淺談全封閉組合電器接地技術及相關問題探討

劉鋒，劉秋菊，路繼偉

（1.河南平芝高壓開關有限公司，河南平頂山，467000；2.平頂山工業職業技術學院資源開發學院，河南平頂山，467000）

0 引言

近幾年，全封閉組合電器(GIS）作為一種可靠的輸變電設備在電力系統中得到了廣泛的應用。GIS比之常規敞開式設備擁有更高的安全性和實用性，但隨著電力系統的容量增大以及GIS投運數量的增多，GIS設備故障率也開始呈現出上升趨勢。在GIS設備故障中，接地設計不合理是引發設備故障的常見原因，如果要確保GIS設備安全可靠地運行，就必須要了解GIS接地設計的特點和要點，不斷在工作中加以完善和改進，以此減少設備故障的發生頻次，保障GIS的正常運行。

1 GIS的接地設計主要問題

1.1 外部電磁感應問題

外部電磁感應是GIS運行中的常見問題之一。根據圖1所示的GIS運作結構可知，當GIS母線中通過某一運行電壓、電流時，將在封閉金屬外殼上將會產生相應的感應電壓、感應電流。

圖1 GIS運作結構

GIS內部導體與外殼的間距離并不大，這使得GIS的電磁耦合非常強，也讓運行電流可在很短時間內達到幾千安左右。當GIS設備保持正常運行時，三相電流可以處于相對平衡的狀態。但受結構設計和布置方案等因素所帶來的影響，內部導體與外殼間一定會存在某種偏差，這種導體與殼體的偏差是造成GIS外部電磁感應問題的主要原因，也是接地設計時必須考慮的問題。特別是當發生單相內部故障時，GIS外殼將產生明顯的感應電流和電壓，因為GIS外殼有連續性結構和非連續性結構之分，殼體的不同也會造成感應電流的形成狀態不同，在連續性結構外殼中，連續性結構沿母線方向各段殼體彼此電氣連通，母線電流會在外殼上引起感應電壓，形成縱向電流[1]。非連續性結構外殼中，非連續性結構沿母線方向各段殼體電氣隔斷狀態，母線電流同樣會在外殼上引起感應電壓，但不能產生形成縱向電流，同時會在每一個隔斷的外殼上產生局部感應電流，對不連續處絕緣部件構成威脅。由于GIS中盤式絕緣子和氣室分隔隔板等的存在，GIS金屬外殼通常不能形成完整的閉合回路，通常需在非連續性結構處加裝跨接排使之形成連續回路，這也加大了外部電磁感應問題的發生幾率。

1.2 瞬時過電壓問題

GIS外殼瞬時接地電壓，通常表現為在極短時間時間內迅速上升，可高達數百千伏，并可伴隨聲、光、電等現象。此問題將給GIS設備和運行人員帶來潛在的危害。GIS外殼瞬時接地電壓產生的原因可總結為三點，分別是絕緣擊穿、母線對地擊穿和開關兩端觸頭擊穿[2]。

絕緣擊穿是當GIS內部發生氣體或絕緣部件擊穿時引發的擊穿現象，當絕緣擊穿出現時，GIS的電壓會急劇上升，并引起高頻振蕩，瞬時電壓急劇升高，最終發生設備故障。

母線對地擊穿是母線對地放電造成了母線電壓的急劇下降而引起的擊穿現象，當接地系統正常時，此時擊穿將引起短路電流，危害設備安全運行，若接地系統設置不合理，就會發生嚴重的過電壓，使GIS外殼電壓迅速升高，對設備造成更大的破壞效果[3]。

開關兩端觸頭擊穿是因為GIS運行期間，系統中的隔離開關、斷路器等進行分合閘操作，GIS中存在快速暫態（VFTO）過程，這使得接地外殼的電位在短時間內迅速上升，由此造成了絕緣介質擊穿故障的發生。

1.3 GIS外殼接觸電壓問題

在GIS設備運行時，運行人員可以接觸到GIS的外殼，這就使得故障電流需要以最小電阻回路向接地網釋放，確保各種工況下GIS外殼接觸電壓均在安全范圍內[4]。

GIS設備以下述兩種基本故障為主：第一種時發生在GIS內部的故障，如母線導體與外殼發生閃絡。第二種發生在GIS裝置以外，即故障電流流過GIS母線在外殼上形成感應電流。在GIS設計過程中，主要針對第一種情況加以預防，當GIS發生故障時，GIS外殼感應電壓、接地電流也將發生顯著變化，因事故位置、接地位置、電源位置、電流路徑的差異，電壓上升差異也不同。

接觸電壓的計算方法可參考下式計算：

E:接觸電勢(V）

ρb:土壤表面電阻率（Ω·m）

t：主保護及開關動作時間（ms）

公式（1）按通過人體允許電流為165/t設定的人體電阻為1500歐姆考慮。通常，根據事故電流持續時間和及人員體重，人體允許的接觸電壓如表1所示。

表1 接觸電壓額度

2 工程設計中接地問題的預防辦法

2.1 接地設計

2.1.1 接地材料的選擇

接地材料合理選擇可確保設備運行時所產生的感應電流、故障電流實現及時有效的擴散，減少或杜絕問題的出現，確保GIS設備安全、可靠運行。接地材料主要基于在故障電流持續時間來進行針對性選擇，在選擇材料時，設計人員要確保接地材料的耐受性，保證所選擇材料不會發生熔融等破壞問題[5]。基于這一要求，在挑選材料時就要從熱穩定性、耐腐蝕性、導電率、經濟性等方面進行考慮，選出符合GIS設計的材料類別。GIS設備的接地網需要采用銅質材料，銅質材料可以保證接地裝置的可靠與穩定，在設計接地網時，設計者必須要確保所有的接地引出線端都是銅排，統一化的銅排設計會讓接地電阻減少，對于GIS的使用壽命延長有很大幫助。在GIS各氣室外殼的對接面，設計師要設計盆式絕緣子或者橡膠密封墊，兩個筒體間要用跨接銅排進行連接，對界面的截面也要按照主接地網的截面進行參照設計。

2.1.2 接地材料熱穩定性計算

故障電流持續時間通常由繼電保護時間和斷路器開斷時間確定，可按照1s計算。故障電流可按照最苛刻的GIS設備短時耐受電流確定，其具體計算公式如下：

S：接地體截面積(mm2）

Ig ：故障電流（A）

t：持續時間（S），通常按照1s計算

C：系數

通常，接地材料采用銅、鋁、鋼等材質，不同故障電流下，接地材料最小截面積如下表2所示。

表2 接地材料最小截面積

2.2 接地材料導電率、耐腐蝕性、經濟性

接地材料遭遇的腐蝕問題主要有化學腐蝕和電化學腐蝕兩類，鋼材料是接地材料中受腐蝕問題影響較明顯的材料之一，由于受環境的影響容易發生化學腐蝕，所以設計者要特別注意鋼材料的防腐措施[6]。

銅在20℃時的電阻率為17.24×10-6Ω·mm，鋼在20℃時的電阻率138×10-6Ω·mm。以銅為基準，取其導電率為100%，則鋼的導電率為10.8%，鋼的導電率僅為銅的1/10。銅材料較鋼材料作為接地體導電性能明顯更優。

從單位材料價格看，鋼材明顯更具經濟性。但需考慮鋼材的熱處理工藝費用，因腐蝕原因造成的維護更換作業費用。銅材則基本無腐蝕，維護成本較低，在確定材料時需綜合考慮材料在全壽命周期內的經濟效益。

故可以在GIS設計中選擇以銅材料和鋼材料互相組合的方式實現接地設備對化學腐蝕的良好抗性，同時節約成本，不過鋼、銅連接后容易形成電化學腐蝕，因此在選用這兩種材料作為接地設備主要材料時，要尤為預防電化學腐蝕問題發生。為了避免這種現象發生，設計者要通過設計覆蓋層以及加緩蝕劑實現對材料的保護，覆蓋層可以選擇用搪瓷、塑料涂覆以及鋼襯玻璃為基礎材料，用噴涂或者電鍍等方式將這層材質覆蓋到GIS設備的表面，使其逐漸磷化和氧化，起到防銹作用，預防電化學腐蝕的發生。

2.3 GIS導流排的設計

GIS多采用多點接地，為確保GIS外殼上的感應電流流通，必須合理設置同相導流排。采用環氧樹脂絕緣隔盆必須設置同相導流排；采用金屬嵌件包裹的絕緣隔盆因法蘭具備通電性能可不需要設置同相導流排；特別注意的是因GIS波紋管多采用不銹鋼材質，為降低電阻較大而引起的通流、溫升異常，應設置同相導流排[7]。同相導流排的設置主要考慮GIS外殼通流電流大小，將溫升控制在國家標準要求值以下。

2.4 接地間隔的設計

GIS帶電部位全部置于接地的金屬殼體中，一旦金屬殼體內部有電流通過，金屬殼體的接觸電壓就會上升。必須掌握事故發生時金屬殼體的接觸電壓上升值，將電壓控制在允許電壓以下。通過降低GIS殼體外殼高度h，縮短接地距離L可有效降低接觸電壓，一套GIS外殼具體需要幾個點與主接地網連接，要由制造廠根據訂貨單位所提供的接地網技術參數來決定。如圖2所示。

圖2 接地間隔設計

2.5 避免瞬時過電壓需要特別注意的問題

GIS操作時產生的瞬時過電壓通過殼體或接地線會引起地電壓升高，從而危及設備和人員安全，特別時擊穿后，脈沖波傳播過程中遇到波阻抗變化，將發生折反射現象，使殼體對地電位升高。通常GIS套管與架空線連接處、GIS母線與變壓器直聯處、GIS母線與高壓電纜直聯處極易形成瞬時電壓升高現象。作為一般對策，要求GIS套管與架空線連接處殼體、GIS母線與變壓器直聯處殼體、GIS母線與高壓電纜直聯處殼體設置相間導流排、過電壓保護裝置等良好的接地，以避免絕緣破壞。

3 結語

通過以上分析，要求GIS裝置必須可靠接地，從而有效的限制外殼接觸電壓、遏制瞬態過電壓的發生，具體包括：①應優先采用銅材料作為接地線或接地網，可有效降低GIS裝置接地回路的電阻值，利于電流向接地網釋放；②GIS外殼應采用多點有效接地方式接地，確保外殼感應電流可連續流通，從而降低外殼渦流損耗，限制接觸電壓；③盡可能降低GIS裝置高度，縮短接地回路長度，從而降低接觸電壓，遏制瞬態過電壓；④當變壓器、電抗器、電纜終端等直接連接到GIS外殼時，應設置過電壓保護裝置，遏制鄰近設備外殼上過電壓的相互影響。