關于800kVGIS長距離母線筒位移研究

李大權 姜 飛 萬榮興

（1.甘肅省電力公司蘭州輸變電運行公司，蘭州 730000，2.長沙理工大學電氣與信息工程學院，長沙 410004）

GIS（Gas Insulated Substation）是氣體絕緣全封閉組合電器的英文簡稱。GIS具有占地面積小、絕緣性能高、安全可靠、壽命長、運行方便等特點，已廣泛應用于不同電壓等級的電力系統中[1]。對GIS母線筒采用長距離、高空架設安裝，必須考慮土建施工、設備制造、安裝等產生的誤差，以及運行中溫度變化產生的熱脹冷縮、基礎不均勻沉陷、斷路器操作時的瞬間振動、遇到地震力作用等因素。這些因素都可能導致母線筒超過允許的變形和應力范圍，嚴重時還將危及GIS的安全運行[2]。

750kV蘭州東變電站800kVGIS母線筒采用新東北公司產品[3-4]，其安裝長度終期將達310m以上，因此長母線筒由外力（主要為溫度變化的熱脹冷縮作用力）產生的位移問題值得進一步研究與總結。

1 滑塊與伸縮節在800kVGIS母線筒的應用

750kV蘭州東變電站800kVGIS設備采用一字型二分之三接線，為了抵消外力對母線筒產生的應力，目前母線筒在安裝過程中采用了伸縮節與母線支架滑塊。

1.1 800kVGIS母線筒支撐滑塊應用

800kV母線筒每隔5m左右設置一個支撐點，每個支撐點有兩個支柱，通過兩個支撐滑塊與母線筒底座相連，如圖1所示。該滑塊可以向4個方向移動，以確保當母線筒與支撐部位發生相對位移時，支撐部位仍然能夠提供對母線筒的可靠支撐。滑塊的位移量反映了母線筒的熱脹冷縮特性，同時也反映了母線筒與支撐部位之間的水平相對位移。但在運行現場支撐滑塊在母線筒移動過程中，它只起到了滑動支撐作用，對抵消伸縮節的熱脹冷縮效果不大[5]。

圖1 蘭州東變電站應用的GIS母線支撐滑塊

1.2 800kVGIS母線筒伸縮節應用

伸縮節外形如圖 2所示，其在母線上每間隔15～22m左右設置一組，主要用于裝配調整、吸收基礎間的相對位移和熱脹冷縮產生的伸縮量。其裝設與GIS配電裝置總體布置和相應的土建結構有密切的關系，相對于鋁制外殼的GIS配電裝置，自身具有一定承受變形能力。因此，伸縮節的合理配置一般由制造廠根據GIS配電裝置總體布置結構計算后提出建議，由工程設計單位認可實施。

不同品種的伸縮節有不同的調節方法，在工程中一般采用簡化的調節方式。下面以拉桿直連型伸縮節為例說明伸縮節的調整注意事項[6]。

1）伸縮節安裝過程中，內外側的螺母要求松開一定尺寸，應對管道母線的安裝情況進行調整，同時要測量調整前后的安裝尺寸，并保證伸縮節未超出其允許的軸向及徑向調節范圍。

2）伸縮節在安裝過程中嚴禁用拉伸、壓縮和偏轉伸縮節的辦法來調整安裝誤差，以免導致伸縮節破壞。

3）在伸縮節安裝完成后和產品內部充氣體之前，應鎖死伸縮節的外側螺母。

圖2 蘭州東變電站應用的GIS母線伸縮節

2 運行中800kVGIS母線支架位移統計情況

2.1 800kVGIS母線筒支架位移統計

蘭州東變電站位于西北高原地區，海拔1898m，晝夜溫差最大可達20℃以上，因此由溫差產生的熱脹冷縮作用對750kV母線筒影響較大。

為了能更好的觀察伸縮節的效用，運行人員在伸縮節處放置卡尺，對伸縮節的變化情況進行了觀察。本文抽取2009年3月份750kVⅠ母東側伸縮節每日的變化情況，如圖3所示（伸縮節伸出位移尺度計為正值，壓縮尺度計為負值）。

由圖3可以看出：750kVⅠ母母線A、B、C三相統計處的伸縮節在一月內發生了較大的變化，其中早晚變化幅度最大值達13cm。可見，伸縮節在吸收母線外力作用位移時起到了一定積極作用。

圖3 750kVⅠ母母線第13—14支柱間伸縮節月內變化情況

同時，對母線筒位移情況也做了觀測研究。表1為2009年某兩日對母線支架位移的測試情況。可見，GIS母線筒東西兩頭處支架位移明顯增大，例如，750kVⅠ母西側位移為 34mm，東側位移為30mm，750kVⅡ母西側位移為 30mm，東側位移為16mm，而靠中間處母線筒位移接近零。這表明溫補伸縮節在溫度變化時，兩側母線筒并未受較大水平力固定，母線筒發生整體滑動，而溫補伸縮節起不到相應的固定補償作用，這對母線的安全運行產生了負面影響。

2.2 現場運行中所遇到的問題

2008年12月4日，750kV蘭州東變電站運行人員巡視時發現750kVⅠ母母線7117接地刀閘B、C相所在垂直段母線筒底部法蘭面西側漏氣，如圖4所示，此時環境溫度為-14℃。經分析，在環境溫度急劇變化情況下，母線上安裝的伸縮節不能完全補償熱脹冷縮變化，引起的應力傳遞至母線連接的垂直段母線筒底部，法蘭受力過大造成局部機械損傷，密封性能下降導致 SF6氣體泄漏。這種問題的產生進而要求我們繼續對GIS母線兩端及轉角處抵消熱脹冷縮力的問題進行深入研究。

表1 變電站6月16日和4月13日母線支架位移測試統計

圖4 紅外線照片（750kVⅠ母線B相漏氣點）

3 模型與實際對比研究

3.1 模型檢驗

蘭州東變電站伸縮節均采用軸向調節（水平伸縮），本文檢驗模型的建立采用整體結構和伸縮進行軸向調節分析計算。假設以下條件成立：

1）筒體的熱脹冷縮發生的變化均被伸縮節吸收。

2）忽略母線筒由于受力而發生固體形變。

3）假定母線筒材質所發生的熱脹冷縮為線性膨脹。

4）次剛性固定支架未發生形變。

定義每個伸縮節為一個單元，統計出一個單元內所有母線筒長度之和。

母線筒的伸縮量為

式中，k為母線筒的單位形變量，L為母線筒長度。并且，鋁質母線筒的單位形變量k為

式中，α為鋁的線膨脹系數，取值為（23.6×10-6），ΔT 為溫差，單位為℃。

3.2 實際運況分析

蘭州東變電站2011年7月7日與7月19日溫度分別為25℃和35℃，溫差ΔT為10℃，根據式（1），可得表2所示。

表2 伸縮節實際變化值與理論計算值對比

由表2可見，理論計算值與實際值有較大的誤差。表明溫補伸縮節在溫度變化時，由于固定支架和垂直母線筒強度不夠，造成溫補伸縮節起不到相應的補償作用，因而造成了母線筒支架位移產生了較大的形變，如表1分析得知，相應的兩側滑塊移動量較大。主要原因歸結于溫補伸縮節及固定支撐兩方面。溫補伸縮節出現的問題分為兩類：包括伸縮節預壓力調整不當和現場安裝工藝差造成。固定支撐出現的問題也分為兩類：包括固定支架強度不足和固定垂直母線筒強度設計不足。現將分析情況匯總如下。

1）伸縮節預壓力調整過大

在溫度變化時，溫補伸縮節長度變化較小，伸縮節未能有效的消除母線筒熱漲冷縮產生的變化量，反而將母線筒變化量傳遞到下一個單元，如此累加后，導致母線東、西兩端垂直母線筒法蘭底座承受的應力過大，發生母線東、西兩端垂直母線筒向西或向東偏移現象。

2）現場安裝工藝差

GIS安裝工藝要求很高，在現場安裝GIS母線時，施工人員將伸縮節全部壓縮后在進行安裝，然后再進行調整預壓力，未考慮伸縮節安裝時的環境溫度。隨著環境溫度的變化，溫補伸縮節預壓力不能滿足溫度變化，也是造成伸縮節不能完全起到溫度補償作用。

3）固定支架強度不足引起的固定支架位移

按照設計原理，母線溫補伸縮節應能補償每個單元的膨脹量，固定支柱不應有偏移，但從測試結果表明，一是由于固定支柱強度不夠，溫補伸縮節起不到相應的補償作用，造成所有固定支柱均有不同程度的傾斜；二是由于垂直母線筒強度不夠，溫補伸縮節沒有起到相應的補償作用，造成母線東、西兩端垂直母線筒向西或向東偏移不同程度的傾斜。

4 GIS母線端部主剛固定支架的應用

4.1 解決方案

為了能使熱脹冷縮力在母線端部所產生的較大位移完全被吸收，結合現場實際分析提出了長距離800kVGIS母線筒架設末端適當增加剛性三角固定支架[7]，如圖5所示。

圖5 母線端部主剛性支架的設置

在母線上增設主剛性支架，可以與原剛性構支架（以下稱為次剛性固定支架）配合，減輕次剛性固定支架的負擔，如圖6所示，改善罐體旁通法蘭和底腳法蘭上的受力情況，進而使在溫度變化時所引起的母線筒位移完全被兩固定支架間的伸縮節和滑塊移動吸收。

圖6 現場應用的支架及伸縮節配合情況

4.2 原理分析

主剛固定支架應承受的最大荷載應考慮在母線筒運行期間可能產生變化的下列荷載：

1）管道熱脹冷縮和其他位移產生的作用力和力矩[8]。

2）不平衡力造成的波紋膨脹或補償器等的內壓作用力及彈性力。

3）管體內氣體突然變化引起的力，風力以及地震力等造成使用期間瞬間和偶爾發生的荷載應計入。

4）母線端部彎管內氣體變化對支架的作用力。

蘭州東變電站GIS母線主固定支架可能承受的最大載荷出現在高溫時，此時伸縮節的內壓作用力與伸縮節變形產生的彈性力方向相同；低溫時，伸縮節的彈性力與伸縮節波紋的內壓作用力方向相反。這在設計主固定支架所承受力范圍時應該注意。

5 結論

母線筒熱脹冷縮會使兩端及轉角處受到很大的應力，威脅到兩伸縮節端及轉角處的焊縫，嚴重時會導致焊縫開裂，引發設備事故。雖然支撐滑塊能夠提供母線筒發生位移時的可靠支撐，伸縮節能夠一定程度上緩解母線筒熱脹冷縮問題，但在實際應用中這些并不能起到完全補償的作用。因此筆者建議今后750kVGIS建設中應該考慮在長母線筒端頭、T型接頭、Π型接頭處增加主剛固定支架，而其具體的力學分析與工程應用還將進一步研究。

[1]梁家盛.淺談GIS在電網中的應用及展望[J]. 廣東科技,2009,11:130-131.

[2]李海波,萬榮興,方勇.蘭州東變電站 750kVGIS母線筒缺陷原因分析[J].高壓電器,2010,46(11): 12-15.

[3]國家電網公司.750kV輸變電示范工程建設總結[M].北京:中國電力出版社,2006.

[4]韓國曉星公司.800kv金屬封閉開關設備最終文件和圖紙[M].韓曉星公司，2005.

[5]王軼慧,何芙蓉,祁文治.750kVGIS長距離母線筒熱脹冷縮問題探討[J]. 電網與水利發展進展,2007,11:18-20.

[6]黃坤鵬.伸縮節在GIS中的應用[J].電器制造,2011,6:40-43.

[7]新東北電氣(沈陽)高壓開關有限公司.關于蘭州東變電站工程 800kVGIS母線固定支架的力學分析報告[R]. 2009.5.

[8]國家質量技術監督局. GB/50316—2000工業金屬管道設計規范[S]. 2001.