气体绝缘金属封闭组合电器设备内部热缺陷关联表面温度分布特性分析

段尚祥

（国网山西省电力公司晋中供电公司，山西 晋中 030600）

0 引言

目前，对气体绝缘金属封闭组合电器GIS（gas insulated switchgear）设备带电检测的方法主要有局部放电类和图像分析类2种，红外检测作为一种直观有效的手段，也在GIS设备的缺陷检测中逐步得到应用[1]。文献[2]研究了SF6气体对红外光的吸收及GIS筒表面发射率对测温的影响，并设计了一种内置式的隔离开关触头红外测温传感器，提高了触头发热检测的准确度，但在实际应用中存在投资高，且现有设备改造难度大的缺陷。文献[3]采用数值计算分析了多组分气体热传输数学模型，为准确计算GIS设备内部温度提供了指导。文献[4]主要研究了屏蔽罩对温度检测的影响。文献[5-6]对GIS内部触头接触不良发热进行了研究，但均未对GIS内部发热在外部筒体上呈现的特征进行研究。本文通过对实际检测到的GIS发热缺陷进行解体验证分析，对GIS内部热缺陷呈现的轴向和纵向表面温度分布特性进行了研究。

1 GIS母线发热缺陷

1.1 检测数据

检测人员在某站红外检测中发现，站内110 kVⅡ母1-62气室母线筒温度分布异常，异常发热母线筒为Ⅱ母的一个气室，该母线上有7回进出线。发热段母线筒中间布置有第4回出线和1号主变压器（以下简称“主变”）。其中，1号主变仅连接Ⅰ母，与Ⅱ母发热无关，发热段在此回出线两侧负荷分布不同。

结合发热段母线实际布置情况，可得出Ⅱ母上异常发热部位与潮流分布如图1所示，发热部位位于图1中2个气隔盆之间。

图1 Ⅱ母异常发热与潮流分布示意图

检测发现该母线筒异常发热后，检测人员重点针对110 kV Ⅱ母1-62气室母线筒进行了超声局部放电（以下简称“局放”）检测，对异常发热气室的2个气隔盆及通气盆进行了特高频局放检测和红外检漏，均未发现异常。检测人员对该气室进行了SF6气体湿度和气体成分检测，检测结果显示，气室压力0.42 MPa，气体湿度换算至20 ℃时为0.097μL/L，SO2和H2S检测为0 μL/L，CO为5.9 μL/L。

1.2 母线筒发热分布

通过对检测到的异常发热母线红外图谱进行分析，发热母线段为一个独立的气室，轴向温度最高点在母线预留接地刀闸处，从发热段母线红外图绘制的母线轴向温度分布（如图2所示）可以看出，母线发热图大致分3个区域。一段为通气盆至第4回出线侧气隔盆（图1中气隔盆2），二段为通气盆至母线地刀侧气隔盆（图1中气隔盆1），三段为母线地刀侧气隔盆至正常温度母线，此段热量传递受气隔盆影响温度较低。从以上分析可知，异常母线的发热源为图中的二段区域，即通气盆至母线地刀侧气隔盆段母线，且靠近预留接地刀闸处。

图2 发热母线温度分布图

确定预留母线地刀处为发热温度最高点位置后，对该位置进行了3次不同时间段检测，发现最高点温度与负荷正相关，发热段母线负荷可通过Ⅱ母上的进出线计算求出，第4回出线两侧母线电流不同，温度最高点处于气隔盆1与第四回出线之间，这段母线的负荷电流与对应最高温度如表1所示。

表1 Ⅱ母最高温度点与对应负荷电流

2 GIS内部热缺陷表面温度分布特性

2.1 母线筒过热原因分析

从发热段母线的超声、特高频局放及气体成分检测结果可知，异常发热母线不存在内部局部放电。发热母线筒温度与负荷相关，且随负荷增加温升增加，进一步表明母线筒异常温度升高的根本原因不是内部放电引起。同时，对于三相共箱母线来说，对外壳耦合的磁场为零，因此也可排除外壳感应电势引起的电流致热。

此外，从母线筒整个气室温升看，缺陷导致的发热量很大；以绝缘盆为分界的三段式发热特征表明热量主要由SF6气体对流传递，基本可以判断发热为内部连接不良引起。从图2的温度分布和表1的温度变化来分析，轴向温度最高点在预留接地刀闸处，纵向温度最高点在刀闸的顶部附近，依据气体传热的特征可判断发热部位为内部预留刀闸位置连接不良发热。

母线筒体发热源位置判断为母线预留接地刀闸处，接地刀闸处母线的内部结构如图3所示。

图3 母线发热部位内部结构示意图

从图3可以看出，发热点处有电连接，电连接连接3个导体，一端引出连到接地刀闸，其余两端连接母线导体，连接母线导体的接头连接不良，就会引起连接处发热增加，进而通过导体、SF6气体传递到设备外壳上，引起气室壳体表面温度升高。

2.2 内部过热关联表面温度特性分析

GIS设备内部热缺陷会引起母线筒体表面温度分布异常，相比外部热缺陷而言，其热点位置、传热途径和传热方式更复杂。本文结合内部过热的上述特点和外壳表面温度对内部过热特性进行相关分析研究。

该GIS母线发热的外壳温度分布可以通过轴向和纵向2个维度进行分析，本文将温升较高的母线取出单独研究，即图2中的第二段部分，将红外平面图像的红外温度信息分别按轴向和纵向提取出来，规定轴向为水平导体方向，纵向为垂直于水平导体的方向，过热点和温度测点位置如图4所示。

图4 Ⅱ段母线红外图中测点位置示意图

GIS母线筒体表面温度变化曲线如图5、图6所示。图5、图6中的波浪线为实测温度值，图5中的直线为温度分布性拟合值，图6中的直线为温度分布一元二次函数拟合值。

图5 GIS母线表面纵向温度分布及趋势拟合图

图6 GIS母线表面轴向温度分布及趋势拟合图

内部过热点热量传递一部分主要通过母线导体沿轴向传递，由于导体同时也是良好的热导体，传递热量大，根据传热定律，内部导体温升随着离开故障点距离的增加按指数规律衰减。而热量从内部传递至外壳表面，主要是通过内部SF6气体对流传热，SF6气体对流散热系数是空气的2.5倍，很小部分通过绝缘材料和气体传导出去。由于绝缘物和气体热传导率很低，研究分析中可以仅考虑气体对流传热，对流散热引起温升随距离增加为线性衰减。GIS内部过热点通过对流使热点附近气体升温，受热气体向上流动与GIS筒体接触传导热量后，再沿着筒体内壁向下流动，从筒体底部循环至过热点。GIS筒内壁受热后，热量继续传导至外表面，内外壁是金属传导，热温差不大。

从图5可以看出，温度线1'从上至下温度由27.53 ℃线性降至25.32 ℃；温度线2'从上至下温度由27.52 ℃线性降至25.39 ℃，其温度分布从上至下为线性递减，内部过热点在母线筒体表面纵向温度分布与线性拟合曲线吻合。这也表明热量主要通过对流传递至外壳，纵向温度分布受导体热传导传热影响很小，且基本不受测点与过热点轴向距离的影响。

从图6可以看出，温度线1从左至右温度由26.56 ℃先升至26.82 ℃，随后逐渐降至26.67 ℃；温度线2从左至右温度由26.39 ℃先升至26.7 ℃，随后逐渐降至26.59 ℃。通过趋势拟合表明温度分布与测点距过热点的轴向距离为一元二次函数关系。趋势图表明表面轴向温度分布会受到内部导体传导热量的影响，但随着测点与过热点纵向距离的增大，曲线变得平缓，说明内部导体传导热量所占比例会逐渐减小。

由以上分析可知，GIS内部过热会在外壳表面形成有规律的温度分布，热点位置也可通过外壳表面的温度分布曲线进行有效判断。

2.3 解体验证

GIS母线筒体发热源位置判断为母线预留接地刀闸处，母线解体后，过热位置与分析判断结论一致。解体发现A相导体与触头座插接不到位，有1 mm多的间隙，将导体和触头座分离后，可以看到导体触指上有烧蚀痕迹。

3 结论

通过对现场检测发现的GIS设备内部导体连接不良的缺陷形成的GIS外壳表面温度分布特性进行研究，得出如下结论。

a）GIS内部过热与筒体表面温度有一定的关联特性，内部过热在筒体表面将形成局部过热区域，且最热部分出现在筒体的上部。

b）内部过热点在GIS母线筒体表面形成的纵向温度分布为线性变化，其温度分布从上至下为线性递减，该分布特性基本不受测点与过热点轴向距离的影响。内部热点反映在GIS表面的轴向温度分布与测点距过热点的轴向距离为一元二次函数关系，且随着测点与过热点纵向距离的增大，其温度变化区间会逐渐减小。

本文得出的GIS内部热缺陷形成的筒体表面温度分布特征，对于GIS内部发热故障点位置的准确判定有一定的指导意义。