GIS的溫升驗(yàn)證試驗(yàn)方法評述*

羅 園，吳盛剛，陳慧欣，高原彬

(甘肅電器科學(xué)研究院，甘肅 天水 741018)

0 引 言

GIS(Gas Insulated Switchgear)是氣體絕緣全封閉組合電器的英文簡稱。GIS由斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、互感器、避雷器、母線、連接件和出線終端等組成，這些設(shè)備或部件全部封閉在金屬接地的外殼中，在其內(nèi)部充有一定壓力的的SF6氣體、N2氣體或混合氣體作為開關(guān)設(shè)備的絕緣介質(zhì)，用真空或SF6為滅弧介質(zhì)，將母線、斷路器、隔離開關(guān)等中壓元件集中密閉在箱體中，綜合運(yùn)用現(xiàn)代絕緣技術(shù)、開斷技術(shù)、制造技術(shù)、傳感技術(shù)、數(shù)字技術(shù)生產(chǎn)的集智能控制、保護(hù)、監(jiān)視、測量、通訊于一體的高新技術(shù)產(chǎn)品[1]。具有體積小、重量輕、安全性好、可靠性高、能適應(yīng)惡劣環(huán)境條件下使用等優(yōu)點(diǎn)。GIS因具有通流能力強(qiáng)、輸送容量大、結(jié)構(gòu)緊湊和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于高壓輸電領(lǐng)域[2]。 但是，GIS的封閉性和結(jié)構(gòu)的緊湊性也導(dǎo)致了內(nèi)部熱故障不易被發(fā)現(xiàn)，降低了GIS使用壽命，影響輸電可靠性。因此，對GIS的溫升驗(yàn)證就顯得尤為重要。近年來，不少試驗(yàn)站對GIS溫升試驗(yàn)展開了研究。筆者通過對GIS溫升驗(yàn)證試驗(yàn)?zāi)康?、試?yàn)方法、溫升測量及結(jié)果的處理分析，對GIS有關(guān)溫升試驗(yàn)方法以及試驗(yàn)條件進(jìn)行了簡要介紹和評述，明確了對GIS溫升試驗(yàn)判定結(jié)果的解釋說明問題，這對特殊情況下溫升結(jié)果的判定有一定的參考價值。

1 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

GIS的溫升試驗(yàn)以驗(yàn)證GIS的通電性能為目的，適用于額定頻率為50 Hz或60 Hz的、可連續(xù)通電的GIS開關(guān)設(shè)備。其內(nèi)容可從下列項(xiàng)目中任選其一，或進(jìn)行逐項(xiàng)驗(yàn)證：(1) 確認(rèn)GIS各部分的溫升值是否在規(guī)定范圍內(nèi)；(2) 確認(rèn)通過罐體、支架、接地線等電流的大小，以及有無異常發(fā)熱的現(xiàn)象存在；(3) 確認(rèn)SF6氣體壓力上升、罐體的熱伸縮等的大?。?4) 此外還應(yīng)確認(rèn)通電有無老化、或者長期使用性能上有無問題。

通常如果滿足項(xiàng)(1)所示的內(nèi)容，則一般認(rèn)為，也能同時滿足項(xiàng)(2)～(4)的內(nèi)容，但是GIS的情況，由于其體積的大小和組合裝置的互相干擾因素，那么，尤其要想再提高項(xiàng)(2)～(4)中所具有的意義，則應(yīng)在試驗(yàn)?zāi)康闹兄匦旅鞔_闡述。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試品的布置

在布置GIS時，希望盡可能模擬實(shí)際使用狀態(tài)下的試品布置，但是整體裝置供試時或模擬現(xiàn)場安裝狀態(tài)有困難時，則由用戶和廠家協(xié)商解決。

局部試驗(yàn)和部分試驗(yàn)所得的試驗(yàn)結(jié)果，與實(shí)際安裝條件的試驗(yàn)結(jié)果有差異時，以沒有影響實(shí)際安裝條件的試驗(yàn)結(jié)果為有效部分，其它部分供作參考。

2.2 通電方法

在額定電流、額定頻率下以三相通電為原則，對于分相式等結(jié)構(gòu)的GIS，對其他相的影響沒有問題的情況，可以單相進(jìn)行試驗(yàn)。此外，分相式時，外殼電流的大小與主回路電流的大小相近似的情況，則也可以罐殼作為回路進(jìn)行單相試驗(yàn)。當(dāng)母線和分支部分等的額定電流不同的局部互相受到影響時，則從實(shí)際運(yùn)用條件方面考慮，要在操作試驗(yàn)循環(huán)中選其最苛刻的條件確定通電回路和通電電流。

2.3 頻率要求

關(guān)于頻率，也是對GIS溫升有影響的因素，但實(shí)際上因其影響并不太大，所以，以50 Hz或60 Hz任意一種進(jìn)行試驗(yàn)都可以。但是，對于可能出現(xiàn)雜散損失大的部位(罐體等)，必須考慮頻率所引起的溫度上升的變化分量。電流頻率的差異造成的溫升差值，主要在于發(fā)熱量的變化，以下述計算為例。

主回路導(dǎo)體表面系數(shù)變化引起的溫升差異：如表1表示直徑80 mm(厚度15 mm)，和直徑150 mm(厚度20 mm)鋁管導(dǎo)體表面系數(shù)以及60 Hz溫升的增加部分(對50 Hz而言)。

表1 50 Hz和60 Hz表面系數(shù)和溫升分量

表面系數(shù)是由形狀、材質(zhì)、截面積決定的直流電阻和交流電阻的比率。形狀相同的條件下，截面積越大、材質(zhì)導(dǎo)電率越高越受頻率影響。當(dāng)電流為I時，導(dǎo)體發(fā)熱量W用公式W=I2RAC表示。所以，發(fā)熱量也和交流電阻RAC成正比變化。所以，利用這一關(guān)系使其和發(fā)熱量的0.9次方成正比。此時60 Hz溫升值與50 Hz溫升值的關(guān)系可用式(1)、(2)表示：

(1)

式中：θ60為60 Hz時的最終溫升值；θ50為50 Hz時的最終溫升值；RAC60為60 Hz時的交流電阻；RAC50為50 Hz時的交流電阻。

(2)

式中：θI1為I1時的溫升值；θI2為I2時的溫升值；K為溫升指數(shù)。

GIS所用的鋁導(dǎo)體，據(jù)機(jī)械強(qiáng)度要求，使用含5%Mg、Cu、Zn的合金，其導(dǎo)電率百分比為純鋁61%的一半，即30%左右(所以導(dǎo)電率按30%進(jìn)行計算的)。溫升系數(shù)K表示電流值和溫升值的關(guān)系指數(shù)[3]。

因?yàn)闇u流損失和φ2f2成正比，所以雜散損失和f成正比，因此，60 Hz的發(fā)熱量為50 Hz的1.2倍左右，尤其使用低碳鋼罐體，頻率變化對溫升的影響特別值得注意。關(guān)于分相式的GIS，其罐體相間連接及接地狀態(tài)要與實(shí)際使用狀態(tài)一樣，應(yīng)進(jìn)行切實(shí)的考慮。

2.4 試驗(yàn)氣體壓力

試驗(yàn)時采用額定氣體壓力或最低保證氣體壓力。若將SF6氣體壓力(氣體密度)提高時，由于容器內(nèi)氣體的對流作用產(chǎn)生熱擴(kuò)散，所以冷卻效果增大。只從溫升觀點(diǎn)來看，以最低保證壓力進(jìn)行的方法是苛刻的。不過，通常額定氣體壓力與最低保證壓力之差只有0.1 MPa左右，所以，對溫升的影響甚微。

另外，也有人認(rèn)為，從實(shí)用性能上驗(yàn)證壓力上升和各部分變位等的意義上考慮，在額定氣體壓力下進(jìn)行試驗(yàn)是比較合適的。從迄今為止的實(shí)例上看，只有額定氣體壓力和最低保證壓力兩方面的實(shí)例，即使在國外標(biāo)準(zhǔn)IEC、ANSI等中，關(guān)于氣體壓力也沒有明確表示，正在考慮中?？墒牵毡緮嗦菲鳂?biāo)準(zhǔn)JEC-181中明確規(guī)定以額定值為標(biāo)準(zhǔn)，所以希望使用額定氣體壓力進(jìn)行試驗(yàn)為宜[4]。

2.5 環(huán)境溫度的確定

(1) 溫度計的位置：在GIS的周圍幾處放置溫度計，高度取在GIS的大約中間，距離1～2 m的位置，不受通風(fēng)及散熱的影響。

(2) 溫度的確定：根據(jù)上述項(xiàng)(1)，所放置的溫度計讀數(shù)平均值作為環(huán)境溫度。此外，在溫升試驗(yàn)過程中環(huán)境溫度有變化時，取試驗(yàn)全過程的最后1/4時間段的溫度平均值作為環(huán)境溫度。

3 溫升的測量

3.1 主回路電阻測量

測量溫升可用溫度計法或熱電偶法。關(guān)于溫度計法是將玻璃溫度計、電阻顯示溫度計以及電熱顯示溫度計等的感溫部位放到試品外部容易接觸部位的溫度最高的表面上或所指定部位的表面上進(jìn)行測量。尤其測量裸露于大氣中的表面溫度時，溫度計的感溫部位要用適量的膩?zhàn)拥劝线M(jìn)行測量。埋設(shè)熱電偶一般采用鉆孔鉚接法，當(dāng)無法實(shí)施鉆孔時，可采用膠貼固定法。無論用哪種方法，均應(yīng)使其與測量點(diǎn)緊密接觸，否則會產(chǎn)生測量誤差。

溫升試驗(yàn)前后測量主回路電阻，測量位置原則上為GIS主回路端子間，但是，只能夠利用接地開關(guān)等進(jìn)行測量時，要求進(jìn)行仔細(xì)的測量。若采用直流電壓降法進(jìn)行測量，其測量過程不應(yīng)引起試品發(fā)熱，造成電阻變化。

3.2 氣體壓力的測量

關(guān)于溫升試驗(yàn)前的和溫度達(dá)到允許溫度時的氣體壓力用壓力計來測量，再根據(jù)外部溫差補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上來求氣壓上升值。溫升造成的SF6氣壓升高，可通過下公式(3)、(4)近似的求出。

(3)

(4)

式中：ΔP為排除由環(huán)境溫度造成的變化因素后的氣壓上升值，MPa；P2′為將溫度達(dá)到允許溫度時的壓力換算為試驗(yàn)前的外部氣溫的壓力；P1為試驗(yàn)前的壓力；t1為試驗(yàn)前的SF6氣體溫度，℃；P2為溫度達(dá)到允許溫度時的壓力；t2為溫度達(dá)到允許溫度時的SF6氣體溫度，℃；θ1為試驗(yàn)前環(huán)境溫度，℃；θ2為達(dá)到允許溫度時的環(huán)境溫度，℃。

其他如罐體熱伸縮、接地線電流等的對溫升值有影響的測量，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，?dāng)事者進(jìn)行協(xié)商，采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行。

4 試驗(yàn)結(jié)果處理和分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果表示

GIS溫升試驗(yàn)的結(jié)果主要由以下項(xiàng)目表示：①試驗(yàn)條件；②試驗(yàn)回路；③測量溫度位置說明圖；④試驗(yàn)電流和頻率(A；Hz)；⑤氣壓(MPa)；⑥環(huán)境溫度(℃)；⑦各部位溫升值和標(biāo)準(zhǔn)值及通電時間(k,h)；⑧代表性部位溫升曲線；⑨其它測量結(jié)果(測量值、測量條件、測量方法、測量位置說明)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果評定

試驗(yàn)結(jié)果的評定按下列標(biāo)準(zhǔn)。

(1) 各部溫升及最高溫度應(yīng)小于表2所列的值[5]。表2所列的溫升極限及最高允許溫度參照了國標(biāo)GB/T 11022-2011所規(guī)定的值。

表2 溫升極限及最高允許溫度

(2) 試驗(yàn)前后主回路電阻應(yīng)無異常變化。

(3) 接觸部位和其他各部位應(yīng)無異常。

關(guān)于溫升試驗(yàn)結(jié)果的評定條件，根據(jù)項(xiàng)(1)～(3)，而在實(shí)際運(yùn)行中的某種GIS受日照影響的情況很多。

表2記載的最高允許溫度在定量分析上未包括這一影響，而在電氣協(xié)會技術(shù)報告中也有記載日照影響大的情況，一日內(nèi)要有幾小時，從溫升與時間常數(shù)的關(guān)系看，日照對機(jī)器內(nèi)部的影響要小(因負(fù)荷峰值引起的溫升高峰和日照高峰不一定同時發(fā)生)。另外在日本，環(huán)境溫度達(dá)到40 ℃的情況很少見，因此認(rèn)為實(shí)用上沒有問題，所以未把日照影響提到日程上來作為特殊考慮。因此，倘若遇到必須特殊考慮日照影響的情況，則應(yīng)由用戶和廠家雙方協(xié)商進(jìn)行考慮。

5 結(jié) 語

對GIS有關(guān)溫升試驗(yàn)方法以及試驗(yàn)條件，進(jìn)行了簡要介紹和評述，對GIS溫升試驗(yàn)的判定結(jié)果根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行了解釋說明，并針對特殊情況介紹了判定依據(jù)。如果遇到難以判定的試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)將測量范圍盡可能的縮小，如果測量前后環(huán)境溫度有誤差時，則希望以進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)确椒▉硖岣咴u價測量的精確度。