氣體絕緣金屬封閉組合電器設備內部熱缺陷關聯表面溫度分布特性分析

段尚祥

（國網山西省電力公司晉中供電公司，山西 晉中 030600）

0 引言

目前，對氣體絕緣金屬封閉組合電器GIS（gas insulated switchgear）設備帶電檢測的方法主要有局部放電類和圖像分析類2種，紅外檢測作為一種直觀有效的手段，也在GIS設備的缺陷檢測中逐步得到應用[1]。文獻[2]研究了SF6氣體對紅外光的吸收及GIS筒表面發射率對測溫的影響，并設計了一種內置式的隔離開關觸頭紅外測溫傳感器，提高了觸頭發熱檢測的準確度，但在實際應用中存在投資高，且現有設備改造難度大的缺陷。文獻[3]采用數值計算分析了多組分氣體熱傳輸數學模型，為準確計算GIS設備內部溫度提供了指導。文獻[4]主要研究了屏蔽罩對溫度檢測的影響。文獻[5-6]對GIS內部觸頭接觸不良發熱進行了研究，但均未對GIS內部發熱在外部筒體上呈現的特征進行研究。本文通過對實際檢測到的GIS發熱缺陷進行解體驗證分析，對GIS內部熱缺陷呈現的軸向和縱向表面溫度分布特性進行了研究。

1 GIS母線發熱缺陷

1.1 檢測數據

檢測人員在某站紅外檢測中發現，站內110 kVⅡ母1-62氣室母線筒溫度分布異常，異常發熱母線筒為Ⅱ母的一個氣室，該母線上有7回進出線。發熱段母線筒中間布置有第4回出線和1號主變壓器（以下簡稱“主變”）。其中，1號主變僅連接Ⅰ母，與Ⅱ母發熱無關，發熱段在此回出線兩側負荷分布不同。

結合發熱段母線實際布置情況，可得出Ⅱ母上異常發熱部位與潮流分布如圖1所示，發熱部位位于圖1中2個氣隔盆之間。

圖1 Ⅱ母異常發熱與潮流分布示意圖

檢測發現該母線筒異常發熱后，檢測人員重點針對110 kV Ⅱ母1-62氣室母線筒進行了超聲局部放電（以下簡稱“局放”）檢測，對異常發熱氣室的2個氣隔盆及通氣盆進行了特高頻局放檢測和紅外檢漏，均未發現異常。檢測人員對該氣室進行了SF6氣體濕度和氣體成分檢測，檢測結果顯示，氣室壓力0.42 MPa，氣體濕度換算至20 ℃時為0.097μL/L，SO2和H2S檢測為0 μL/L，CO為5.9 μL/L。

1.2 母線筒發熱分布

通過對檢測到的異常發熱母線紅外圖譜進行分析，發熱母線段為一個獨立的氣室，軸向溫度最高點在母線預留接地刀閘處，從發熱段母線紅外圖繪制的母線軸向溫度分布（如圖2所示）可以看出，母線發熱圖大致分3個區域。一段為通氣盆至第4回出線側氣隔盆（圖1中氣隔盆2），二段為通氣盆至母線地刀側氣隔盆（圖1中氣隔盆1），三段為母線地刀側氣隔盆至正常溫度母線，此段熱量傳遞受氣隔盆影響溫度較低。從以上分析可知，異常母線的發熱源為圖中的二段區域，即通氣盆至母線地刀側氣隔盆段母線，且靠近預留接地刀閘處。

圖2 發熱母線溫度分布圖

確定預留母線地刀處為發熱溫度最高點位置后，對該位置進行了3次不同時間段檢測，發現最高點溫度與負荷正相關，發熱段母線負荷可通過Ⅱ母上的進出線計算求出，第4回出線兩側母線電流不同，溫度最高點處于氣隔盆1與第四回出線之間，這段母線的負荷電流與對應最高溫度如表1所示。

表1 Ⅱ母最高溫度點與對應負荷電流

2 GIS內部熱缺陷表面溫度分布特性

2.1 母線筒過熱原因分析

從發熱段母線的超聲、特高頻局放及氣體成分檢測結果可知，異常發熱母線不存在內部局部放電。發熱母線筒溫度與負荷相關，且隨負荷增加溫升增加，進一步表明母線筒異常溫度升高的根本原因不是內部放電引起。同時，對于三相共箱母線來說，對外殼耦合的磁場為零，因此也可排除外殼感應電勢引起的電流致熱。

此外，從母線筒整個氣室溫升看，缺陷導致的發熱量很大；以絕緣盆為分界的三段式發熱特征表明熱量主要由SF6氣體對流傳遞，基本可以判斷發熱為內部連接不良引起。從圖2的溫度分布和表1的溫度變化來分析，軸向溫度最高點在預留接地刀閘處，縱向溫度最高點在刀閘的頂部附近，依據氣體傳熱的特征可判斷發熱部位為內部預留刀閘位置連接不良發熱。

母線筒體發熱源位置判斷為母線預留接地刀閘處，接地刀閘處母線的內部結構如圖3所示。

圖3 母線發熱部位內部結構示意圖

從圖3可以看出，發熱點處有電連接，電連接連接3個導體，一端引出連到接地刀閘，其余兩端連接母線導體，連接母線導體的接頭連接不良，就會引起連接處發熱增加，進而通過導體、SF6氣體傳遞到設備外殼上，引起氣室殼體表面溫度升高。

2.2 內部過熱關聯表面溫度特性分析

GIS設備內部熱缺陷會引起母線筒體表面溫度分布異常，相比外部熱缺陷而言，其熱點位置、傳熱途徑和傳熱方式更復雜。本文結合內部過熱的上述特點和外殼表面溫度對內部過熱特性進行相關分析研究。

該GIS母線發熱的外殼溫度分布可以通過軸向和縱向2個維度進行分析，本文將溫升較高的母線取出單獨研究，即圖2中的第二段部分，將紅外平面圖像的紅外溫度信息分別按軸向和縱向提取出來，規定軸向為水平導體方向，縱向為垂直于水平導體的方向，過熱點和溫度測點位置如圖4所示。

圖4 Ⅱ段母線紅外圖中測點位置示意圖

GIS母線筒體表面溫度變化曲線如圖5、圖6所示。圖5、圖6中的波浪線為實測溫度值，圖5中的直線為溫度分布性擬合值，圖6中的直線為溫度分布一元二次函數擬合值。

圖5 GIS母線表面縱向溫度分布及趨勢擬合圖

圖6 GIS母線表面軸向溫度分布及趨勢擬合圖

內部過熱點熱量傳遞一部分主要通過母線導體沿軸向傳遞，由于導體同時也是良好的熱導體，傳遞熱量大，根據傳熱定律，內部導體溫升隨著離開故障點距離的增加按指數規律衰減。而熱量從內部傳遞至外殼表面，主要是通過內部SF6氣體對流傳熱，SF6氣體對流散熱系數是空氣的2.5倍，很小部分通過絕緣材料和氣體傳導出去。由于絕緣物和氣體熱傳導率很低，研究分析中可以僅考慮氣體對流傳熱，對流散熱引起溫升隨距離增加為線性衰減。GIS內部過熱點通過對流使熱點附近氣體升溫，受熱氣體向上流動與GIS筒體接觸傳導熱量后，再沿著筒體內壁向下流動，從筒體底部循環至過熱點。GIS筒內壁受熱后，熱量繼續傳導至外表面，內外壁是金屬傳導，熱溫差不大。

從圖5可以看出，溫度線1'從上至下溫度由27.53 ℃線性降至25.32 ℃；溫度線2'從上至下溫度由27.52 ℃線性降至25.39 ℃，其溫度分布從上至下為線性遞減，內部過熱點在母線筒體表面縱向溫度分布與線性擬合曲線吻合。這也表明熱量主要通過對流傳遞至外殼，縱向溫度分布受導體熱傳導傳熱影響很小，且基本不受測點與過熱點軸向距離的影響。

從圖6可以看出，溫度線1從左至右溫度由26.56 ℃先升至26.82 ℃，隨后逐漸降至26.67 ℃；溫度線2從左至右溫度由26.39 ℃先升至26.7 ℃，隨后逐漸降至26.59 ℃。通過趨勢擬合表明溫度分布與測點距過熱點的軸向距離為一元二次函數關系。趨勢圖表明表面軸向溫度分布會受到內部導體傳導熱量的影響，但隨著測點與過熱點縱向距離的增大，曲線變得平緩，說明內部導體傳導熱量所占比例會逐漸減小。

由以上分析可知，GIS內部過熱會在外殼表面形成有規律的溫度分布，熱點位置也可通過外殼表面的溫度分布曲線進行有效判斷。

2.3 解體驗證

GIS母線筒體發熱源位置判斷為母線預留接地刀閘處，母線解體后，過熱位置與分析判斷結論一致。解體發現A相導體與觸頭座插接不到位，有1 mm多的間隙，將導體和觸頭座分離后，可以看到導體觸指上有燒蝕痕跡。

3 結論

通過對現場檢測發現的GIS設備內部導體連接不良的缺陷形成的GIS外殼表面溫度分布特性進行研究，得出如下結論。

a）GIS內部過熱與筒體表面溫度有一定的關聯特性，內部過熱在筒體表面將形成局部過熱區域，且最熱部分出現在筒體的上部。

b）內部過熱點在GIS母線筒體表面形成的縱向溫度分布為線性變化，其溫度分布從上至下為線性遞減，該分布特性基本不受測點與過熱點軸向距離的影響。內部熱點反映在GIS表面的軸向溫度分布與測點距過熱點的軸向距離為一元二次函數關系，且隨著測點與過熱點縱向距離的增大，其溫度變化區間會逐漸減小。

本文得出的GIS內部熱缺陷形成的筒體表面溫度分布特征，對于GIS內部發熱故障點位置的準確判定有一定的指導意義。