電流下的長期運行要求。

接觸面約按照鋁板的3～5 A/mm2（經驗值）過流計算，長期通流3 000 A 時，刀型鋁板與外殼法蘭接觸面積最低1 000 mm2，電站出線端GIS 管母外殼實際接地運行電流約1 100 A，刀型鋁板與外殼法蘭接觸面積最低367 mm2。GIS 管母外殼采用刀型鋁板與法蘭面接觸，每個刀型板與法蘭面有2 個接觸面（測量單個接觸面積約16×10 mm2）。目前出線端GIS 管母外殼僅安裝一塊刀型鋁板，過流接觸面積320 mm2，而同類型設備其他電站出線端GIS 管母外殼安裝四塊刀型鋁板，過流接觸面積1 280 mm2，該電站刀型鋁板與外殼法蘭接觸面積明顯偏低，長期運行發(fā)熱導致刀型鋁板與法蘭面固定螺栓發(fā)熱（該站三回出線溫度在120～145℃間），