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【摘 要】针对气体绝缘全封闭组合电器（GIS）运行中会出现外部发热缺陷的现象，研究了GIS外部环流产生机理，并通过几个典型GIS外部发热缺陷对环流进行了验证，提出了针对GIS外部发热的几种抑制措施和处理方式。
【关键词】气体绝缘全封闭组合电器;GIS;电磁感应;环流
Abstract：Aiming at the external heating defects in the operation of GIS，this paper introduces the mechanism of GIS circulation current.Based on several typical heating defect of GIS，it is found out that the circulation current is exists.According to this reasons，the several inhibition methods are proposed，which is significantly useful in eliminating the GIS external heating defects.
Key words：Gas Insulated Switchgear;GIS;Electromagnetic Induction;Circulating Current
引言
GIS（GAS insulated SWITCHGEAR）是气体绝缘全封闭组合电器的英文简称。GIS由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接件和出线终端等组成，这些设备或部件全部封闭在金属接地的外壳中，在其内部充有一定压力的SF6绝缘气体，故也称SF6全封闭组合电器。与常规敞开式变电站相比，GIS的优点在于结构紧凑、占地面积小、可靠性高、配置灵活、安装方便、安全性强、环境适应能力强，维护工作量很小[1]。
GIS设备在浙江省内广泛应用，在运行过程中已发生过多起设备外部发热现象，特别是法兰面发热情况较多，长时间发热会加速密封圈等部件老化，严重时出现漏气、放电等严重影响GIS设备安全稳定运行。
本文分析了发热机理，通过几起典型GIS外部发热红外图谱进行验证，并提出了抑制发热的措施，希望能对GIS外部发热缺陷消除提供重要的借鉴指导意义。
1 GIS外部发热机理
由于导电杆中的工频电流的电磁感应，气体绝缘金属封闭开关设备（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[2]。
1.1 产生环流的机理分析
产生环流的基本原理是电磁感应，采用单匝空心电磁式电流互感器原理分析这一现象，其等值电路如图1。图中R1、Xs1为原边漏磁阻抗，R2、Xs2为副边漏磁阻抗，Rm、Xm为激磁阻抗，I1、I2、Im为原边、副边和激磁电流。
设备中的高压载流导体可看作电流互感器中只有1匝的原边电路，流过其中的电流则是互感器的原边电流;地线、外壳接地点及外壳形成的环路是互感器的副边，也只有1匝，其中流过的电流则是环流，也即流过外壳和地线的环流[2]，如图2所示。
因此利用电流互感器原理，母线导体流经大电流时，GIS外壳会因电磁感应产生感应电压。对于三相共体结构的母线，外壳经大地形成闭合回路。对于三相分体结构的GIS，除了外壳与大地形成闭合回路外，外壳经相间短接排也会构成闭合回路。通过这个回路，感应电压将在GIS外壳上激发电流，这种电流称为环流。特别的，三相分体结构在产生平衡电流或故障时，环流数值会较大。
1.2 影响环流大小的因素
电感互感及漏感定义为：
其中，L2为导体副边电感，M12为导体原副边互感，L2s为导体副边漏感，Ψ2为副边磁通。
原副边电流关系与原边漏磁阻抗无关，与激磁阻抗及副边漏磁阻抗之比有关。若激磁电抗无穷大或副边漏磁阻抗为0时，即原副边电流完全相同，这是极端情况，实际上由于原边只有1匝，主磁通磁路中也没有铁芯，原副线圈间的磁通耦合差，激磁阻抗极小且与漏磁阻抗接近，因此外壳上感应电流与导体电流在一个数量级。
GIS外壳的感应电流与其结构、位置布置、运行方式等因素有关，文献[3][4]通过建立GIS外壳感应电流的等效计算模型，使用EMPT程序对GIS外壳接地感应电流、接地点入地电流进行仿真分析，计算得到外壳最大感应与额定电流相差无几。
文献[5]通过对宜都换流站內GIS和咸宁变HGIS设备接地电流的测量，发现外壳接地电流均为安倍级的，比设计值大。原理分析、仿真计算及实际测量结果均证明了GIS外壳上存在环流，且此环流值远比理想中的大，稳态情况计算环流值约几百安培。故障情况下，外壳环流比稳态情况下大得多，地电位也会达到千伏以上，对人身产生威胁。
GIS无论正常还是在故障情况下运行，外壳均会出现环流，通过对其等值模型的仿真分析，影响环流大小的因素主要有：
（1）电压等级。GIS外壳环流是由于导体与外壳的电磁感应而产生，电压等级越高，感应到外壳上的感应电压会越大，从而回路中流过的环流相应也会越大。
（2）GIS结构。环流与GIS相间距离、母线导体半径、外壳半径、等都有关系，这些因素都与原副边耦合系数有关。
（3）GIS材质。金属材质不一样，局部电位的分布不均匀，外壳表面阻抗也不一样，导致环流大小不一样。
（4）外壳法兰跨接排、相间连接排的布置及接触面接触情况的影响，接触不良使接触电阻变大。
2 典型GIS外部发热
2.1 典型GIS外部发热红外图谱 在对GIS开展带电检测时，发生过多起GIS外部发热现象，比较典型的如图3-图7所示。
（1）220kVGIS母线波纹管固定螺栓发热
图3为三相共体GIS母线波纹管固定螺栓发热红外测温图谱，热点温度36.3℃，环境温度15.6℃，正常点温度21.5℃，负荷电流840A。
（2）110kVGIS出线套管法兰发热
图4为出线套管法兰处发热红外测温图谱，其中A相58.7℃、B相64.1℃、C相57.9℃，环境温度29.5℃，正常点温度35℃，负荷电流1286A。
（3）220kVGIS三相SF6气体连通管路发热
图5为三相SF6气体连通管路发热红外测温图谱，热点温度19℃，环境温度10℃，正常点温度12℃。
（4）500kVGIS出线套管三相汇流排发热
图6为GIS出线套管三相汇流排发热红外测温图谱，热点温度31.5℃，环境温度6.8℃，正常点温度14.4℃，负荷电流983A。
（5）220kVGIS母线波纹管跨接排发热
图7为三相共体GIS母线波纹管跨接排发热红外测温图谱，热点温度34.7℃，环境温度15.6℃，正常点温度21.3℃，负荷电流840A。
2.2 典型GIS外部发热原因分析
由于电磁感应导致GIS外壳存在环流，环流值为安倍级，正常情况下环流通路顺畅，且法兰面跨接排、接地铜排、三相汇流排等接触良好，热稳定性符合设计要求。一旦某些连接部位由于接触面处理不符合要求、螺栓松动、通流能力不足等原因導致回路电阻增大，超过热稳定要求量时，便会出现发热现象，发热会导致材料老化、绝缘受损、密封面失效，给GIS稳定运行带来隐患。
图3处波纹管螺栓发热，波纹管与母线筒体通过螺栓紧固固定，法兰固定接触面安装工艺不良，运行时间长后接触面由于腐蚀、异物等因素导致部分区域接触不良，感应电流从法兰固定螺栓处通过，从而局部螺栓载流发热。
图4为套管底部法兰面发热，由于套管出线处场强集中，涡流损耗增大，应考虑三相汇流后接地。
图5为GIS三相SF6气体连通管路发热，SF6连通管三相汇流，由于GIS无三相跨接排或三相汇流排接触面接触不良。
图6经现场检查，发现引起发热的原因为相间导流排与B相套管间连接铝排安装不正确，铝排搭接面未与导流排相连，导致实际搭接面为油漆面。
图7波纹管两侧设有4块跨接铜排，经测试跨接铜排流经电流，发现流过跨接排电流分别为20A、562A、112A、52A，发热处跨接排流过电流值562A，负荷电流为840A。该发热情况也充分证明环流是存在的，当其他三处跨接排搭接面接触不良，螺栓紧固不足，接触电阻较大时，发热处跨接排接触电阻较小，电流从该出流过引起发热。
3 GIS外部发热防护措施
为防止GIS外部发热造成绝缘老化、密封失效，可采取一定的措施来进行预控防护。
（1）外壳法兰应采用跨接片，户外GIS 罐体上应有专用跨接部位，禁止通过法兰螺栓直连[6]，同时跨接片数量、截面积应符合标准要求。
（2）接地铜排布局应合理，接地铜排截面积、动热稳定性应符合标准要求。接地铜排应直接与主接地网连接，不能通过其他元件接地串联后接地，GIS间隔数量较多时，可以设置两条接地母线，接地母线应与主接地网两点以上接地。
（3）三相母线外壳应短接后接地。离相式母线三相外壳环流的相位相差120°，三相外壳短接后，通过外壳接地线的电流仅有不平衡电流。
（4）各金属连接面应保证接触紧密，具有良好的导通性能，接触面不得有油漆等影响导电的物质，因长期运行导致接触面腐蚀而影响导电性能的需及时清理。
（5）为防止GIS 设备罐体的感应电流通过设备支架、金属管道、运行平台等，要求GIS 设备罐体均应多点接地。在罐体与金属结构之间应绝缘，以防止感应电流的环流。
4 结语
本文对GIS外壳环流的机理通过原理分析、仿真计算、实际测量结果进行验证，正常运行条件下外壳上环流值很大，为安倍级。通过对几起典型GIS外部发热缺陷进行总结，对各种发热原因进行介绍，提出了防护GIS外部发热的相应措施，对防止GIS外部发热和消除发热点具有重要的参考价值和借鉴意义。
参考文献：
[1]罗学琛.SF6气体绝缘全封闭组合电器（GIS）[M].中国电力出版社，1999.
[2]徐国政，关永刚.GIS和GIL外壳环流及损耗的简化分析和估算[J].高电压技术，2009，35（2）.
[3]张亚婷，高博，贾磊，et al.800 kV分体结构GIS母线外壳环流特性的研究[J].电瓷避雷器.
[4]郭磊，范冕，姚裕安.550kV GIS外壳感应环流特性的仿真分析[J].湖北工业大学学报，2012，27（1）：74-78.
[5]吴云飞，汪涛，林志伟.500kV变电站的HGIS和GIS设备接地电流测量结果分析[J].电网技术，2007（S2）：47-49.
[6]国家电网有限公司十八项电网重大反事故措施（修订版）.国家电网设备〔2018〕979号
作者简介：
汪全虎（1989—），男，硕士，工程师，主要研究方向：变电一次检修。E-mail：[email protected]
（作者单位：国网浙江省电力有限公司检修分公司变电检修中心）
【关键词】气体绝缘全封闭组合电器;GIS;电磁感应;环流
Abstract：Aiming at the external heating defects in the operation of GIS，this paper introduces the mechanism of GIS circulation current.Based on several typical heating defect of GIS，it is found out that the circulation current is exists.According to this reasons，the several inhibition methods are proposed，which is significantly useful in eliminating the GIS external heating defects.
Key words：Gas Insulated Switchgear;GIS;Electromagnetic Induction;Circulating Current
引言
GIS（GAS insulated SWITCHGEAR）是气体绝缘全封闭组合电器的英文简称。GIS由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接件和出线终端等组成，这些设备或部件全部封闭在金属接地的外壳中，在其内部充有一定压力的SF6绝缘气体，故也称SF6全封闭组合电器。与常规敞开式变电站相比，GIS的优点在于结构紧凑、占地面积小、可靠性高、配置灵活、安装方便、安全性强、环境适应能力强，维护工作量很小[1]。
GIS设备在浙江省内广泛应用，在运行过程中已发生过多起设备外部发热现象，特别是法兰面发热情况较多，长时间发热会加速密封圈等部件老化，严重时出现漏气、放电等严重影响GIS设备安全稳定运行。
本文分析了发热机理，通过几起典型GIS外部发热红外图谱进行验证，并提出了抑制发热的措施，希望能对GIS外部发热缺陷消除提供重要的借鉴指导意义。
1 GIS外部发热机理
由于导电杆中的工频电流的电磁感应，气体绝缘金属封闭开关设备（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[2]。
1.1 产生环流的机理分析
产生环流的基本原理是电磁感应，采用单匝空心电磁式电流互感器原理分析这一现象，其等值电路如图1。图中R1、Xs1为原边漏磁阻抗，R2、Xs2为副边漏磁阻抗，Rm、Xm为激磁阻抗，I1、I2、Im为原边、副边和激磁电流。
设备中的高压载流导体可看作电流互感器中只有1匝的原边电路，流过其中的电流则是互感器的原边电流;地线、外壳接地点及外壳形成的环路是互感器的副边，也只有1匝，其中流过的电流则是环流，也即流过外壳和地线的环流[2]，如图2所示。
因此利用电流互感器原理，母线导体流经大电流时，GIS外壳会因电磁感应产生感应电压。对于三相共体结构的母线，外壳经大地形成闭合回路。对于三相分体结构的GIS，除了外壳与大地形成闭合回路外，外壳经相间短接排也会构成闭合回路。通过这个回路，感应电压将在GIS外壳上激发电流，这种电流称为环流。特别的，三相分体结构在产生平衡电流或故障时，环流数值会较大。
1.2 影响环流大小的因素
电感互感及漏感定义为：
其中，L2为导体副边电感，M12为导体原副边互感，L2s为导体副边漏感，Ψ2为副边磁通。
原副边电流关系与原边漏磁阻抗无关，与激磁阻抗及副边漏磁阻抗之比有关。若激磁电抗无穷大或副边漏磁阻抗为0时，即原副边电流完全相同，这是极端情况，实际上由于原边只有1匝，主磁通磁路中也没有铁芯，原副线圈间的磁通耦合差，激磁阻抗极小且与漏磁阻抗接近，因此外壳上感应电流与导体电流在一个数量级。
GIS外壳的感应电流与其结构、位置布置、运行方式等因素有关，文献[3][4]通过建立GIS外壳感应电流的等效计算模型，使用EMPT程序对GIS外壳接地感应电流、接地点入地电流进行仿真分析，计算得到外壳最大感应与额定电流相差无几。
文献[5]通过对宜都换流站內GIS和咸宁变HGIS设备接地电流的测量，发现外壳接地电流均为安倍级的，比设计值大。原理分析、仿真计算及实际测量结果均证明了GIS外壳上存在环流，且此环流值远比理想中的大，稳态情况计算环流值约几百安培。故障情况下，外壳环流比稳态情况下大得多，地电位也会达到千伏以上，对人身产生威胁。
GIS无论正常还是在故障情况下运行，外壳均会出现环流，通过对其等值模型的仿真分析，影响环流大小的因素主要有：
（1）电压等级。GIS外壳环流是由于导体与外壳的电磁感应而产生，电压等级越高，感应到外壳上的感应电压会越大，从而回路中流过的环流相应也会越大。
（2）GIS结构。环流与GIS相间距离、母线导体半径、外壳半径、等都有关系，这些因素都与原副边耦合系数有关。
（3）GIS材质。金属材质不一样，局部电位的分布不均匀，外壳表面阻抗也不一样，导致环流大小不一样。
（4）外壳法兰跨接排、相间连接排的布置及接触面接触情况的影响，接触不良使接触电阻变大。
2 典型GIS外部发热
2.1 典型GIS外部发热红外图谱 在对GIS开展带电检测时，发生过多起GIS外部发热现象，比较典型的如图3-图7所示。
（1）220kVGIS母线波纹管固定螺栓发热
图3为三相共体GIS母线波纹管固定螺栓发热红外测温图谱，热点温度36.3℃，环境温度15.6℃，正常点温度21.5℃，负荷电流840A。
（2）110kVGIS出线套管法兰发热
图4为出线套管法兰处发热红外测温图谱，其中A相58.7℃、B相64.1℃、C相57.9℃，环境温度29.5℃，正常点温度35℃，负荷电流1286A。
（3）220kVGIS三相SF6气体连通管路发热
图5为三相SF6气体连通管路发热红外测温图谱，热点温度19℃，环境温度10℃，正常点温度12℃。
（4）500kVGIS出线套管三相汇流排发热
图6为GIS出线套管三相汇流排发热红外测温图谱，热点温度31.5℃，环境温度6.8℃，正常点温度14.4℃，负荷电流983A。
（5）220kVGIS母线波纹管跨接排发热
图7为三相共体GIS母线波纹管跨接排发热红外测温图谱，热点温度34.7℃，环境温度15.6℃，正常点温度21.3℃，负荷电流840A。
2.2 典型GIS外部发热原因分析
由于电磁感应导致GIS外壳存在环流，环流值为安倍级，正常情况下环流通路顺畅，且法兰面跨接排、接地铜排、三相汇流排等接触良好，热稳定性符合设计要求。一旦某些连接部位由于接触面处理不符合要求、螺栓松动、通流能力不足等原因導致回路电阻增大，超过热稳定要求量时，便会出现发热现象，发热会导致材料老化、绝缘受损、密封面失效，给GIS稳定运行带来隐患。
图3处波纹管螺栓发热，波纹管与母线筒体通过螺栓紧固固定，法兰固定接触面安装工艺不良，运行时间长后接触面由于腐蚀、异物等因素导致部分区域接触不良，感应电流从法兰固定螺栓处通过，从而局部螺栓载流发热。
图4为套管底部法兰面发热，由于套管出线处场强集中，涡流损耗增大，应考虑三相汇流后接地。
图5为GIS三相SF6气体连通管路发热，SF6连通管三相汇流，由于GIS无三相跨接排或三相汇流排接触面接触不良。
图6经现场检查，发现引起发热的原因为相间导流排与B相套管间连接铝排安装不正确，铝排搭接面未与导流排相连，导致实际搭接面为油漆面。
图7波纹管两侧设有4块跨接铜排，经测试跨接铜排流经电流，发现流过跨接排电流分别为20A、562A、112A、52A，发热处跨接排流过电流值562A，负荷电流为840A。该发热情况也充分证明环流是存在的，当其他三处跨接排搭接面接触不良，螺栓紧固不足，接触电阻较大时，发热处跨接排接触电阻较小，电流从该出流过引起发热。
3 GIS外部发热防护措施
为防止GIS外部发热造成绝缘老化、密封失效，可采取一定的措施来进行预控防护。
（1）外壳法兰应采用跨接片，户外GIS 罐体上应有专用跨接部位，禁止通过法兰螺栓直连[6]，同时跨接片数量、截面积应符合标准要求。
（2）接地铜排布局应合理，接地铜排截面积、动热稳定性应符合标准要求。接地铜排应直接与主接地网连接，不能通过其他元件接地串联后接地，GIS间隔数量较多时，可以设置两条接地母线，接地母线应与主接地网两点以上接地。
（3）三相母线外壳应短接后接地。离相式母线三相外壳环流的相位相差120°，三相外壳短接后，通过外壳接地线的电流仅有不平衡电流。
（4）各金属连接面应保证接触紧密，具有良好的导通性能，接触面不得有油漆等影响导电的物质，因长期运行导致接触面腐蚀而影响导电性能的需及时清理。
（5）为防止GIS 设备罐体的感应电流通过设备支架、金属管道、运行平台等，要求GIS 设备罐体均应多点接地。在罐体与金属结构之间应绝缘，以防止感应电流的环流。
4 结语
本文对GIS外壳环流的机理通过原理分析、仿真计算、实际测量结果进行验证，正常运行条件下外壳上环流值很大，为安倍级。通过对几起典型GIS外部发热缺陷进行总结，对各种发热原因进行介绍，提出了防护GIS外部发热的相应措施，对防止GIS外部发热和消除发热点具有重要的参考价值和借鉴意义。
参考文献：
[1]罗学琛.SF6气体绝缘全封闭组合电器（GIS）[M].中国电力出版社，1999.
[2]徐国政，关永刚.GIS和GIL外壳环流及损耗的简化分析和估算[J].高电压技术，2009，35（2）.
[3]张亚婷，高博，贾磊，et al.800 kV分体结构GIS母线外壳环流特性的研究[J].电瓷避雷器.
[4]郭磊，范冕，姚裕安.550kV GIS外壳感应环流特性的仿真分析[J].湖北工业大学学报，2012，27（1）：74-78.
[5]吴云飞，汪涛，林志伟.500kV变电站的HGIS和GIS设备接地电流测量结果分析[J].电网技术，2007（S2）：47-49.
[6]国家电网有限公司十八项电网重大反事故措施（修订版）.国家电网设备〔2018〕979号
作者简介：
汪全虎（1989—），男，硕士，工程师，主要研究方向：变电一次检修。E-mail：[email protected]
（作者单位：国网浙江省电力有限公司检修分公司变电检修中心）