GIS母线导体设计活动裕度不足引起的异常分析及处理.pdf

第42 卷第 3 期2023 年 9 月青海电力QINGHAI ELECTRIC POWERSEP.，2023Vol.42 NO.3DOI:10.15919/ki.qhep.2023.03.013GIS 母线导体设计活动裕度不足引起的异常分析及处理马永福1，杜 航2，包正红1，张 烁1张丰丽1，李文广2，伊国鑫2，王子乐1（1.国网青海省电力公司电力科学研究院，青海 西宁 8100082.国网青海省电力公司超高压公司，青海 西宁 810021）摘 要：母线导体的可靠连接是保证GIS中电能正常传输的前提，合理的导体结构设计对母线安全运行至关重要。介绍了一起 110kV三相共箱式GIS母线在运行过程中出现电压波动、异音和气体组分超标的异常运行事件，现场X射线检测发现母线导体存在漏装限位螺钉以及同一导体两侧限位螺钉被同时挤压变形的现象，进一步通过理论计算和推理分析得出导体与两侧触头座内限位螺钉间的设计活动裕度不满足要求。针对此现象，结合实际运行条件提出了安全、合理、经济的结构改进措施，并开展了同结构两条母线整体改造工作，改造效果较为显著，为后续此类问题的发现和解决提供了思路。关键词：GIS组合电器；母线导体；活动裕度；热胀冷缩；X射线中图分类号：TM56 文献标识码：A 文章编号：1006-8198（2023）03-0069-04Analysis and Treatment of Anomaly Caused by Insufficient Design Activity Margin of GIS Bus ConductorMAYongfu1,DUHang2,BAOZhenghong1,ZHANGShuo1ZHANGFengli1,LIWenguang2,YIGuoxin2,WANGZile1Abstract:ThereliableconnectionofbusconductorsistheprerequisitetoensurethenormaltransmissionofelectricenergyinGIS,andthereasonabledesignofconductorstructureisveryimportantforthesafeoperationofbus.Thispaperintroducestheabnormaloperationeventsofa110kVthree-phasecommonboxtypeGISbus,whichshowedvoltagefluctuation,abnormalsoundandexcessivegascomponentsduringoperation.TheX-rayinspectionfoundthatthelimitscrewsweremissinginthebusconductorandthelimitscrewsonbothsidesofthesameconductorweresqueezedanddeformedatthesametime.Furtherthroughtheoreticalcalculationandreasoninganalysis,itisconcludedthatthedesignmovementmarginbetweentheconductorandthelimitscrewonbothsidesofthecontactseatdoesnotmeettherequirements.Inviewofthisphenomenon,asafe,reasonableandeconomicalstructuralimprovementmeasureisputforwardbasedontheactualoperatingconditions,andtheoveralltransformationworkofthetwobusbarsofthesamestructureiscarriedout,andthetransformationeffectismoreremarkable,whichprovidesideasforthesubsequentdiscoveryandsolutionofsuchproblems.Keywords:GIScombinedelectricalapparatus;busconductor;activitymargin;heatexpandsandcoldshrinks;X-ray收稿日期：2023-02-20；修回日期：2023-06-28作者简介：马永福（1994），男，工程师，主要从事电气设备诊断试验工作。70第 42 卷青海电力0 引言户外大温差运行环境下，气体绝缘金属封闭开关（GasInsulatedSwitchgear，GIS）设备壳体和导体的活动裕度是产品设计的关键要点之一，设计结构不合理、现场安装工艺管控不良等因素都会引起设备异常甚至发生故障1-2。由于 GIS 导体全部被封装在金属外壳内，常规检测手段难以发现内部结构缺陷，X 射线技术提供了较好的检测手段，可在带电条件下开展工作，是常用的现场可视化检测方法3-5。1 异常事件描述1.1 漏装限位螺钉某 330kV 变电站户外式 110kVGIS段母线 A 相电压出现异常波动，巡视发现母线电压互感器附近存在异音，检测发现母 2 气室特征气体组分超标，表明内部存在放电。解体检查发现母线与电压互感器间隔三通位置，A 相导体插入 T 型触头座深度严重不足（A 相插入约2cm，正常插入深度约为 8cm），导体端部仅与触头座内最外圈触指弹簧接触，接触部位导体及其弹簧圈均已被烧蚀变黑，导体端部表面存在与触指弹簧对应的半圈凹痕，如图 1 和图 2所示。图 1 导体端部烧蚀情况及凹痕图 2 T 型触头座内烧蚀情况该结构母线导体两侧触头座内均设计有限位螺钉，用来限制导体在触头座内的活动范围，确保导体与两侧触指弹簧可靠接触。进一步检查发现该段导体靠近盆式绝缘子侧触头座内的螺钉未安装，导体在该侧触头座内插入过深（约12.5cm），超过了设计极限位置，如图 3 所示。现场采取更换被烧蚀导体和触头座、重新安装盆式绝缘子侧触头座限位螺钉的措施进行了紧急抢修并恢复供电。图 3 母 2 气室 A 相导体结构图1.2 限位螺钉被挤压变形为了掌握母线其它位置的运行情况，对站内同厂家、同型号母线进行了 X 射线检测，具体情况如下。对结构与母 2 气室相似的母 2 气室相同位置进行了射线检测，发现 B 相导体插接情况与母 2 气室 A 相导体基本一致，即靠近盆式绝缘子侧触头座内未安装限位螺钉，导体在盆子侧触头内插入过深，在 T 型触头座内插接深度不足，如图 4所示。图 4 母 2 气室 B 相导体两侧插接情况射线影像在对其它位置进行射线检测时，发现部分触头座内虽然安装有限位螺钉，但是螺钉被导体不同程度挤压变形，其中包括两侧限位螺钉同时被同一段导体挤压变形的极限情况，如图 5所示（图所示 C 相 2 段导体）。此种情况的出现，表明导体在两颗螺钉之间已无活动间隙，如果继续发展，导体和壳体热胀冷缩产生的应力会通过螺钉触头座导体的路径作用到 T 型触71第 3 期马永福，等：GIS 母线导体设计活动裕度不足引起的异常分析及处理头座上部的电压互感器间隔水平盆式绝缘子以及气室两端的竖直盆式绝缘子上，极易造成盆式绝缘子出现裂纹，进而导致设备故障，因此必须予以分析和处理。图 5 母 2 气室 C 相 2 段导体两侧插接情况射线影像2 螺钉变形原因分析母 2 气室 A 相导体和母 2 气室 B 相导体盆子侧触头座内限位螺钉缺失是由于基建安装阶段人为漏装造成，在此不做赘述，本章节重点对母 2 气室 C 相 2 段导体等两侧均出现螺钉变形的现象进行分析。2.1 设计活动裕度根据设计，母 2 气室 C 相 2 段导体两侧限位螺钉孔距为 1980mm，导体长度为 1970mm，不安装螺钉时导体在两螺钉孔间的活动裕度为 10mm，考虑所用螺钉规格为 M6（即螺杆部分直径为 6mm），当导体插入两侧触头座并且两侧螺钉全部安装后，单侧螺钉占据活动裕度为其半径 3mm，两侧螺钉共占据 6mm，因此导体在两侧螺钉间的设计活动裕度仅余 4mm，如图 6所示。图 6 母 2 气室 C 相 2 段导体设计活动裕度2.2 极限加工相对误差根据厂家内控标准，导体允许加工误差为1mm，单件壳体设计误差为 0.5mm，母2 气室 C 相 2 段导体所在两间隔之间共包含 3 段筒体和 1 段波纹管，在进行金属件极限加工误差计算时：（1）螺钉孔在触头座上、触头座与壳体硬连接，假定此区间壳体全部是长度下差，即螺钉孔距由 1980mm减小为 1978mm；（2）假定导体是长度上差，即导体长度由 1970mm增长为 1971mm。可以得到金属件极限加工相对误差为 3mm，此相对误差会占据 4mm的设计活动裕度。2.3 导体极限伸长量该 GIS 设备导体和壳体材质均为铝合金，在温度发生变化时会产生热胀冷缩，壳体热胀冷缩量由波纹管吸收或释放，导体则由限位螺钉间的活动裕度吸收或释放，造成导体温度变化的主要因素包括环境温度和自身电流致热两种。结合当地气候条件，在进行导体极限伸长量计算时，取安装温度 T0为 0，最高气温 Tmax为32，日照导致壳体向阳面温升 T1为 10K，额定电流下导体温升 T2约为 18K，则根据线性膨胀计算方法得到：式中，Lmax为导体极限伸长量，mm；L 为导体设计长度，取 1970mm；为线性膨胀系数，铝合金取 22.310-6m/K。计算得到导体极限伸长量 Lmax为 2.64mm。2.4 原因分析根据上述计算可知，导体和壳体的极限加工相对误差为 3mm，导体温度升高时的极限伸长量为 2.64mm，为了保证同一段导体不会同时碰到两侧螺钉，则导体在两侧限位螺钉间的设计活动裕度至少应为 5.64mm，而实际设计值仅有 4mm，因此导体在加工误差、热胀冷缩、电动力等因素综合影响下必将两侧螺钉挤压变形。3 改进措施造成限位螺钉被挤压变形以及异常运行事件的主要原因是导体设计活动裕度不足和人为漏装螺钉，因此进行结构改进时应遵循以下原则：（1）导体与两侧限位装置之间必须预留不小于 5.64mm的充足活动裕度，同时要保证极限情况下导体一端紧靠限位装置时，另一端与三圈触指弹簧有效连接；（2）现场安装人员技术水平参差不齐，应尽量从设计角度避免安装可72第 42 卷青海电力能出现的问题；（3）尽量减小改进治理成本。综合上述三个改进原则，提出以下改进措施：（1）增大导体两侧限位装置之间的间距，由原设计的 1970mm增大为 1980mm，导体与两侧限位装置之间的活动裕度由原设计的 4mm增大为 14mm，满足大于等于 5.64mm要求，同时当导体一端紧靠限位装置时另一端与三圈触指弹簧紧密连接；（2）取消靠额外加装限位螺钉限制导体活动范围的结构，触头座内限位装置改为变径台阶式铸铝结构，铸铝台阶厚度为16mm，在满足限位需求的同时可彻底避免漏装、掉落以及变形风险；（3）仅改变触头结构，无需改变导体结构，改造成本较低。改进后结构设计图如图 7 所示。随后根据此设计图进行了组部件生产及现场安装工作，母和母整体改造后持续安全稳定运行。图 7 改进后 T 型触头结构及尺寸4 结论1）造成母 A 相电压波动、2 气室异音和气体组分异常的原因为触头座内漏装限位螺钉，导体在漏装螺钉侧插入过深，而在对侧与触指弹簧虚接产生发热和放电。2）X 射线检测发现母 2 气室 C 相 2 段导体两侧限位螺钉均被导体挤压变形，其原因为导体在两侧限位螺钉间的设计活动裕度不足。3）根据母线实际运行条件计算出了合理的导体活动裕度、将触头座限位装置改为变径台阶式铸铝结构，使得导体在拥有充足、安全的活动裕度的同时避免了螺钉漏装等风险。4）对存在隐患的母和母进行了全面改造，改造方式经济，改造效果显著，印证了改进措施的合理性。5 建议1）GIS 设备生产厂家应结合实际运行条件进行差异化产品设计，特别是大温差环境下户外式 GIS 母线的设计，应结合实际气象数据经充分计算、论证后确定结构及尺寸，确保导体活动裕度合理、导体运行安全。2）厂家在设计母线及其他产品时，应尽量从结构设计上避免各类隐患和风险，把质控关口前移到设计阶段，减少对安装人员的依赖，确无法避免的应做好安装现场质量管理。3）设备运维管理单位提前介入产品设计工作，做好产品运行适应性沟通；安装阶段需要加强技术监督，确保每一颗螺钉安装到位并做好记录。4）对在运同型号、同结构产品进行全面 X射线排查，出现上述问题时应及时进行改造处理，第一时间消除安全隐患。参考文献：1 谢志杨.母线导体插入深度不足导致 GIS 对地故障原因分析 J.高压电器,2009,45(03):160-163.2 王 俊 波,王岩,李 国 伟，等.一 起 GIS 触头接触不良导致的接地事故分析 J.电工材料,2013,41(04):43-45.3 刘荣海,耿磊昭,唐法庆，等.X 射线数字成像在 GIS 装配检测中的应用 J.云南电力技术,2018,46(1):29-31.4 张 杰,孙庆峰,毛永铭，等.射线成像技术在GIS 设备母线导体连接触头间隙检测中的应用 J.浙江电力,2013,35(5):12-14.5 刘 高 飞,云 峰,王 志 惠,等.X 射 线 成 像 检测技术在电网 GIS 母线中的应用 J.青海电力,2015,34(01):42-44.本文编辑：黄海川