一起220kV變電站母管接頭脫開(kāi)原因分析及防范措施

江蘇利港電力集團(tuán) 余世軒 梅海華

變電站母線在工作中承擔(dān)匯聚及分配電能的作用，變電站母線的安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)至關(guān)重要。但在實(shí)際運(yùn)行及檢修中由于母線較高，常常忽視對(duì)變電站母線的監(jiān)視與維護(hù)。嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致母線接頭脫開(kāi)、支撐瓷瓶斷裂、母線掉落等重大電網(wǎng)事故。

1 相關(guān)基本情況

2022年11月16日13:32分，運(yùn)行人員巡檢發(fā)現(xiàn)本廠220kV 升壓站Ⅱ母B 相45032與45152間隔上部母線接頭脫落，西側(cè)B 相母管受重力下垂約40cm，在風(fēng)力作用下有小弧度擺動(dòng)，東側(cè)母管下垂弧度較小，無(wú)放電現(xiàn)象如圖1所示。立即匯報(bào)值長(zhǎng)，申請(qǐng)母線停運(yùn)，轉(zhuǎn)事故處理。17日母管脫開(kāi)處理結(jié)束，恢復(fù)正常運(yùn)行。

本廠220kV 升壓站采用雙母線單分段E 型布置，Ⅰ、Ⅲ母設(shè)4500分?jǐn)嚅_(kāi)關(guān)，Ⅰ、Ⅱ母，Ⅱ、Ⅲ母設(shè)4530/4550母聯(lián)開(kāi)關(guān)。4臺(tái)機(jī)組輸入，12條220kV 線路輸出；#1、#2機(jī)組容量為350MW，#3、#4機(jī)組容量為375MW。#1、#2機(jī)為一期機(jī)組1991年投產(chǎn)，#3、#4機(jī)為二期機(jī)組1997年投產(chǎn)，220kV升壓站按一二期分兩次建設(shè)，母線均采用管型結(jié)構(gòu)。二期升壓站投運(yùn)前采用母管異徑連接金具將一、二期Ⅱ段母線進(jìn)行連接。一期升壓站母管外徑150mm、厚度6mm，二期升壓站母管外徑165mm、厚度7mm。母管及連接金具均為純鋁材質(zhì)。一期升壓站母線投運(yùn)31年、二期升壓站母線投運(yùn)25年，期間按周期檢修，未做過(guò)設(shè)備改造。

升壓站Ⅱ母總長(zhǎng)254m，B 相母線接頭脫開(kāi)處在45032與45152間隔上部，屬二期升壓站，連接金具長(zhǎng)282mm。一、二期母線連接金具均采用half 結(jié)構(gòu)連接。一期升壓站母線支撐金具采用單支撐結(jié)構(gòu)，二期母線支撐金具采用雙支結(jié)構(gòu)；一期升壓站在Ⅱ母中部設(shè)置母線膨脹死點(diǎn)，二期升壓站母線未設(shè)死點(diǎn)。

故障前一二期升壓站處于合環(huán)運(yùn)行狀態(tài)，Ⅰ、Ⅲ母分?jǐn)嚅_(kāi)關(guān)4500，Ⅰ、Ⅱ母母聯(lián)開(kāi)關(guān)4530，Ⅱ、Ⅲ母母聯(lián)開(kāi)關(guān)4550均合閘運(yùn)行。#3機(jī)組處于停機(jī)狀態(tài)，#4機(jī)組運(yùn)行在Ⅲ母，12條出線錯(cuò)開(kāi)運(yùn)行至3條母線。由于Ⅰ、Ⅱ母母聯(lián)開(kāi)關(guān)4530，Ⅱ、Ⅲ母母聯(lián)開(kāi)關(guān)4550均為合閘狀態(tài)，Ⅱ母兩側(cè)等電位，Ⅱ母B 相母線脫開(kāi)未發(fā)生保護(hù)動(dòng)作跳閘情況。

2 故障后檢查情況

2.1 事故后不停電檢查情況

調(diào)取Ⅱ母檢修歷史記錄：2019年11月，因二期升壓站全停更換復(fù)合絕緣子的需要，在45032與45152間隔上部對(duì)Ⅱ母進(jìn)行了開(kāi)斷，三相均取下一節(jié)母管，工作結(jié)束后再恢復(fù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況看，此次斷開(kāi)的位置正是上次開(kāi)斷的部位。據(jù)工作人員回憶，2019年母管拆除時(shí)間在上午，拆除母管兩側(cè)half后，拿下母管較輕松，但在下午母管回裝時(shí)，原母管拆除后的間隙不滿足母管裝入尺寸，拼接、對(duì)頭較困難，使用木榔頭敲擊等方式最終完成安裝；查看歷年母線檢修周期及檢修項(xiàng)目：檢修周期按3年一次正常開(kāi)展，檢修項(xiàng)目為母線瓷瓶清掃、母線支撐金具完好性檢查，鑒于母線接頭一般位于帶電間隔上方，未開(kāi)展母線接頭檢查、緊固工作。

調(diào)取升壓站自動(dòng)監(jiān)控視頻(此攝像頭具備自動(dòng)捕捉運(yùn)動(dòng)物體功能)，根據(jù)查看情況，攝像頭捕捉到了母線接頭脫開(kāi)時(shí)的過(guò)程。母線接頭脫開(kāi)在16日凌晨1點(diǎn)44分03秒，接頭脫開(kāi)時(shí)伴有輕微弧光，接頭脫開(kāi)后B 相西側(cè)母管下落，來(lái)回上下振蕩，振幅逐漸縮小，穩(wěn)定在40cm 左右。期間未見(jiàn)支撐絕緣子異常，未見(jiàn)母管劇烈移位。現(xiàn)場(chǎng)查看西側(cè)母管由于管線較長(zhǎng)并裝有軟導(dǎo)線而下垂較多，東側(cè)母管由于距離支撐絕緣子較近，下垂較小。

咨詢(xún)省調(diào)，凌晨1點(diǎn)44分，220kV 電網(wǎng)未發(fā)生短路、接地等異常情況；調(diào)取母線保護(hù)信息，未見(jiàn)母差保護(hù)啟動(dòng)；望遠(yuǎn)鏡檢查升壓站Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ母管母均有明顯彎曲情況，彎曲方向水平、垂直均有，彎曲部位均在母管接頭處。查看2019年以前拍攝的照片記錄，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ母母管同樣有彎曲情況，兩者并無(wú)較大差別。

2.2 事故后停電檢查情況

停電檢查脫開(kāi)接頭情況：接頭脫開(kāi)處東西側(cè)母線中間有136mm 間隙如圖1所示，此間隙與母管脫開(kāi)尺寸相當(dāng)；母管連接金具與東側(cè)母管相連，與西側(cè)脫開(kāi)，留在母線上的連接金具螺栓緊固、無(wú)松動(dòng)。西側(cè)母管與金具連接部位光亮，無(wú)腐蝕，接觸部位有多條波浪狀痕跡，寬約20mm、長(zhǎng)約130mm，呈90°，“X”形分布如圖2所示，痕跡長(zhǎng)度與半個(gè)連接金具長(zhǎng)度匹配。母管及金具連接時(shí)涂抹的導(dǎo)電膏無(wú)干澀情況。

圖2 脫開(kāi)母管表面情況

檢查45152間隔上部Ⅱ母支撐金具三相固定情況，發(fā)現(xiàn)母管脫開(kāi)部位東側(cè)支撐金具安裝錯(cuò)誤。二期母線支撐金具采用雙支結(jié)構(gòu)，雙支上部各安裝半個(gè)half 用于固定母管如圖3所示，此half 有兩種安裝方式，采用公對(duì)公、母對(duì)母結(jié)構(gòu)時(shí)預(yù)留母管熱脹冷縮間隙，在實(shí)際工作時(shí)由于工作人員疏忽，拆卸時(shí)未做標(biāo)識(shí)，安裝時(shí)想當(dāng)然的采用了公對(duì)母連接方式，母管被卡死，無(wú)法在此處自由滑動(dòng)，導(dǎo)致在此處設(shè)置了Ⅱ母第二死點(diǎn)。在45152間隔上部A/B/C三相的支撐瓷瓶金具均存在此現(xiàn)象。

圖3 母管支撐金具彈簧片

母管移位情況：Ⅱ母B 相西側(cè)母線整體向西移位，在西側(cè)端部看B 相母管明顯長(zhǎng)出A/C 兩相20cm 左右。望遠(yuǎn)鏡觀察，在B 相西側(cè)母線其余4只支撐絕緣子處有兩處母管下部可見(jiàn)明顯移動(dòng)劃痕。劃痕長(zhǎng)約10cm；其他相母管移位情況：通過(guò)無(wú)人機(jī)對(duì)管母接頭對(duì)接情況水平拍照檢查（根據(jù)對(duì)接頭half 中部縫隙及兩母管對(duì)接頭間的縫隙透光情況可判斷母管在接頭內(nèi)部位移情況），未見(jiàn)A/B/C 相其他接頭有位移現(xiàn)象，其他兩相母管未見(jiàn)整體移位，但部分母管下部仍有移位劃痕，劃痕長(zhǎng)度約3cm。

母管支撐金具檢查情況：對(duì)所有一廠、二廠Ⅱ母支撐金具絕緣子進(jìn)行檢查，一廠單支撐結(jié)構(gòu)金具未見(jiàn)異常，發(fā)現(xiàn)二廠Ⅱ母B 相最西側(cè)支撐金具西部支腿斷裂，母管下部劃痕較深，面積較大。二廠絕緣子支撐金具為美國(guó)生產(chǎn)，型號(hào)EH-1176，VSBC-S-5FRANKEL(8400)，材質(zhì)為鋁鎂合金。此金具斷裂后采用焊接方式不能修復(fù)。

支柱瓷瓶受力情況：松動(dòng)Ⅱ母最西側(cè)A/B/C三相支撐金具連接，發(fā)現(xiàn)所有三相支柱瓷瓶均有2～3cm 移位，支柱瓷瓶有明顯受力現(xiàn)象；檢查下部有劃痕的母管支撐金具，發(fā)現(xiàn)部分金具下部支撐彈簧缺失如圖3所示。有支撐彈簧的金具，母管無(wú)劃痕，無(wú)支撐彈簧金具支撐的母管下部劃痕明顯。特別Ⅱ母B 相最西側(cè)金具兩只支腿中東側(cè)支腿完全斷開(kāi)，西側(cè)單支腿受力較大，劃痕最深。

3 事故原因分析及處理措施

3.1 事故原因分析

由于母線間隙正好與脫開(kāi)長(zhǎng)度一致，運(yùn)行中未發(fā)生大電流等異?，F(xiàn)象，調(diào)看視頻，母線接頭脫開(kāi)時(shí)支撐瓷瓶無(wú)明顯晃動(dòng)，脫開(kāi)瞬間電弧微弱。排除母管受大電磁力而移位的可能；由于脫開(kāi)處接頭金具與西側(cè)母管連接緊固，結(jié)合東側(cè)脫開(kāi)母管分?jǐn)嗍讲y凹凸不平的現(xiàn)象，可以排除金具安裝時(shí)因回裝困難未連接緊固的可能；根據(jù)東側(cè)脫開(kāi)母管分?jǐn)嗍讲y凹凸不平的現(xiàn)象，考慮到脫開(kāi)時(shí)間在凌晨1點(diǎn)半左右，正是寒潮來(lái)臨溫度最低的時(shí)候，接頭脫開(kāi)應(yīng)與母線熱脹冷縮有關(guān)。

母線正常運(yùn)行時(shí)，母管應(yīng)有且只有一個(gè)死點(diǎn)，此死點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在母線中部[1]，兩側(cè)母管應(yīng)能自由滑動(dòng)，在母管長(zhǎng)年運(yùn)行過(guò)程中，每天、每年均隨著溫度熱脹冷縮，升溫時(shí)脹出，降溫時(shí)縮回。死點(diǎn)位置不變。母管接頭脫落是因?yàn)槟腹軣崦浝淇s所致[2]。本廠Ⅱ段母線已運(yùn)行25年，母管與支撐金具間的滑動(dòng)部位缺少潤(rùn)滑，雙支結(jié)構(gòu)摩擦點(diǎn)相比單支結(jié)構(gòu)更多，常年熱脹冷縮下母管與金具間的劃痕逐漸變深，摩擦系數(shù)逐年變大，特別在未正常使用金具內(nèi)嵌彈簧的情況下問(wèn)題更嚴(yán)重。在大摩擦力的作用下導(dǎo)致Ⅱ母B 相最西側(cè)支撐金具斷裂，更加劇了母管在支撐金具中滑動(dòng)的助力。

由于在2019年使用磨光機(jī)處理接頭后降低了母管表面的摩擦力，導(dǎo)致half 接頭緊力下降，此緊力小于母管在金具中滑動(dòng)回縮的摩擦力，在多次熱脹冷縮后，母管接頭處開(kāi)始逐步脫開(kāi)，升溫時(shí)向西脹出，降溫時(shí)不能完全縮回，在下個(gè)升溫周期時(shí)母線連接金具由于重力作用頂住東側(cè)母管上沿，繼續(xù)將西側(cè)母管頂住，故在東側(cè)母管上留下了波浪式凹凸不平的痕跡。最終在2022年11月16日凌晨1點(diǎn)多最冷的時(shí)間段，母管收縮達(dá)到最大值時(shí)脫開(kāi)。

3.2 事故處理措施

對(duì)2019年動(dòng)過(guò)的部位進(jìn)行全面檢查。抽查45182、40042間隔上方母線接頭緊固情況；更換Ⅱ母最西側(cè)損壞金具，更換所有底部無(wú)滑移彈簧的金具。母管底部劃痕打磨干凈，涂抹少許凡士林潤(rùn)滑；鑒于整個(gè)母管無(wú)法移動(dòng)，在脫開(kāi)處內(nèi)嵌一50cm 長(zhǎng)與原母管內(nèi)徑尺寸適配的鋁管，采用焊接方法連接后使用；所有母線支撐金具普查，檢查是否存在裂紋等隱性缺陷；母線瓷瓶根部進(jìn)行超聲波探傷，防止熱脹冷縮瓷瓶受橫向力過(guò)大損傷。

3.3 變電站母管過(guò)長(zhǎng)帶來(lái)的隱患

變電站母管過(guò)長(zhǎng)主要的隱患來(lái)源于母管熱脹冷縮；鋁的膨脹系數(shù)為0.0000236mm/℃。250m 的長(zhǎng)母管，按一年冷熱溫差變化50℃計(jì)算，膨脹長(zhǎng)度為250×1000×50×0.0000236=295mm，即30cm。由于每天均有溫差變化，故母管每天都有伸縮變化；熱脹冷縮將破壞母管平直度，出現(xiàn)彎曲、扭動(dòng)，各接頭承受較大彎曲應(yīng)力；熱脹冷縮導(dǎo)致母管支撐部位反復(fù)摩擦，由于位移量大，反復(fù)摩擦導(dǎo)致接觸面表面粗糙度逐步增加，受力將越來(lái)越嚴(yán)重[3]。

由于摩擦阻力的增大將導(dǎo)致作用在母管支撐瓷瓶根部受到很大橫向力，很可能導(dǎo)致瓷瓶根部折斷。母線掉落；由于彎曲應(yīng)力、摩擦阻力增大，母管金具將受到較大應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)將出現(xiàn)金具斷裂；由于各點(diǎn)摩擦阻力不一，如出現(xiàn)多個(gè)死點(diǎn)可能導(dǎo)致接頭脫開(kāi)、放電。嚴(yán)重情況可導(dǎo)致母差保護(hù)動(dòng)作跳閘。

3.4 后續(xù)防范措施

在母管東西兩側(cè)及中部各選3處部位刷上標(biāo)尺，定期巡檢記錄標(biāo)尺位置，防止母管再次異常脫開(kāi)；定期關(guān)注母管彎曲變形程度，檢修時(shí)打開(kāi)接頭，檢查摩擦表面，必要時(shí)進(jìn)行潤(rùn)滑；檢修期間檢查、評(píng)估支柱瓷瓶受力情況，定期開(kāi)展瓷瓶探傷[4]；檢修期間增加母線支撐金具完好情況檢查項(xiàng)目。摩擦表面較粗糙度的進(jìn)行更換；對(duì)母管進(jìn)行分?jǐn)?，采用軟連接式母線支撐金具，分?jǐn)嗵幉捎娩X絞線連接，每段重新設(shè)置膨脹死點(diǎn)。

3.5 母線設(shè)計(jì)、運(yùn)行、檢修策略

對(duì)滑動(dòng)支持式鋁管母線一般每隔30～40m 安裝一個(gè)伸縮接頭[5]。清楚母線運(yùn)行特點(diǎn)，死點(diǎn)位置，明確母線巡檢項(xiàng)目，檢修項(xiàng)目；檢修期間抽查母線接頭緊固情況，各螺栓按力矩緊固[6]；對(duì)母線接頭定期進(jìn)行紅外測(cè)溫。