唐华俊
（贵州电网有限责任公司凯里供电局 贵州凯里 556000）
摘要：本文分析了GIS设备异常发热原因，利用红外检测技术比较了内部发热和外部发热红外成像特点，重点对GIS设备接头发热、罐体环流发热、涡流发热和外部因素引起发热原因、特点和规律进行了详细分析和总结。为运行和检修人员分析和诊断GIS设备故障提供了技术手段和方法。
关键词：红外检测、接头发热、罐体环流发热、涡流发热、外部因素引起发热
一、目的和意义
GIS将断路器、隔离开关等主设备封闭在一定压力下SF6绝缘气体的金属接地外壳内，主要用于电能汇集和分配。近年来，由于GIS设备具有占地面积小、维护率低等优点，已在国内电网运行系统中广泛应用。
但，GIS设备发热缺陷时有发生，且内部发热危害大于外部发热，已经严重影响电网的安全运行。经过多次现场事故案例分析，造成GIS发热原因主要有：
1、GIS设备接头接触不良；
2、操作过程中如果断路器、隔离开关分合闸不到位，位置标示显示错误，运行人员没有及时发现，运行后宜造成异常放电和事故发生；
3、施工工艺不达标，造成外壳法兰连接螺栓、专用短接联片等异常发热；
4、外壳选材不当，使用导磁率高的钢材。
目前，GIS设备发热检测通常采用在线监测、SF6气体组分、局放测试和红外检测等方法。在线监测、SF6气体组分、局放测试法主要适用于检测内部发热问题，红外检测对GIS设备内外发热均可判断。
1、在线监测法是通过在GIS罐体内介入温度传感器，将罐体内温度传入在线监测系统进行检测和预警。但可能引起GIS设备SF6泄漏，绝缘强度下降，存在较大安全隐患，难以实用化。
2、SF6气体组分法是根据SF6分解速率和HF、SO2、SOF2等产物判断GIS设备是否存在异常情况。但SF6气体具有较强稳定性，500℃以内保持较高化学稳定性，仅接触不良引起异常发热并不能使SF6气体分解，故此方法不能准确判断GIS设备内部故。
3、局放测试法：设备内部中的金属微粒、粉末和水分等导电性杂质是引发GIS等设备故障的原因，由于局部放电产生电磁波，通过局放测试仪检测定位故障位置，该测试方法需要专业检修人员进行检测，目前主要是通过测温发现异常后，再通过该方法确认。
4、红外检测技术是通过检测物体温度高于绝对温度零度（-273.15度），具有发射红外光线特点，不同温度物体辐射出的红外线经红外热探测器吸收，产生温度变化，从而产生电效应，电信号再经放大和处理，形成与物体表面热分布相对应热像图。红外检测技术具有成像直观，对各种发热情况有较高的灵敏度，检测时可远离带电设备，安全性高等特点。
GIS设备处于密闭条件，发热问题比敞开式设备难发现难诊断，不同发热情况具有不同特点。因此，准确判断GIS 设备发热缺陷，选择发热检测方法对采取针对性技术解决方案具有十分重要的意义。
二、GIS设备内部发热和外部发热特点比较
GIS设备内部发热危害大于外部发热，例如断路器、隔离开关和接地刀闸刀口分合不到位，异常放电，可能会引起刀口烧熔，产生电弧，如果烧落物掉在外壳引起短路跳闸，隔离故障，如果刀口没有脱落持续放电，保护不能动作，最终引起爆炸。
导磁率较高GIS钢外壳是引起外部发热重要原因，因此在设备选择上可选用导磁率低的合金材料，不仅可以降低感应电流，同时可以降低感应电压。
1、GIS内部发热特点：
①内部发热主要是接头发热，集中分布在导体连接处、断路器和隔离开关动静触头处等部位；
②发热点正上方外壳温度明显高于下方温度，并发热点正上方外壳温度向四周温度递减；
③温差越大，设备故障越严重；
④内部发热外壳热辐射面积大。
2、GIS外部发热特点：
①主要发生在分相式GIS设备外壳导流连接片和法兰固定螺栓等位置；
②发热部位面积小，发热点明显高于其他部位，现场检测方便；
③外壳发热与外壳材料有较大关系，导磁率高材料越容易发热；
④根据热效应公式和电磁感应原理，可见发热点热效应与回路负荷成正平方关系。
三、GIS设备典型发热故障分析与红外检测技术应用
GIS设备典型发热主要有接头发热、罐体环流发热、涡流发热和外部因素引起发热等情况，其中接头接触不良发热属于内部异常发热，其他三项是外壳发热，内部发热检测难度大、危害大，不及时处理，易引发事故。以下对上述典型发热特点进行分析：
1、GIS内部接头发热特点及分析
接触不良或者刀口分合不到位异常放电是接头发热主要原因。
GIS内部接头发热主要通过SF6液体对流、热传导、热辐射向罐体外壳传播。SF6气体具有较强绝缘性能，通常作为GIS罐体绝缘材料。SF6导热性能不如空气好，对流传热能力比空气强，因此接头发热主要通过对流方式将热量传递到罐体外壳，再通过热传导、热辐射向空气辐射；因此GIS设备接头发热呈现发热相高于非发热相，发热点正上方高于非发热相10K左右特点。
案例分析1
某变电站红外测温发现某线线路侧隔离开关及CT气室最高温度为48℃，正常点温度32℃、环境温度30℃，相对温差为88.89%。
图1 GIS线路隔离开关及CT气室异常发热
检查流程：
测回路电阻和绝缘电阻无异常，检查发现开关控制屏内CT备用绕组4S端子排1D37:TA4A-S3、1D38:TA4B-S3、1D39:TA4C-S3端子内侧有放电痕迹，1D38:TA4B-S3端子连接片CT内部回路侧螺丝松动，在运行过程中有持续跳火，使4S绕组二次回路反复通断、电压升高引起铁芯饱和、并产生奇变尖顶波，从而引起4S绕组铁芯发热。经停电处理后，再进行测温无异常。
结论：
红外成像特点是发热点上层温度高于下层温度，且上层温度向四周递减，可大致可判断是内部故障。
案例分析2
某变电站进行红外检测发现110kVGIS母线异常发热，最高温度为29.2°，最低温度为22.3°，温差为6.9°。
图2 某站110kVGIS母线异常发热
首先，用超高频局放测试仪和超声局放测试仪对发热区域的母线进行了GIS局放测试，均没有测到局放信号。对发热区域的母线发热气室的气体成分进行了测量，也未见异常。
其次，对连接法兰间的导流板进行检查，使用钳流表检测导流板的电流情况，确保与壳体接触良好。
第三，采用红外检测法对发热点进行红外测温，发热部位的位置及温度并没有明显改变。进行回路电阻检测结果为： A相--181μΩ；B相--超量程；C相--161μΩ
解体检查发现插接侧的母线导体，触座与气隔盆子的紧固螺栓存在烧蚀情况，其中一个螺栓完成松动，B相触座与A、C相触座相比存在明显的导体变色与发热现象，B相导体和触座上梅花触指插接部位的镀银层有发黑情况。
该接头发热的原因是由于对接面紧固螺栓松动，造成局部接触不良，随着母线流过负荷电流，该接触不良部位温度异常的上升发热，接触面氧化范围逐渐扩大，氧化后接触电阻增大，设备发热更严重，形成恶性循环，最终会导致内部短路故障。
2、罐体环流发热特点及分析：
GIS设备分为三相共箱式和分相式，现场多采用分相式。《导体和电器选择设计规范》规定为了防电击，要求GIS设备外壳、构架等电气相互连接并应多点接地。正常工作条件下，三相共箱式罐体内流过电流, 则磁动势，罐体接地后外壳漏磁很小，感应电动势较小，感应电流也较小，所以三相共箱式罐体一般不考虑感应电流温升影响。短路情况，三相共箱式罐体内流过电流虽，可在外壳产生一定感应电流，但保护动作时间较短，热效应不明显。
分相式GIS罐体采用导磁率较高钢材，罐体内流过的电流等于相电流，则磁动势，再根据欧姆定律,由于GIS外壳电阻较小，则可产生较大感应电流，经现场实测感应电流为相电流70%左右，为了降低接地电流，通常采用外壳三相短接后再接地。施工过程中，施工人员现场安装时没有处理好短接排，造成分相式GIS外壳法兰跨接片、导流杆和外壳三相短接排接触不良，引起发热，发热点温度明显高于非发热点。
案例分析3:
某变电站红外测温，发现GIS外壳法兰跨接片和连接螺栓两处最高为110.8度，最低温度为31.4度，温差达79.4度。
图2 GIS外壳法兰跨接片和连接螺栓
采用红外检测法对发热点进行红外测温，红外成像温度较集中，现场检查发现法兰跨接片和连接螺栓连接不牢固，环流测量为478A，经处理后发热消失。
3、涡流发热特点及分析：
根据电磁感应定律，变化电流可产生变化磁场， GIS外壳产生感应电动势，形成涡流，在分相式GIS钢罐体设备转弯处下端或者三相共相钢罐体套管出线处磁场较为集中，涡流损耗增大，温度相对较高，一般高于其他部位温度。
实例分析4：
某变电站红外测温，发现GIS罐体套管出线处温差大12.6度，大于反措温差不超过2度要求。
图3 GIS罐体套管出线处发热
经取样检测SF6气体，显示正常，局放测试无异常，跟踪测温发现温度随负荷变化。该罐体为三相共相钢结构，GIS罐体套管出线处磁场较为集中，损耗较大，则温度较高，可判断此处发热是涡流引起。
4、外部因素引起发热特点及分析
①日照：受日照影响，GIS外壳向阳面吸收太阳能较多，向阳面高于背阳面温度。
②GIS设备周围有较大发热体，由于热辐射原因，GIS外壳距离热辐射源近，地方温度相对较高。
③风速影响：经现场测温发现在无风情况下，内部发热时，热点温度比外壳温度高50-70K，风较大时温差更大。当内部温度达到100K温升时，外壳发热比室外温度仅高几K。
④湿度影响：湿度较大情况，红外线从发热体到测试设备过程中，被空气吸收，湿度越大，吸收越多。
四、结束语
通过上述分析与研究，红外测温技术对电网设备进行测温，发现设备异常情况是一项有效技术。敞开式设备异常发热易检测、易发现和易判断，但GIS设备异常发热不宜发现且难判断，其主要原因是1、GIS设备不同发热情况红外成像具有不同特点，分析难度大，需要具备一定理论知识和工作经验；2、近几年GIS才逐步进入电网，红外检测在GIS设备故障检测技术运用研究较少，没有形成系统有效分析方法，造成实际工作中认为红外测温技术对GIS设备异常发热诊断不可靠假象。可见，为了提高红外测温技术对GIS设备异常发热诊断准确度，在实际工作中，收集和分析不同发热案例，不断总结不同发热规律及红外成像特点，同时借助局放等其他技术配合诊断。
论文作者:唐华俊
论文发表刊物:《电力设备》2016年第9期
论文发表时间:2016/7/1
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