GIS 母線導(dǎo)體設(shè)計(jì)活動(dòng)裕度不足引起的異常分析及處理

馬永福，杜 航，包正紅，張 爍張豐麗，李文廣，伊國(guó)鑫，王子樂(lè)

（1.國(guó)網(wǎng)青海省電力公司電力科學(xué)研究院，青海 西寧 810008 2.國(guó)網(wǎng)青海省電力公司超高壓公司，青海 西寧 810021）

0 引言

戶外大溫差運(yùn)行環(huán)境下，氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)（Gas Insulated Switchgear，GIS）設(shè)備殼體和導(dǎo)體的活動(dòng)裕度是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要點(diǎn)之一，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理、現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝管控不良等因素都會(huì)引起設(shè)備異常甚至發(fā)生故障[1-2]。由于GIS 導(dǎo)體全部被封裝在金屬外殼內(nèi)，常規(guī)檢測(cè)手段難以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷，X 射線技術(shù)提供了較好的檢測(cè)手段，可在帶電條件下開(kāi)展工作，是常用的現(xiàn)場(chǎng)可視化檢測(cè)方法[3-5]。

1 異常事件描述

1.1 漏裝限位螺釘

某330 kV 變電站戶外式110 kV GIS Ⅱ段母線A 相電壓出現(xiàn)異常波動(dòng)，巡視發(fā)現(xiàn)母線電壓互感器附近存在異音，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)Ⅱ母2 氣室特征氣體組分超標(biāo)，表明內(nèi)部存在放電。解體檢查發(fā)現(xiàn)母線與電壓互感器間隔三通位置，A 相導(dǎo)體插入T 型觸頭座深度嚴(yán)重不足（A 相插入約2 cm，正常插入深度約為8 cm），導(dǎo)體端部?jī)H與觸頭座內(nèi)最外圈觸指彈簧接觸，接觸部位導(dǎo)體及其彈簧圈均已被燒蝕變黑，導(dǎo)體端部表面存在與觸指彈簧對(duì)應(yīng)的半圈凹痕，如圖1 和圖2所示。

圖1 導(dǎo)體端部燒蝕情況及凹痕

圖2 T 型觸頭座內(nèi)燒蝕情況

該結(jié)構(gòu)母線導(dǎo)體兩側(cè)觸頭座內(nèi)均設(shè)計(jì)有限位螺釘，用來(lái)限制導(dǎo)體在觸頭座內(nèi)的活動(dòng)范圍，確保導(dǎo)體與兩側(cè)觸指彈簧可靠接觸。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)該段導(dǎo)體靠近盆式絕緣子側(cè)觸頭座內(nèi)的螺釘未安裝，導(dǎo)體在該側(cè)觸頭座內(nèi)插入過(guò)深（約12.5 cm），超過(guò)了設(shè)計(jì)極限位置，如圖3 所示。現(xiàn)場(chǎng)采取更換被燒蝕導(dǎo)體和觸頭座、重新安裝盆式絕緣子側(cè)觸頭座限位螺釘?shù)拇胧┻M(jìn)行了緊急搶修并恢復(fù)供電。

圖3 Ⅱ母2 氣室A 相導(dǎo)體結(jié)構(gòu)圖

1.2 限位螺釘被擠壓變形

為了掌握母線其它位置的運(yùn)行情況，對(duì)站內(nèi)同廠家、同型號(hào)母線進(jìn)行了X 射線檢測(cè)，具體情況如下。

對(duì)結(jié)構(gòu)與Ⅱ母2 氣室相似的Ⅳ母2 氣室相同位置進(jìn)行了射線檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)B 相導(dǎo)體插接情況與Ⅱ母2 氣室A 相導(dǎo)體基本一致，即靠近盆式絕緣子側(cè)觸頭座內(nèi)未安裝限位螺釘，導(dǎo)體在盆子側(cè)觸頭內(nèi)插入過(guò)深，在T 型觸頭座內(nèi)插接深度不足，如圖4所示。

圖4 Ⅳ母2 氣室B 相導(dǎo)體兩側(cè)插接情況射線影像

在對(duì)其它位置進(jìn)行射線檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分觸頭座內(nèi)雖然安裝有限位螺釘，但是螺釘被導(dǎo)體不同程度擠壓變形，其中包括兩側(cè)限位螺釘同時(shí)被同一段導(dǎo)體擠壓變形的極限情況，如圖5所示（圖所示C 相2 段導(dǎo)體）。此種情況的出現(xiàn)，表明導(dǎo)體在兩顆螺釘之間已無(wú)活動(dòng)間隙，如果繼續(xù)發(fā)展，導(dǎo)體和殼體熱脹冷縮產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)通過(guò)螺釘－觸頭座－導(dǎo)體的路徑作用到T 型觸頭座上部的電壓互感器間隔水平盆式絕緣子以及氣室兩端的豎直盆式絕緣子上，極易造成盆式絕緣子出現(xiàn)裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備故障，因此必須予以分析和處理。

圖5 Ⅳ母2 氣室C 相2 段導(dǎo)體兩側(cè)插接情況射線影像

2 螺釘變形原因分析

Ⅱ母2 氣室A 相導(dǎo)體和Ⅳ母2 氣室B 相導(dǎo)體盆子側(cè)觸頭座內(nèi)限位螺釘缺失是由于基建安裝階段人為漏裝造成，在此不做贅述，本章節(jié)重點(diǎn)對(duì)Ⅳ母2 氣室C 相2 段導(dǎo)體等兩側(cè)均出現(xiàn)螺釘變形的現(xiàn)象進(jìn)行分析。

2.1 設(shè)計(jì)活動(dòng)裕度

根據(jù)設(shè)計(jì)，Ⅳ母2 氣室C 相2 段導(dǎo)體兩側(cè)限位螺釘孔距為1 980 mm，導(dǎo)體長(zhǎng)度為1 970 mm，不安裝螺釘時(shí)導(dǎo)體在兩螺釘孔間的活動(dòng)裕度為10 mm，考慮所用螺釘規(guī)格為M6（即螺桿部分直徑為6 mm），當(dāng)導(dǎo)體插入兩側(cè)觸頭座并且兩側(cè)螺釘全部安裝后，單側(cè)螺釘占據(jù)活動(dòng)裕度為其半徑3 mm，兩側(cè)螺釘共占據(jù)6 mm，因此導(dǎo)體在兩側(cè)螺釘間的設(shè)計(jì)活動(dòng)裕度僅余4 mm，如圖6所示。

圖6 Ⅳ母2 氣室C 相2 段導(dǎo)體設(shè)計(jì)活動(dòng)裕度

2.2 極限加工相對(duì)誤差

根據(jù)廠家內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)體允許加工誤差為±1 mm，單件殼體設(shè)計(jì)誤差為±0.5 mm，Ⅳ母2 氣室C 相2 段導(dǎo)體所在兩間隔之間共包含3 段筒體和1 段波紋管，在進(jìn)行金屬件極限加工誤差計(jì)算時(shí)：（1）螺釘孔在觸頭座上、觸頭座與殼體硬連接，假定此區(qū)間殼體全部是長(zhǎng)度下差，即螺釘孔距由1 980 mm 減小為1 978 mm；（2）假定導(dǎo)體是長(zhǎng)度上差，即導(dǎo)體長(zhǎng)度由1 970 mm增長(zhǎng)為1 971 mm。可以得到金屬件極限加工相對(duì)誤差為3 mm，此相對(duì)誤差會(huì)占據(jù)4 mm 的設(shè)計(jì)活動(dòng)裕度。

2.3 導(dǎo)體極限伸長(zhǎng)量

該GIS 設(shè)備導(dǎo)體和殼體材質(zhì)均為鋁合金，在溫度發(fā)生變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱脹冷縮，殼體熱脹冷縮量由波紋管吸收或釋放，導(dǎo)體則由限位螺釘間的活動(dòng)裕度吸收或釋放，造成導(dǎo)體溫度變化的主要因素包括環(huán)境溫度和自身電流致熱兩種。結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件，在進(jìn)行導(dǎo)體極限伸長(zhǎng)量計(jì)算時(shí)，取安裝溫度T0為0 ℃，最高氣溫Tmax為32 ℃，日照導(dǎo)致殼體向陽(yáng)面溫升T1為10 K，額定電流下導(dǎo)體溫升T2約為18 K，則根據(jù)線性膨脹計(jì)算方法得到：

式中，Lmax為導(dǎo)體極限伸長(zhǎng)量，mm；L為導(dǎo)體設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，取1 970 mm；α為線性膨脹系數(shù)，鋁合金取22.3×10-6m/K。

計(jì)算得到導(dǎo)體極限伸長(zhǎng)量Lmax為2.64 mm。

2.4 原因分析

根據(jù)上述計(jì)算可知，導(dǎo)體和殼體的極限加工相對(duì)誤差為3 mm，導(dǎo)體溫度升高時(shí)的極限伸長(zhǎng)量為2.64 mm，為了保證同一段導(dǎo)體不會(huì)同時(shí)碰到兩側(cè)螺釘，則導(dǎo)體在兩側(cè)限位螺釘間的設(shè)計(jì)活動(dòng)裕度至少應(yīng)為5.64 mm，而實(shí)際設(shè)計(jì)值僅有4 mm，因此導(dǎo)體在加工誤差、熱脹冷縮、電動(dòng)力等因素綜合影響下必將兩側(cè)螺釘擠壓變形。

3 改進(jìn)措施

造成限位螺釘被擠壓變形以及異常運(yùn)行事件的主要原因是導(dǎo)體設(shè)計(jì)活動(dòng)裕度不足和人為漏裝螺釘，因此進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)時(shí)應(yīng)遵循以下原則：（1）導(dǎo)體與兩側(cè)限位裝置之間必須預(yù)留不小于5.64 mm 的充足活動(dòng)裕度，同時(shí)要保證極限情況下導(dǎo)體一端緊靠限位裝置時(shí)，另一端與三圈觸指彈簧有效連接；（2）現(xiàn)場(chǎng)安裝人員技術(shù)水平參差不齊，應(yīng)盡量從設(shè)計(jì)角度避免安裝可能出現(xiàn)的問(wèn)題；（3）盡量減小改進(jìn)治理成本。

綜合上述三個(gè)改進(jìn)原則，提出以下改進(jìn)措施：（1）增大導(dǎo)體兩側(cè)限位裝置之間的間距，由原設(shè)計(jì)的1 970 mm 增大為1 980 mm，導(dǎo)體與兩側(cè)限位裝置之間的活動(dòng)裕度由原設(shè)計(jì)的4 mm增大為14 mm，滿足大于等于5.64 mm 要求，同時(shí)當(dāng)導(dǎo)體一端緊靠限位裝置時(shí)另一端與三圈觸指彈簧緊密連接；（2）取消靠額外加裝限位螺釘限制導(dǎo)體活動(dòng)范圍的結(jié)構(gòu)，觸頭座內(nèi)限位裝置改為變徑臺(tái)階式鑄鋁結(jié)構(gòu)，鑄鋁臺(tái)階厚度為16 mm，在滿足限位需求的同時(shí)可徹底避免漏裝、掉落以及變形風(fēng)險(xiǎn)；（3）僅改變觸頭結(jié)構(gòu)，無(wú)需改變導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，改造成本較低。改進(jìn)后結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖7 所示。隨后根據(jù)此設(shè)計(jì)圖進(jìn)行了組部件生產(chǎn)及現(xiàn)場(chǎng)安裝工作，Ⅱ母和Ⅳ母整體改造后持續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖7 改進(jìn)后T 型觸頭結(jié)構(gòu)及尺寸

4 結(jié)論

1）造成Ⅱ母A 相電壓波動(dòng)、2 氣室異音和氣體組分異常的原因?yàn)橛|頭座內(nèi)漏裝限位螺釘，導(dǎo)體在漏裝螺釘側(cè)插入過(guò)深，而在對(duì)側(cè)與觸指彈簧虛接產(chǎn)生發(fā)熱和放電。

2）X 射線檢測(cè)發(fā)現(xiàn)Ⅳ母2 氣室C 相2 段導(dǎo)體兩側(cè)限位螺釘均被導(dǎo)體擠壓變形，其原因?yàn)閷?dǎo)體在兩側(cè)限位螺釘間的設(shè)計(jì)活動(dòng)裕度不足。

3）根據(jù)母線實(shí)際運(yùn)行條件計(jì)算出了合理的導(dǎo)體活動(dòng)裕度、將觸頭座限位裝置改為變徑臺(tái)階式鑄鋁結(jié)構(gòu)，使得導(dǎo)體在擁有充足、安全的活動(dòng)裕度的同時(shí)避免了螺釘漏裝等風(fēng)險(xiǎn)。

4）對(duì)存在隱患的Ⅱ母和Ⅳ母進(jìn)行了全面改造，改造方式經(jīng)濟(jì)，改造效果顯著，印證了改進(jìn)措施的合理性。

5 建議

1）GIS 設(shè)備生產(chǎn)廠家應(yīng)結(jié)合實(shí)際運(yùn)行條件進(jìn)行差異化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，特別是大溫差環(huán)境下戶外式GIS 母線的設(shè)計(jì)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際氣象數(shù)據(jù)經(jīng)充分計(jì)算、論證后確定結(jié)構(gòu)及尺寸，確保導(dǎo)體活動(dòng)裕度合理、導(dǎo)體運(yùn)行安全。

2）廠家在設(shè)計(jì)母線及其他產(chǎn)品時(shí)，應(yīng)盡量從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上避免各類(lèi)隱患和風(fēng)險(xiǎn)，把質(zhì)控關(guān)口前移到設(shè)計(jì)階段，減少對(duì)安裝人員的依賴，確無(wú)法避免的應(yīng)做好安裝現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量管理。

3）設(shè)備運(yùn)維管理單位提前介入產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作，做好產(chǎn)品運(yùn)行適應(yīng)性溝通；安裝階段需要加強(qiáng)技術(shù)監(jiān)督，確保每一顆螺釘安裝到位并做好記錄。

4）對(duì)在運(yùn)同型號(hào)、同結(jié)構(gòu)產(chǎn)品進(jìn)行全面X射線排查，出現(xiàn)上述問(wèn)題時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行改造處理，第一時(shí)間消除安全隱患。