可伸縮式GIS設(shè)備套管支撐研究

薛景天

（江蘇省送變電有限公司，江蘇 南京 210000）

在設(shè)備日常運行維護中，通過觀察水平尺氣泡，判斷地基變化情況，當(dāng)?shù)鼗鶢顟B(tài)發(fā)生變化時通過調(diào)節(jié)可伸縮式支撐，便可使出線套管處于良好的水平狀態(tài)，從而保證GIS設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。

1 套管結(jié)構(gòu)分析

套管結(jié)構(gòu)主要是由空心復(fù)合絕緣子、上均壓環(huán)、下均壓環(huán)、中心導(dǎo)體、中間屏蔽、接地屏蔽、絕緣支撐棒、絕緣支撐筒、盆式絕緣子和塔形筒等組成，其中上下均壓環(huán)主要是改善套管的電場，在實際的應(yīng)用過程中所使用的高壓復(fù)合套管主要是采用了中間屏蔽和接地屏蔽兩種屏蔽方式，但是不論是哪種屏蔽方法，都會對實際的電力系統(tǒng)運行產(chǎn)生一定的影響。復(fù)合套管內(nèi)使用的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是根據(jù)現(xiàn)場實際情況，考慮到GIS套管的各項參數(shù)數(shù)據(jù)計算得到的。在特高壓狀態(tài)下的運行的交流套管，其在沖擊電流下的內(nèi)屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計，更是需要相當(dāng)?shù)募夹g(shù)含量。對于特高壓而言，極高的運行電壓，導(dǎo)致了極高的運行電流，其對絕緣的要求相當(dāng)高，因此設(shè)計師就在一定程度上提高了高壓交流復(fù)合套管的絕緣性。但實踐的運行過程中，也要考慮其他因素對運行的影響，要保證整個運行是科學(xué)合理的，不受其他外部因素的影響，確保復(fù)合套管能夠在高壓下正常運行。與此同時，為了保證絕緣強度還會在相應(yīng)的位置設(shè)置一定的絕緣距離。

一般情況下，在大電流的作用下，為保證絕緣效果和安全距離，復(fù)合套管設(shè)計高度必須要達到十幾米，整項工作相對來說比較困難，就對設(shè)計師的水平存在一定要求。GIS復(fù)合套管主要的絕緣介質(zhì)為SF6氣體，內(nèi)部也是金屬屏蔽結(jié)構(gòu)，同時擁有多個支撐絕緣子，有很好的穩(wěn)定性。還會在套管外部安裝環(huán)氧玻璃絲來提高絕緣性，在外面也安裝一層硅橡膠，充分保證電流能通過中心導(dǎo)桿傳入系統(tǒng)當(dāng)中，也會在套管的底部安裝均壓環(huán)來防止各項電壓不穩(wěn)的情況發(fā)生。單從電場計算來看，會對套管使用三維模型建模，可以準(zhǔn)確的計算內(nèi)屏蔽的各處電場，還能優(yōu)化附近網(wǎng)格，算是在建模技術(shù)方面一個好的研究。

2 相應(yīng)事故故障原因分析、處理和必要性分析

在某次事故引起當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)大面積停電的事故原因分析中，在經(jīng)過大量考察發(fā)現(xiàn)，發(fā)生故障的氣室所使用的中心導(dǎo)體，主要采用六系鋁合金材料，安全質(zhì)量方面完全符合要求；但在中心導(dǎo)體焊縫內(nèi)圈也就是焊縫底部有明顯的氣孔、疏松等焊接漏洞，在工藝上是不合格的。一般情況下，因為有彎矩的存在，通常會在容易出現(xiàn)裂縫的地方產(chǎn)生裂紋，而且裂紋還會向外擴展，就會增大裂縫，在一定程度上影響焊縫的強度。并且在重力的影響下，裂紋擴大的速度會不斷加快。因此裂縫容易在焊接處產(chǎn)生。當(dāng)然，在實踐中也有實例分析，可能是運輸方法不對，導(dǎo)體碰撞下造成的裂縫。所以說在某一處發(fā)生斷裂就很有可能是因為焊接的不穩(wěn)定，然后其他相應(yīng)的導(dǎo)體可能會因為某一處的斷裂引起其他地方的裂縫，整體沒有起到一個支撐的作用，在重力作業(yè)引發(fā)多處的斷裂。但無論是什么原因?qū)е?，在事故發(fā)生之后，在對斷裂的導(dǎo)體進行更換后，還需進行徹底的檢查。

3 事故檢查情況

事故檢查在4個方面進行：（1）第一次檢查時現(xiàn)場檢查該220kV變電站第一條母線套管伸縮節(jié)預(yù)留伸縮間隙消失，而且現(xiàn)場已拉伸至419mm，已經(jīng)大大超過了極限的位置，廠家的基準(zhǔn)值是400mm，極限值是47mm，但是其他的氣室伸縮節(jié)都處于正常范圍。（2）是對周邊環(huán)境檢查，因為天氣的原因，最近一直有暴雨，甚至特大暴雨，導(dǎo)致西北部聚變電站60多米處的河水持續(xù)泄洪，變電站因受暴雨的影響，導(dǎo)致組合電器設(shè)備基礎(chǔ)周邊地龜裂，導(dǎo)致伸縮節(jié)產(chǎn)生大規(guī)模形變，220kV第一氣室伸縮節(jié)拉伸至419mm。（3）巡查記錄檢查，在進行巡查時嚴(yán)格按照國家相關(guān)規(guī)定來開展巡視以及紅外測溫工作，自從2021年以來，累積對220kV組合電器，共巡視了55次對紅外測溫19次，每次設(shè)備均沒有異常，地面也沒有明顯的裂紋，巡查記錄檢查數(shù)據(jù)還是相對來說比較合格的。（4）解體故障氣室，對現(xiàn)場進行解體檢查220kV第一氣室內(nèi)B相導(dǎo)體在伸縮節(jié)東側(cè)連接結(jié)構(gòu)件處脫落而且端部屏蔽了對筒體放電，梅花觸指第一道彈簧斷裂脫落，觸指屏蔽罩底部大面積放電損傷，底部燒穿約1cm兩個洞口，A、C兩相觸頭存在發(fā)熱痕跡，母線筒壁表面附著大量白色氟化物粉塵。事故研究表明，地基松動、土地龜裂導(dǎo)致的伸縮節(jié)拉伸是主要原因，保證支撐在一個相對高度，使伸縮節(jié)受力在一個規(guī)定的范圍內(nèi)，勢在必行。

4 可伸縮式支撐研究及可行性研究

在我國一般采用的GIS套管支撐都是使用一定的高度固定金屬支撐，一般情況下不能調(diào)節(jié)支撐高度，就導(dǎo)致在實際的工作中不能調(diào)節(jié)相應(yīng)的高度，在一定程度上造成了此次事故，所以說設(shè)計師為了解決這種問題，專門設(shè)計了一種可以伸縮的支撐，也就為在使用的過程中就更加方便，GIS設(shè)備套管的重量都是由4根高強度螺桿和1根中心高度調(diào)節(jié)螺桿支撐，也對地基有一定的標(biāo)準(zhǔn)，地基如果說其他因素的影響，一般會松開高強度螺旋桿，之后由中心螺旋桿調(diào)整高度，從而達到支撐調(diào)節(jié)的目的，而且能根據(jù)地基的變化隨時做成調(diào)整，使套管處于正常的水平狀態(tài)。

就目前來看，在各高壓變電站采用可伸縮式支撐，尤其是在某些惡劣天氣較多、地基改變可能性較大的地區(qū)是很有必要的。由于復(fù)合套管一經(jīng)安裝后即不可移動、原則上不得大規(guī)模重新處理，對此，在使用了可伸縮式支撐之前，對復(fù)合絕緣子套管結(jié)構(gòu)進行模擬是非常有必要的。

我國特高壓的GIS裝置以及基礎(chǔ)的設(shè)計都是有跡可循的，除了GIS設(shè)備線管套的重心比較高之外，其余設(shè)備的重心相對來說都比較低，以保證設(shè)備運行安全，避免質(zhì)量問題。除此之外可能還對有環(huán)境因素一些影響比如說地震波的作用下，面積足夠大的基礎(chǔ)上的設(shè)備經(jīng)歷的變形和應(yīng)力都相對來說比較小，面積小的則表現(xiàn)相反。因此必須要考慮不同基礎(chǔ)之下設(shè)備的不同影響。同時出現(xiàn)套因為管布置在單獨的基礎(chǔ)之上，需要對其進行獨立計算，通常會使用ANSYS、DASAPW分析軟件對復(fù)合絕緣子套管進行材料特性進行模擬計算。

為保證研究的可行性和普遍性，我們進行了地震狀態(tài)下的套管受力模擬及材料在極限狀態(tài)下的受力特性。

以本次事故的GIS符合套管對其進行結(jié)構(gòu)分析，220kVGIS復(fù)合絕緣子套管主要是由塔形筒、盆式絕緣子、復(fù)合絕緣子、底架、導(dǎo)電桿組成。如果說遇到地震時，他們主要的敏感部件為復(fù)合絕緣子、導(dǎo)電桿，輸入敏感部件特征尺寸。之后地震地面水平X或Y方向加速度0.5g，豎起Z方向0.4g，結(jié)構(gòu)阻尼比2%。最后是地震響應(yīng)譜:六級地震水平方向地面加速度為5m/s2(0.5g)，阻尼比取2%。DASAPW計算地震響應(yīng)譜，同時計算出復(fù)合絕緣子套管24階振型頻率最大為61.45Hz。輸入機械性能常數(shù)(套管廠家提供)見，按照GB/T13540-2009、IEC60071-2：2003要求的響應(yīng)譜(RRS)，水平方向地面加速度為5m/s2(0.5g)，在地震發(fā)生時，通常會考慮相應(yīng)的疊加水平以及所需要的求和平方根，也就是根據(jù)在發(fā)生地震時所需要的應(yīng)力以及競載和應(yīng)力的絕對值，使用DASAPW軟件進行分析，不考慮風(fēng)荷，得出結(jié)論，在地震影響地基發(fā)生偏轉(zhuǎn)的情況下，伸縮節(jié)（膨脹節(jié)）縱向受力25432N，遠高于材料適配的16000N，即在六級地震造成的地基改變下，原有的固定支撐設(shè)計已不能滿足對套管伸縮節(jié)減少重力受力的要求。

5 實際應(yīng)用及套管安裝

（1）在進行吊裝工作時，必須要安排專門的人進行指揮負責(zé)，全程監(jiān)護工作，并且一定要確立好分工，每個區(qū)域相應(yīng)的人進行相應(yīng)的工作。（2）在進行吊裝時，還要根據(jù)現(xiàn)場的作業(yè)環(huán)境，井然有序的進行工作，一定要保證各項設(shè)備的安全，全面杜絕影響后續(xù)的工作。（3）當(dāng)設(shè)備調(diào)離地面之后，一定要注意人身安全，一定不能站在吊鉤下方和正前方，起吊設(shè)備也應(yīng)該遠離人們。（4）在吊裝之前，還要對各項設(shè)備進行全面的檢查，充分確保設(shè)備是符合國家標(biāo)準(zhǔn)的，除此之外，還要對設(shè)備進行一次清潔處理。（5）在起吊時，防止灰塵進入導(dǎo)管內(nèi)部會使用無水酒精等對表面的導(dǎo)體和導(dǎo)管內(nèi)部進行擦拭，會使用塑料布將整個瓷套管做一個防護，而且在起吊的時一定要注意，不能將繩子綁在第一排的孔上，（6）之后一定要將套管清理干凈，并且調(diào)制到分之三通的上側(cè)，最后將套管慢慢落下，之后在使用沒有問題的O型密封圈，對清潔過的表面進行一個防護，護之后還會在表面涂一層硅脂，最后再將密封圈外側(cè)圖一圈1527密封膠，然后才能慢慢落下套管，最后是導(dǎo)體插入到梅花觸頭當(dāng)中，在之后將連接過的螺栓都裝入螺孔之后，一定要擰緊螺栓，確保安全無誤后再對其進行主回路電阻測試。（7）在安裝結(jié)束之后，還可以對其表面進行刷漆處理，使其有一個很好的美觀度。

6 結(jié)語

總的來說，一般情況下，伸縮節(jié)的補償都會考慮包括GIS殼體的度變化以及環(huán)境引起的變化等，正常情況下伸縮節(jié)在GIS設(shè)備配置上是科學(xué)合理的，而且能滿足日常設(shè)計需求。而且它可以隨時伸縮及其受力裕度，可為安裝及系統(tǒng)運行提供更多的便利。本次研究是對在特殊情況下的伸縮節(jié)支撐的補充。對于變電站或者開關(guān)站內(nèi)的GIS設(shè)備套管支撐位置的地基變化，是通過水平尺來對其進行測量，并且設(shè)計了一種可伸縮的支撐，但制作簡單，安裝起來也非常方便，對各項絕緣均不發(fā)生任何影響，最主要的它安全可靠，并且成功的在某110kV開關(guān)站得以應(yīng)用。但與此同時，在安裝的時候，也還應(yīng)當(dāng)考慮伸縮節(jié)的應(yīng)用場景：（1）在安裝設(shè)備時，必須要調(diào)節(jié)在地面上各種因素引起的各種誤差；（2）在進行安裝或者是進行修理時，可以利用伸縮節(jié)的中心導(dǎo)體上的可拆卸結(jié)構(gòu)，都能對其進行有針對的處理。（3）補償基礎(chǔ)不拘于沉降引起的位移。除此之外還有溫度補償型伸縮節(jié)的應(yīng)用場景：①在進行設(shè)備安裝時，應(yīng)該調(diào)節(jié)地面上所有的因素可引起的誤差。②吸收設(shè)備外殼的基礎(chǔ)和相對熱伸縮，③吸收地基因為地震或者是長期的沉降導(dǎo)致的不均勻位移。④同樣在進行安裝和大修時，可以利用伸縮節(jié)和中心導(dǎo)體上的可拆卸結(jié)構(gòu)，對相應(yīng)的部位進行相應(yīng)的處理，如采用該類可伸縮式支撐，伸縮節(jié)還可以發(fā)揮正常的作用，并不會影響設(shè)備本身，導(dǎo)致GIS出現(xiàn)各種質(zhì)量問題，一定程度上為提高GIS的安全和可靠性。