敞开式高压隔离开关接线端子过热分析及现场处理方案.pdf

第4 0卷第4期河 北 工 业 科 技V o l.4 0,N o.42 0 2 3年7月H e b e i J o u r n a l o f I n d u s t r i a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g yJ u l y 2 0 2 3 文章编号:1 0 0 8-1 5 3 4(2 0 2 3)0 4-0 2 9 4-0 6敞开式高压隔离开关接线端子过热分析及现场处理方案李建鹏1,史晓龙1,孟延辉1,李 强1,胡伟涛1,刘晓飞1,赵书涛2,许 健1(1.国网河北省电力有限公司超高压分公司,河北石家庄 0 5 0 0 7 1;2.华北电力大学电力工程系,河北保定 0 7 1 0 0 3)摘 要:为了保障电力系统运行安全,提高故障检修效率,对某变电站的多起敞开式高压隔离开关接线端子过热故障进行分析。首先进行故障检查,然后计算通流能力、校核拧紧扭矩,最后提出了现场处理方案,并进行有限元仿真分析。结果表明:1)过热原因为盲孔螺纹连接失效导致的螺栓轴向预紧力降低;2)提出了重新打孔和改造旧孔2种提高接线端子紧固螺栓轴向预紧力的现场解决方案;3)2种方案均具有理论可行性,重新打孔方案和改造旧孔方案的整体实施难度相差不大,温控效果更好,1 6个月内重新打孔方案的最大温升为7.8,改造旧孔方案的最大温升为9.1。研究所提的重新打孔方案是敞开式高压隔离开关接线端子过热故障现场处理的一种较为高效、实用的方法,可为其他变电站类似事故处理提供参考。关键词:高电压工程;高压隔离开关;接线端子;过热;螺栓;预紧力中图分类号:TM 8 1 文献标识码:A D O I:1 0.7 5 3 5/h b g y k j.2 0 2 3 y x 0 4 0 0 7收稿日期:2 0 2 3-0 1-0 9;修回日期:2 0 2 3-0 4-2 7;责任编辑:王海云基金项目:国网河北省电力有限公司科技项目(k j 2 0 2 2-0 3 6)第一作者简介:李建鹏(1 9 8 5),男,河北石家庄人,高级工程师,主要从事电力设备在线监测与故障诊断方面的研究。通信作者:史晓龙工程师。E-m a i l:3 1 7 8 0 8 9 5 1q q.c o m李建鹏,史晓龙,孟延辉,等.敞开式高压隔离开关接线端子过热分析及现场处理方案J.河北工业科技,2 0 2 3,4 0(4):2 9 4-2 9 9.L I J i a n p e n g,S H I X i a o l o n g,ME N G Y a n h u i,e t a l.A n a l y s i s a n d o n-s i t e t r e a t m e n t s c h e m e o f o v e r h e a t i n g t e r m i n a l b l o c k s o f o p e n h i g h v o l t a g e d i s c o n n e c t o r sJ.H e b e i J o u r n a l o f I n d u s t r i a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 0(4):2 9 4-2 9 9.A n a l y s i s a n d o n-s i t e t r e a t m e n t s c h e m e o f o v e r h e a t i n g t e r m i n a l b l o c k s o f o p e n h i g h v o l t a g e d i s c o n n e c t o r s L I J i a n p e n g1,S H I X i a o l o n g1,ME NG Y a n h u i1,L I Q i a n g1,HU W e i t a o1,L I U X i a o f e i1,Z HAO S h u t a o2,XU J i a n1(1.E x t r a H i g h V o l t a g e C o m p a n y o f S t a t e G r i d H e b e i E l e c t r i c P o w e r C o m p a n y L i m i t e d,S h i j i a z h u a n g,H e b e i 0 5 0 0 7 1,C h i n a;2.D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g,N o r t h C h i n a E l e c t r i c P o w e r U n i v e r s i t y,B a o d i n g,H e b e i 0 7 1 0 0 3,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o e n s u r e t h e s a f e o p e r a t i o n o f t h e p o w e r s y s t e m a n d i m p r o v e t h e e f f i c i e n c y o f f a u l t m a i n t e n a n c e,m u l t i p l e o p e n h i g h-v o l t a g e i s o l a t i o n s w i t c h t e r m i n a l o v e r h e a t i n g f a u l t s i n a c e r t a i n s u b s t a t i o n w e r e a n a l y z e d.F i r s t l y,a f a u l t i n s p e c t i o n 第4期李建鹏,等:敞开式高压隔离开关接线端子过热分析及现场处理方案w a s c o n d u c t e d,f o l l o w e d b y c a l c u l a t i n g t h e f l o w c a p a c i t y a n d v e r i f y i n g t h e t i g h t e n i n g t o r q u e.F i n a l l y,a n o n-s i t e t r e a t m e n t p l a n w a s p r o p o s e d a n d v e r i f i e d t h r o u g h f i n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o n.T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t:1)T h e c a u s e o f o v e r h e a t i n g i s a d e c r e a s e i n t h e a x i a l p r e l o a d o f t h e b o l t c a u s e d b y t h e f a i l u r e o f t h e b l i n d h o l e t h r e a d e d c o n n e c t i o n;2)T w o o n-s i t e s o l u t i o n s a r e p r o p o s e d t o i m p r o v e t h e a x i a l p r e l o a d o f t e r m i n a l f a s t e n i n g b o l t s,n a m e l y r e d r i l l i n g a n d r e n o v a t i n g o l d h o l e s;3)B o t h s c h e m e s h a v e t h e o r e t i c a l f e a s i b i l i t y,a n d t h e o v e r a l l i m p l e m e n t a t i o n d i f f i c u l t y o f t h e r e d r i l l i n g s c h e m e i s n o t s i g n i f i c a n t l y d i f f e r e n t f r o m t h a t o f t h e o l d h o l e r e n o v a t i o n s c h e m e.T h e t e m p e r a t u r e c o n t r o l e f f e c t i s b e t t e r,a n d t h e m a x i m u m t e m p e r a t u r e r i s e o f t h e r e d r i l l i n g s c h e m e w i t h i n 1 6 m o n t h s i s 7.8,w h i l e t h e m a x i m u m t e m p e r a t u r e r i s e o f t h e o l d h o l e r e n o v a t i o n s c h e m e i s 9.1.T h e r e d r i l l i n g s c h e m e p r o p o s e d b y t h e r e s e a r c h i n s t i t u t e i s a r e l a t i v e l y e f f i c i e n t a n d p r a c t i c a l m e t h o d f o r o n-s i t e h a n d l i n g o f o v e r h e a t i n g f a u l t s i n t h e w i r i n g t e r m i n a l s o f o p e n h i g h-v o l t a g e i s o l a t i o n s w i t c h e s,a n d c a n p r o v i d e r e f e r e n c e f o r s i m i l a r a c c i d e n t h a n d l i n g i n o t h e r s u b s t a t i o n s.K e y w o r d s:h i g h v o l t a g e e n g i n e e r i n g;h i g h v o l t a g e d i s c o n n e c t o r;t e r m i n a l b l o c k;o v e r h e a t i n g;b o l t;p r e l o a d 高压隔离开关具有电气连接和隔离功能,是电力系统安全稳定运行的重要保障1-5。敞开式高压隔离开关在运量大、结构复杂,受运行环境影响易发生过热、拒分、拒合、卡涩等故障,其中过热故障通常不会当即影响电力供应,设备运维单位普遍会在检修期间进行擦拭、打磨、紧固等简单处理,导致敞开式高压隔离开关过热故障处于反复发生和长期失修状态,成为影响电力系统安全的重大隐患6-8。近年来,不少学者及工程技术人员针对高压隔离开关过热问题开展研究。文献9 建立了高压隔离开关触头温升模型,分析了接触电阻、夹紧力和镀银层随温度的变化情况。文献1 0 利用有限元多物理场分析方法,计算了G I S内部隔离开关的温度场及流体场的耦合分布情况。文献1 1 以角型隔离开关为对象,研究了不同插入深度情况下的触头导通特性。文献1 2 建立了触头部分的三维模型,指出负荷电流、触点材料、接触压力和接触面积是影响触头温升的主要因素。文献1 3 基于温度-流体场有限元分析模型,计算了隔离开关的整体温度场分布。文献1 4 文献1 5 分析了隔离开关现场运行过程中触头的烧蚀原因,从产品设计和安装工艺两方面提出了控制措施。上述研究重点分析了动静触头结合部位及G I S内隔离开关的发热原因、温升分布及处理措施,并未涉及敞开式高压隔离开关接线端子过热故障。作为隔离开关的重要部件,接线端子承担导流和连接引线的关键作用。由于运行环境、加工和装配工艺等原因,接线端子在服役过程中易出现接触面氧化脏污、通流能力不足、连接结构失效等问题1 6,进而造成接触电阻过大,在正常负荷电流通过的情况下产生局部过热故障。本文针对某变电站内多起敞开式高压隔离开关接线端子过热故障,通过接线端子解体检查、通流能力计算和拧紧扭矩校核,确定过热的根本原因,制定现场处理方案。1 故障检查变电站运行人员通过红外测温发现,某型号隔离开关的接线端子普遍存在过热现象,如图1所示(以2个过热接线端子为例)。红外测试期间环境温度为2 6,正常接线端子温度为3 23 5,过热接线端子1最高温度为1 1 3,过热接线端子2最高温度为1 0 7。根据 国家电网公司变电检测管理规定,用螺钉或螺栓与外部导体连接的镀锌接线端子的最高允许温度为1 0 5,确定2个接线端子发生过热故障。图1 过热接线端子红外测试结果F i g.1 I n f r a r e d t e s t r e s u l t s o f o v e r h e a t i n g t e r m i n a l过热隔离开关的额定电流为3 1 5 0 A,通过的负荷电流为1 2 6 01 3 8 0 A。接 线 端 子 材 质 为Z L 1 0 1 A铝合金,设计尺寸为1 2 0 mm1 2 0 mm2 0 mm(长宽厚),接触面连接型式为41 6盲孔螺纹连接。根据接线端子结构及连接型式,判断过热原因有3个:1)接触面氧化脏污;2)通流能力不足;3)盲孔螺纹连接失效。过热隔离开关为新投运设备,运行时间为1.5 a,对过热接线端子1进行解体检查,发现接触面无脏污、烧蚀痕迹,初步判断接线端子过热原因为通流能力不足或盲孔螺纹连接失效。592河 北 工 业 科 技第4 0卷2 通流能力计算接线端子的发热量由负荷电流经过导体电阻产生,通常采用式(1)进行理论计算。s=I2R F ,(1)式中:s为发热量;I为负荷电流;R为导体电阻;为总换热系数;F为换热面积。接线端子的通流能力取决于自身的材料属性和外界条件。当接线端子达到稳态热平衡时,可认为发热量通过传导、对流和辐射3种热传递方式传播到空气中1 7-1 9。敞开式高压隔离开关接线端子暴露于空气中,空气的热导率大约是接线端子基体(铸造铝合金)的千分之一,所以在整个热量传播中可以忽略空气传导散热。因此,敞开式高压隔离开关接线端子的温升情况由对流与辐射2种热传递方式决定。由式(1)得到接线端子的载流量计算式,见式(2)。I=Qc+QrR,(2)式中:Qc为对流热量,W;Qr为辐射热量,W。Qc的计算公式如式(3)所示。Qc=c(w-o)F,(3)式中:c为空气自 然 对 流 换 热 系 数,取 值 为6.5W/(m2);w为最高允许温度,;o为环境温度,。接线端子尺寸为1 2 0 mm1 2 0 mm2 0 mm(长宽厚),表面传热系数取值1.1 6 5,计算得到换热面积F=0.1 221.1 6 52=0.0 3 3 6 m2。环境温度取值2 0,最高运行温度为8 5,接线端子最高允许温升为6 5,计算得到对流热量为Qc=6.56 50.0 3 3 6=1 4.1 9 6 W。环境温度为2 0 时,辐射换热量计算公式如式(4)所示。Qr=bFr(2 7 3+w)4-(2 7 3+o)4,(4)式中:b为斯特藩-玻尔兹曼常数,其值为5.6 71 0-8W/(m2K4);Fr为物体 的辐射表 面 积,Fr=F;为物体表面黑度,镀锡的铝表面黑度取值0.0 8。由式(4)计算得到接线端子的辐射热量Qr=1.3 8 W。电阻R的计算公式如式(5)所示。R=lA=0(1+)lA,(5)式中:0为铝材质0 时的电阻率,取值为2.6 21 0-8 m;为 铝 材 质 电 阻 温 度 系 数,取 值 为0.0 0 4 1 5;为换算温度,取值8 5;l为导体截面长度,取值0.0 2 m;A为导体截面积,取值0.0 1 4 4 m2。由式(5)计算得到R8 5=4.9 21 0-8。由式(2)计算得到接线端子长期稳定通过电流为I=Qc+QrR8 5=1.3 8+1 4.9 64.9 21 0-8=1 8 2 2 0 A。由上述分析可知:当接线端子温升不超过6 5(G B/T 1 1 0 2 22 0 1 1 高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求2 0中4.5.2条款规定)时,允许通过的长期稳定负荷电流为1 8 2 2 0 A,远大于实际负荷电流(1 2 6 0 1 3 8 0 A)。因此,过热接线端子满足现场通流要求,排除通流能力不足引起过热的可能性,初步判断过热原因为盲孔螺纹连接结构失效。查阅该型号隔离开关安装使用说明书,接线端子螺栓的初始拧紧扭矩为9 5 Nm,对过热接线端子2的螺栓拧紧扭矩进行校核,结果如表1所示。由表1可见,校核的4颗螺栓中,最大拧紧扭矩为9 1 Nm,最小拧紧扭矩为7 5 Nm,较初始拧紧扭矩(9 5 Nm)均有较大幅度下降,平均下降幅度为1 0.0 3%,确定发热的根本原因为盲孔螺纹连接失效导致的螺栓轴向预紧力降低。表1 螺栓拧紧扭矩校核T a b.1 B o l t t i g h t e n i n g t o r q u e c h e c k螺栓初始扭矩/(Nm)拧紧扭矩/(Nm)下降幅度/%19 59 14.229 58 69.539 57 52 1.149 59 05.33 处理方案及仿真分析增大螺栓连接结构预紧力和增加螺纹圈数,可以降低螺纹接触界面的相对运动,减少螺纹表面的磨损量,提高连接结构的安全裕度及可靠性1 2,1 6。据此提出2种接线端子现场处理方案:1)方案1为重新打孔。重新钻41 7通孔,使用4个M 1 6螺栓进行连接;2)方案2为改造旧孔。将41 6盲孔螺纹连接结构扩展为42 0通孔螺纹连接型式。为了验证2种方案的理论可行性,根据接线端子结构、受力对称的特点,利用AN S Y S有限元软件仿真分析重新打孔和改造旧孔后接线端子的受力和形变情况。在计算精度满足工程应用的前提下,进行以下简化以提高模型的收敛性:1)螺栓连接件接触面上的法向应变相同且固定2 1-2 2;2)螺栓轴线与安装孔轴线重合且无径向滑动;3)螺栓杆受均匀拉力载荷;4)螺纹接触面、接线端子承压面的接触性质为对称型摩擦接触对,摩擦系数设置为0.1 5。建立改造后的接线端子三维实体模型导入AN S Y S软件进行有692第4期李建鹏,等:敞开式高压隔离开关接线端子过热分析及现场处理方案限元分析。3.1 处理方案1:重新打孔螺栓拧紧扭矩计算公式如式(6)所示。M=kFd,(6)式中:M为拧紧扭矩,Nm;k为扭矩系数,取值0.2;F为 轴 向 预 紧 力,k N;d为 螺 栓 直 径,取 值0.0 1 6 m。M 1 6螺栓拧紧扭矩最大值为1 0 7 Nm,各系数取值通过咨询设备制造厂技术人员及参阅相关文献获得,为通用、成熟的设计参数。由式(6)计算可得,单个M 1 6螺栓的轴向最大预紧力为3 3.4 k N。接线端子材质为Z L 1 0 1 A铝合金,材料的杨氏模量E设置为1 6 0 G P a,泊松比v设置为0.2,密度取值2.6 81 03 k g/m3。利用AN S Y S的预拉力单元P T E T S 1 7 9对接线端子施加静态载荷,载荷施加情况如图2所示。其中,接线端子上下表面的4个螺栓孔周围施加夹紧力3 3.4 k N。在接线端子上表面施加3个方向的额定静态载荷,水平纵向施加1 2 5 0 N,水平横向施加7 5 0 N,垂直方向施加1 0 0 0 N,以模拟接线端子连接导线后的受力。图2 方案1的载荷施加图F i g.2 L o a d a p p l i c a t i o n d i a g r a m f o r s c h e m e 1图3为接线端子等效受力图,可见接线端子的最大应力出现在螺帽与接线端子接触处,最大应力为9 MP a,远小于Z L 1 0 1 A铝合金的极限屈服强度2 3 5 MP a,接线端子整体结构强度处于安全状态。图3 方案1的等效受力图F i g.3 E q u i v a l e n t s t r e s s d i a g r a m f o r s c h e m e 1图4为接线端子承受载荷后的形变量云图,可见新孔外侧拐角处形变量较大,但均小于8 m,远小于Z L 1 0 1 A铝合金伸长率4%的标准要求,证明该结构在受到固定端子载荷后,未发生明显塑性变形,满足设计要求。由仿真分析结果可知,方案1满足理论可行性。图4 方案1的形变量云图F i g.4 S h a p e v a r i a b l e n e p h o g r a m f o r s c h e m e 13.2 处理方案2:改造旧孔根据G B/T 5 7 8 22 0 1 6 六 角 头 螺 栓2 3和G B/T 6 1 7 02 0 1 51型六角螺母2 4的相关要求,建立M 2 0六角螺栓三维模型并进行模拟装配。螺纹孔处设置连接螺栓、弹簧垫圈和平垫圈,螺栓旋入深度为2 0 mm。螺杆采用具有螺栓螺纹部分等效直径的圆柱体代替。工程中常用的M 2 0镀锌螺栓的最大拧紧扭矩为2 0 9 Nm,利用式(6)计算得到螺栓轴向预紧力最大值为5 2.3 k N。利用接触单元C ONT A 1 7 4来模拟接线端子与螺帽、螺纹接触面之间的相互作用。数值模拟时,在接线端子上表面和螺帽下表面均施加固定约束,载荷施加图如图5所示。图5 方案2的载荷施加图F i g.5 L o a d a p p l i c a t i o n d i a g r a m f o r s c h e m e 2接线端子应力分布如图6所示,受力最大点出现在螺纹连接处,即与内螺纹接触的靠近端子受载面的第1,2圈螺纹根部。接线端子应力分布情况和螺栓旋入圈数、端子厚度有关,与普遍的实验和工程实际相符。最大等效应力为2 4.4 MP a,具有明显应力集中现象,但小于Z L 1 0 1 A铝合金的极限屈服强度2 3 5 MP a。图6 方案2的等效受力图F i g.6 E q u i v a l e n t s t r e s s d i a g r a m f o r s c h e m e 2792河 北 工 业 科 技第4 0卷接线端子形变量云图如图7所示,可见应力最大区域同样集中于端子4个拐角处,且相对于整个模型所占比例极小,此螺纹副上应力集中对端子整体强度影响很小,故方案2也具有理论可行性。图7 方案2的形变量云图F i g.7 S h a p e v a r i a b l e n e p h o g r a m f o r s c h e m e 24 现场实施效果4.1 改造过程隔离开关由运行转为检修状态后,将2个过热接线端子分别按照方案1和方案2进行改造,以便后续进行温度跟踪,比较2种方案的温升控制效果。拆除接线端子上的引线后,接线端子在水平面上可转动角度较大,需要2人或者使用专用工具对接线端子进行固定后,钻机才可以准确作用于接线端子上。并且,接线端子打孔点处于悬空位置,必须进行径向支撑后才可实施打孔操作。经现场统计,方案1整个改造过程由4人完成,耗时8.6 h;方案2整个改造过程由4人完成,耗时8.2 h;2种方案整体实施难度相差不大。4.2 温度跟踪对2个改造后的接线端子进行温度跟踪,每月进行1次红外测温,连续检测1 6个月,检测数据如图8所示。在整个检测期内,方案1的最大温升为7.8,方案2的最大温升为9.1,均在温升允许范围内,2个接线端子运行状态正常。从温升趋势来看,前8个月方案1、方案2与环境温度的偏差基本相同,从第9个月开始,方案2与环境温度的偏差较方案1有增大趋势。分析其原因,是由于敞开式隔离开关在服役过程中,接线端子长期承受连接导图8 温度跟踪F i g.8 T e m p e r a t u r e t r a c k i n g线、风致振动、电致振动、温度变化带来的轴向和剪切动态载荷2 5,在设计或者安装工艺不合理的情况下,螺纹连接结构不可避免地发生材料蠕变、界面滑移、微动磨损、应力松弛,导致连接结构逐渐失效,轴向预紧力衰减到一定程度后,接触面接触电阻变大,接线端子发热量逐渐增加。所以从温升控制效果来看,方案1优于方案2。5 结 语针对多起敞开式高压隔离开关接线端子过热故障,通过故障检查、通流能力计算、拧紧扭矩校核、仿真分析和现场实施,得到以下结论。1)螺栓连接结构失效引起的螺栓轴向预紧力下降是引起接线端子发热的主要原因之一。2)接线端子有限元仿真分析表明2种方案均满足刚度要求,形变量均在允许范围内。3)经过现场实施及温度跟踪,重新打孔方案较改造旧孔方案整体实施难度相差不大,但前者温升控制效果更好,具备推广应用价值。本文在2种处理方案的仿真分析中,未考虑隔离开关在运行状态下电磁场、温度变化带来的动态载荷,后期研究中需要结合工程实际对计算模型进行优化调整。参考文献/R e f e r e n c e s:1 白建伟,于力,丛培军,等.G I S内隔离开关机械故障检测方法研究J.高压电器,2 0 2 2,5 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