GIS母線艙位移形變成因與危害探究

閆麗娟,張興忠

（1.國網(wǎng)山西省電力公司朔州供電公司,山西 朔州 036002; 2.山西鴻順通科技有限公司,山西 太原 030024）

GIS母線艙位移形變成因與危害探究

閆麗娟1,張興忠2

（1.國網(wǎng)山西省電力公司朔州供電公司,山西 朔州 036002; 2.山西鴻順通科技有限公司,山西 太原 030024）

針對季節(jié)性溫差、晝夜溫差、日照輻射、突降暴雨、分合閘時電磁場等外部環(huán)境變化對母線艙位移形變的影響,研究了GIS母線艙位移形變的成因和危害,并通過估算和經(jīng)驗(yàn)判斷加以驗(yàn)證,表明上述環(huán)境變化達(dá)到一定閾值時,將使GIS母線艙發(fā)生位移形變、甚至損毀。該研究為制定母線艙位移形變監(jiān)測系統(tǒng)方案提供了指導(dǎo)。

GIS母線艙；位移形變；成因；危害

0 引言

近年來，隨著高壓、特高壓變電站的建成，氣體絕緣全封閉組合電器GIS（Gas Insulated Switchgear）設(shè)備以其獨(dú)特的優(yōu)勢，得到廣泛的應(yīng)用。母線艙作為GIS設(shè)備的重要組成部分，保證其安全穩(wěn)定運(yùn)行十分重要。由于GIS安裝在戶外，容易受到外界環(huán)境影響而發(fā)生位移形變，其變化的范圍和頻率超出設(shè)計要求后，會造成GIS母線艙漏氣、導(dǎo)電桿連接不良甚至設(shè)備損壞。根據(jù)文獻(xiàn)及現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，因外界環(huán)境影響造成母線艙位移形變，從而使GIS設(shè)備損壞的案例并非個案。目前國內(nèi)尚無較系統(tǒng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)來避免上述問題的發(fā)生，也無較完善的監(jiān)測系統(tǒng)，用于監(jiān)測母線艙的位移形變以及周圍環(huán)境情況。公開文獻(xiàn)中，僅對由四季溫差和晝夜溫差引起的母線艙位移形變有所研究。在實(shí)際運(yùn)行中，因?yàn)樘柋瘛⑼唤当┯?、分合閘瞬間等原因，也可造成母線艙位移形變。本文將初步探討和研究能夠引起母線艙位移形變的因素，并指出其可能造成的危害，為研究母線艙位移形變的檢測系統(tǒng)提供參考。

1 伸縮節(jié)和地腳在GIS中的應(yīng)用

1.1 伸縮節(jié)在GIS中的應(yīng)用

伸縮節(jié)安裝在兩節(jié)母線艙之間，其作用主要分為兩類，一類用于安裝調(diào)整；另一類用于補(bǔ)償運(yùn)行中引起的位移。目前我國規(guī)定GIS設(shè)備中必須安裝伸縮節(jié)， 但具體的量化計算和要求卻沒有明確規(guī)定，均由各廠家和用戶商定，因此其調(diào)節(jié)量、抗疲勞能力、應(yīng)變時間等不一定滿足現(xiàn)場使用要求。造成這種現(xiàn)象的主要原因是，母線艙位移形變的成因復(fù)雜多變，對其研究不夠深入，無法給出伸縮節(jié)設(shè)計要求和量化計算標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 地腳在GIS中的應(yīng)用

地腳是固定母線艙支架和地基的緊固器件，每隔一段距離（各廠家要求距離不同）布置一個，用于固定并支撐母線艙。地腳主要為L型和滑塊型，L型地腳與地基為鋼性固定，滑塊型可以相對地基發(fā)生微小位移。當(dāng)母線艙發(fā)生較大位移時，地腳會受到較大應(yīng)力，有可能破壞其結(jié)構(gòu)，降低使用壽命，甚至直接使地腳開裂。

2 成因及危害分析

母線艙發(fā)生位移形變的外部因素有很多，且為多因素耦合作用，其作用機(jī)理又與設(shè)計方案、設(shè)備材料等因素有關(guān)，很難量化研究。本節(jié)將列舉主要影響因素，單獨(dú)分析其成因及危害，并通過合理的估算和經(jīng)驗(yàn)判斷加以驗(yàn)證。本文用于估算的母線艙參數(shù)如表1所示。

表1 母線艙參數(shù)

2.1 季節(jié)性氣溫變化影響

我國多處于大陸性氣候地帶，氣溫年差較大，僅以大同地區(qū)為例，查閱天氣網(wǎng)大同市2月和7月的溫度變化(極值溫度出現(xiàn)在這2個月)如表2所示。由表2可知，近4 a大同市的最大氣溫年較差為60 ℃。

表2 大同市近年溫度的年較差情況 ℃

由熱漲冷縮公式d=α δTL可知，母線艙因熱漲冷縮引起的最大位移變化為d=2.3×10-5×60×7= 9.66 mm，其中，d表示位移，單位為mm；α表示物體熱膨脹系數(shù)，單位為℃；δT表示溫度差，單位為℃；L表示物體長度，單位為m。根據(jù)該公式可估算出地基的最大位移變化為4.2 mm。所以，母線艙和地基的相對位移最大為13.86 mm[1]，母線艙受到的線性應(yīng)力F = 7×104×9.66 = 6.7×105N，地腳受到的應(yīng)力F= 7×104×13.86 = 9.7×105N。當(dāng)多段母線艙拼接部署時，還會造成位移累積[2]，使應(yīng)力進(jìn)一步加大。

當(dāng)伸縮節(jié)不能補(bǔ)償位移變化時，母線艙轉(zhuǎn)角、焊縫以及結(jié)合處必將受到較大應(yīng)力，導(dǎo)致其機(jī)械強(qiáng)度下降、壽命減短，甚至開裂損毀，最終造成漏氣。地腳也將承受一定的應(yīng)力，用以抑制其與地基間的相對位移，長時間受力使地腳內(nèi)部機(jī)械強(qiáng)度下降、傾斜、彎曲或開裂，從而降低其支撐能力，最終使母線艙在自身重力和其他外力[3]作用下?lián)p壞。

2.2 晝夜溫差變化影響

我國大部分地區(qū)處于北溫帶的大陸性氣候區(qū)，晝夜溫差較大，以大同地區(qū)為例，查閱近年2月和7月晝夜溫差（溫差最值出現(xiàn)在這2個月），如表3所示，近3 a大同市的最大晝夜溫差為21℃。

表3 大同市近年的晝夜溫差情況 ℃

根據(jù)2.1中的估算方法可知，1 d內(nèi)母線艙因熱漲冷縮引起的最大位移變化為3.38 mm，母線艙與地基的最大相對位移為4.85 mm，因此1 d內(nèi)伸縮節(jié)需要調(diào)節(jié)3.38 mm，地腳要抑制母線艙和地基間發(fā)生4.85 mm的相對位移。

因?yàn)闇囟葞缀趺啃r都在變化，所以伸縮節(jié)和地腳的應(yīng)力變化頻率很高，因此長時間運(yùn)行后，可能因機(jī)械疲勞等原因降低其使用壽命。為提高伸縮節(jié)的響應(yīng)速度，伸縮節(jié)的彈力必須達(dá)到一定值，這又使得母線筒在發(fā)生位移時，時刻受到一定值的彈力作用，長期受力必將降低其使用壽命。

2.3 夏日受光面與背光面影響

夏日受陽光直射，鋁合金母線艙受光側(cè)會迅速升溫，背光側(cè)則升溫較慢，而在升溫過程中其傳導(dǎo)熱的速度不足以平衡母線艙兩側(cè)溫度，致使兩側(cè)膨脹量不同而使母線艙沿軸線發(fā)生扭曲，導(dǎo)致法蘭與母線艙錯位而漏氣。

對于夏日正午，受光側(cè)與背光側(cè)形變量做初步估算。在大部分條件下，太陽光照度和輻射度是比例關(guān)系，且比例關(guān)系約為10 000∶220[4],假設(shè)鋁合金母線艙對太陽輻射吸收系數(shù)為0.25（該值取決于母線艙的材質(zhì)和表面處理技術(shù)），則可計算得出結(jié)論：單位面積母線艙升高1℃需要能量約為47kJ，即需要2 400 lx的光照射1 h（其中l(wèi)x為照度單位）。光照強(qiáng)度如表4所示。由表4數(shù)據(jù)計算可知，晴天向陽側(cè)和背陰側(cè)母線艙溫差最大約37.5℃，由2.1計算公式可知，母線艙受光側(cè)和背光側(cè)的形變差，軸向?yàn)? mm，徑向?yàn)?.15 mm。

母線艙在吸收輻射熱的同時，不斷地進(jìn)行散熱和熱傳導(dǎo)，使得受光面和背光面的溫差小于計算值，但仍存在較大的形變差，且這個形變是緩慢發(fā)生的。母線艙長時間受到抑制該形變差的力作用，使艙體扭曲變形，焊縫和法蘭盤接口處開裂漏氣，絕緣強(qiáng)度下降，最終導(dǎo)致接地故障。對于陰天時，太陽熱輻射量較小，母線艙的散熱和傳導(dǎo)熱不可忽略，其受光面和背光面的溫差很小，因此強(qiáng)光照（熱輻射的作用）是母線艙發(fā)生扭曲的主要誘因之一。

表4 常見天氣光照強(qiáng)度表

2.4 太陽暴曬后突降暴雨影響

由2.3計算可知，夏日太陽暴曬下的母線艙溫度約70 ℃（假定環(huán)境溫度35 ℃），雨水溫度較環(huán)境溫度低0.8～1.6 ℃[5]。當(dāng)太陽暴曬使母線艙升溫到70 ℃后，突降水溫為34 ℃的暴雨，在持續(xù)雨水的沖刷下，母線艙溫度快速降低到34 ℃，溫度變化36 ℃。由2.1計算方法可知，母線艙軸向位移變化5.8 mm。因?yàn)榻禍氐乃俣群芸?，上述位移形變很劇烈，母線筒受到突變的較大應(yīng)力，伸縮節(jié)的響應(yīng)時間不足以調(diào)節(jié)，可能造成艙體焊縫拉裂、母線艙和法蘭盤間的密封墊拉裂變形等。急劇降溫也會造成母線艙和地基間受到較大的突變應(yīng)力作用，使地腳彎曲拉裂或固定螺栓松動，最終造成母線艙損壞。

2.5 分合閘過程強(qiáng)磁場影響

在分合閘過程中,電流在極短的時間內(nèi)變化,產(chǎn)生很大的磁場[6]，相鄰平行的2個母線艙將受到很大的作用力，使得母線艙發(fā)生位移或形變。在母線艙設(shè)計中，并沒有對任意方向做位移形變補(bǔ)償設(shè)計，所以在分合閘過程中，母線艙支撐點(diǎn)、焊縫處等關(guān)鍵部位，極易拉裂或變形，最終造成設(shè)備損壞。交變磁場還會在母線艙體上形成電流，該電流在流經(jīng)拉裂的焊縫處時會發(fā)熱，使焊縫處電阻增大，從而加大發(fā)熱量，如此往復(fù)作用，最終使母線艙損壞。

3 結(jié)束語

母線艙發(fā)生位移形變的成因有很多，主要分為外部環(huán)境和自身缺陷兩方面，外部環(huán)境主要由季節(jié)性溫度變化、晝夜溫差、太陽暴曬、降雨等導(dǎo)致的急速降溫、分合閘的強(qiáng)磁場作用力，以及風(fēng)載[7]、雪載等因素；自身缺陷主要由設(shè)計缺陷、安裝缺陷、材料缺陷、以及運(yùn)行過程中部件松動等原因。本文僅結(jié)合實(shí)際遇到的故障原因，通過估算和經(jīng)驗(yàn)判斷做出成因分析，為選取GIS母線艙位移形變監(jiān)測方案做準(zhǔn)備。

下一步，將結(jié)合本文對母線艙位移形變的成因探究結(jié)果，制定GIS組合電器母線艙環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測方案。通過實(shí)際監(jiān)測，驗(yàn)證母線艙位移形變成因和危害，并尋找多環(huán)境耦合影響下的位移形變規(guī)律，為GIS組合電器母線艙安全運(yùn)行提供指導(dǎo)意見。

[1] 張航.GIS波紋管不能吸收熱脹冷縮導(dǎo)致GIS漏氣的淺析[C].//重慶市電機(jī)工程學(xué)會.重慶市電機(jī)工程學(xué)會2010年學(xué)術(shù)會議論文集，2010:283-288.

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[7] 龐亞娟,馬天琛,趙曉明,等.GIS母線筒的風(fēng)致振動分析[J].黑龍江科技信息，2011（32）:26.

Research on the Causes and Hazards of GIS Busbar Compartment Displacement Deformation

YAN Lijuan1, ZHANG Xingzhong2

（1. State Grid Shuozhou Power Supply Company of SEPC, Shuozhou, Shanxi 036002, China; 2. Shanxi Hongshuntong Technology Co., Ltd., Taiyuan, Shanxi 030024, China）

Researches were done on the causes and hazards of GIS busbar compartment displacement deformation based on the influence from the changes of external environment such as seasonal temperature change, temperature difference between day and night, sunshine radiation, heavy rain, and the electromagnetic field changes when opening and closing the switch. By estimating and judging from experience, it is decided that when the change of the environment factors mentioned above reaches a certain threshold, GIS busbar compartment will produce deformation and even damage. This research will provide guidance for the scheme making of GIS busbar compartment displacement deformation monitoring system.

GIS busbar compartment; displacement deformation; cause; hazard

TM77

A

1671-0320（2016）04-0004-03

2016-01-11，

2016-04-18

國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目 （SGSXDTOOXTQT[2014]2640）

閆麗娟（1986），女，山西朔州人，2015年畢業(yè)于武漢大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)，助理工程師，從事設(shè)備檢測與狀態(tài)評價相關(guān)工作；

張興忠（1964），男，山西太原人，2000年畢業(yè)于太原理工大學(xué)計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)，工程碩士，從事設(shè)備檢測與狀態(tài)評價相關(guān)工作。