GIS母線(xiàn)波紋管調(diào)節(jié)螺桿發(fā)熱分析及處理

摘 要：為解決GIS母線(xiàn)波紋管感應(yīng)電流帶來(lái)GIS設(shè)備局部發(fā)熱加速設(shè)備的老化，通過(guò)對(duì)500kV紫荊變電站220kV GIS母線(xiàn)波紋管發(fā)熱的現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)量和分析，提出解決措施，對(duì)運(yùn)行中的設(shè)備在無(wú)安全風(fēng)險(xiǎn)的前提下進(jìn)行缺陷處理，并跟蹤其處理后的效果，為波紋管設(shè)計(jì)、驗(yàn)收提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

關(guān)鍵詞：波紋管；調(diào)節(jié)螺桿；感應(yīng)電流；發(fā)熱

0 引言

近年來(lái)GIS在電力系統(tǒng)的應(yīng)用中體現(xiàn)出很大的優(yōu)越性，與常規(guī)敞開(kāi)式變電站相比，GIS具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、可靠性高、配置靈活、安裝方便、安全性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，維護(hù)工作量很小等優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)電壓等級(jí)較高的變電站都采用GIS形式，而波紋管是GIS的重要組成部分，作為一個(gè)彈性元件，利用材料的彈性來(lái)實(shí)現(xiàn)所要求的功能，它在外界載荷作用下改變?cè)男螤詈统叽纾?dāng)載荷卸除后又恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量、連接、補(bǔ)償、密封、減震等功能。波紋管的彈性特征在氣體封閉式組合電器上得到廣泛的應(yīng)用。但其部件發(fā)熱會(huì)引起法蘭處密封材料老化，降低密封性能，影響GIS設(shè)備安全運(yùn)行。本文對(duì)波紋管調(diào)節(jié)螺桿發(fā)熱原因進(jìn)行測(cè)量和分析，提出現(xiàn)場(chǎng)解決措施及波紋管部件在設(shè)計(jì)和驗(yàn)收上的注意事項(xiàng)。

1 問(wèn)題提出

1.1 發(fā)現(xiàn)缺陷

某日運(yùn)行人員在500kV紫荊變電站巡視時(shí)發(fā)現(xiàn)220kV6M位于荊廷甲線(xiàn)4762間隔處波紋管調(diào)節(jié)螺桿和螺母均有不同程度的發(fā)熱，該節(jié)共有6根調(diào)節(jié)螺桿，其中3根發(fā)熱較嚴(yán)重，最高測(cè)溫達(dá)65.5℃。對(duì)比其他間隔波紋管調(diào)節(jié)螺桿和螺母溫度約為42℃-43℃。

某日運(yùn)行人員在500kV紫荊變電站發(fā)現(xiàn)位于220kV1M母線(xiàn)荊翡乙線(xiàn)間隔與母聯(lián)2015間隔之間的母線(xiàn)波紋管調(diào)節(jié)螺桿和螺母均有不同程度的發(fā)熱，該節(jié)共有6根調(diào)節(jié)螺桿，其中5根發(fā)熱較嚴(yán)重，最高測(cè)溫達(dá)52.3℃。對(duì)比其他間隔波紋管調(diào)節(jié)螺桿和螺母溫度約為36℃。其紅外測(cè)溫圖如圖1-圖2。

利用鉗形電流表對(duì)對(duì)上述兩處發(fā)熱波紋管調(diào)節(jié)螺桿的感應(yīng)電流進(jìn)行測(cè)量，為確保測(cè)量準(zhǔn)確使用兩只鉗表同時(shí)進(jìn)行對(duì)比測(cè)量值。荊廷甲線(xiàn)4762間隔處波紋管調(diào)節(jié)螺桿感應(yīng)電流測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示，荊翡乙線(xiàn)間隔與母聯(lián)2015間隔處波紋管調(diào)節(jié)螺桿感應(yīng)電流測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示，兩只鉗表測(cè)得通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿的感應(yīng)電流最大值分別為85.8A和83.2A，其他調(diào)節(jié)螺桿感應(yīng)電流約60A至70A。再對(duì)其他正常間隔的調(diào)節(jié)螺桿進(jìn)行測(cè)量，兩只鉗表測(cè)得其他間隔的感應(yīng)電流分別為10A-20A。

若長(zhǎng)期過(guò)熱運(yùn)行，將造成波紋管調(diào)節(jié)螺桿與螺母快速老化導(dǎo)致?lián)p壞，從而喪失波紋管連接、補(bǔ)償、密封、減震等功能，更嚴(yán)重的將對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行有著直接的威脅。

1.2 原因分析

（1）產(chǎn)生波紋管環(huán)流的基本原理是電磁感應(yīng)。GIS外殼波紋管與其內(nèi)部導(dǎo)體間的距離很小，兩者的電磁耦合很強(qiáng).這種緊湊型結(jié)構(gòu)使得GIS外殼波紋管與內(nèi)部對(duì)應(yīng)導(dǎo)體構(gòu)成一個(gè)空心變壓器，導(dǎo)體為原邊，外殼為副邊，導(dǎo)致GIS外殼波紋管產(chǎn)生明顯的感應(yīng)電勢(shì)，包含引起縱向電流的共模電勢(shì)和引起渦流的橫模電勢(shì)[1]。有資料表明，當(dāng)電壓等級(jí)比較低的時(shí)候，三相母線(xiàn)共用一個(gè)金屬外殼，在三相對(duì)稱(chēng)運(yùn)行下，外殼上不會(huì)產(chǎn)生幅值很高的環(huán)流，但當(dāng)電壓等級(jí)比較高的時(shí)候，三相不是“共體”結(jié)構(gòu)，一般采用三相分體的形式，在這種結(jié)構(gòu)下，特別是產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)或故障運(yùn)行的時(shí)候，外殼上會(huì)產(chǎn)生很大的環(huán)流[2]。情況如圖5。

（2）根據(jù)P=I2R，當(dāng)流過(guò)到體內(nèi)的電流越大或?qū)w的電阻越大時(shí)，該導(dǎo)體的發(fā)熱就會(huì)越嚴(yán)重。正常情況下，外殼感應(yīng)電流應(yīng)在波紋管處導(dǎo)流排處，不應(yīng)在波紋管處流過(guò)。如果感應(yīng)電流從波紋管處波紋管流過(guò)的話(huà)，將有可能引起波紋管的發(fā)熱。所以我們觀(guān)察分析了GIS設(shè)備波紋管處導(dǎo)流排如圖6、圖7、圖8，發(fā)現(xiàn)發(fā)熱間隔導(dǎo)流排存在連接，檢查所有此類(lèi)導(dǎo)流排均有不同程度發(fā)熱，且發(fā)熱間隔調(diào)節(jié)螺桿的感應(yīng)電流也是正常間隔調(diào)節(jié)螺桿的3-4倍。

對(duì)照電氣主接線(xiàn)圖，第1處發(fā)熱點(diǎn)母線(xiàn)所在電氣位置如圖9所示。由圖中可知第1處發(fā)熱點(diǎn)所在的母線(xiàn)位置流過(guò)的電流為線(xiàn)路1和線(xiàn)路2的電流之和，即主變1所有的電流均流過(guò)第1處發(fā)熱點(diǎn)所在的母線(xiàn)位置，該處的感應(yīng)電流會(huì)比線(xiàn)路1與線(xiàn)路2之間、主變1之前、線(xiàn)路2之后的母線(xiàn)感應(yīng)電流大。

第2處發(fā)熱點(diǎn)母線(xiàn)所在電氣位置如圖12，由圖中可知第2處發(fā)熱點(diǎn)所在的母線(xiàn)位置流過(guò)的電流為線(xiàn)路3至線(xiàn)路8所有線(xiàn)路電流之和，即主變2所有的電流均流過(guò)第二處發(fā)熱點(diǎn)所在的母線(xiàn)位置，該處的感應(yīng)電流會(huì)比線(xiàn)路與線(xiàn)路之間，主變2之后、線(xiàn)路3之前的母線(xiàn)感應(yīng)電流大。假設(shè)導(dǎo)體的電阻相同，發(fā)熱點(diǎn)處由于所在的母線(xiàn)載流量大，其感應(yīng)電流也大，故其發(fā)熱也嚴(yán)重。

（3）根據(jù)全連式封閉母線(xiàn)外殼環(huán)流損耗的計(jì)算公式P=IK2RKO Kf，式中IK為外殼環(huán)流；RKO為外殼直流電阻；Kf為外殼的集膚效應(yīng)損耗系數(shù)，在厚度不大于8 mm 時(shí)可取為1[3]。顯見(jiàn)，當(dāng)外殼直流電阻越大時(shí)，發(fā)熱也相對(duì)嚴(yán)重。在發(fā)熱間隔螺母和調(diào)節(jié)螺桿均有銹蝕，所以直流電阻會(huì)比較大。

2 處理方法

220kV GIS母線(xiàn)安裝有以下兩種波紋管，一種是波紋管調(diào)節(jié)螺桿兩端與法蘭的螺母均是緊固的，主要用于補(bǔ)償組建時(shí)的長(zhǎng)度系數(shù)。如圖11；另一種是波紋管調(diào)節(jié)螺桿兩端與法蘭螺母其中一端松開(kāi)的，主要用于組建后的溫度和吸收地震時(shí)的振動(dòng)，如圖12。對(duì)于兩種不同的波紋管采用不同的處理方法。

2.1 波紋管調(diào)節(jié)螺桿兩端與法蘭的螺母均是緊固的處理方法

（1）對(duì)于調(diào)節(jié)螺桿兩端與法蘭的螺母均是緊固的波紋管無(wú)法拆卸處理，可通過(guò)對(duì)螺桿和螺母表面處理減少電流的大小或直流電阻的大小，所以擬定對(duì)螺栓擦拭、除銹等處理來(lái)減少直流電阻。

（2）根據(jù)以往的處理方案和經(jīng)驗(yàn)分析，也可在波紋管兩端外側(cè)每對(duì)螺栓間逐一加裝符合設(shè)計(jì)規(guī)定的連接小鋁排，以期對(duì)調(diào)節(jié)螺桿或內(nèi)藏式跨接鋁排實(shí)施分流，從而降低發(fā)熱。但此方法需要改變?cè)O(shè)備構(gòu)造，所以并未采用此方法進(jìn)行改良。

由于封閉母線(xiàn)外殼是三相短路并接地的，鋁外殼上感應(yīng)的軸向電動(dòng)勢(shì)與大地間無(wú)電位差，故可在不停電的條件下實(shí)施。

2.2 波紋管調(diào)節(jié)螺桿兩端與法蘭的螺母其中一端松開(kāi)的處理方法

用鉗表測(cè)量正常的有一端螺母松開(kāi)的調(diào)節(jié)螺桿的感應(yīng)電流，測(cè)量電流值為0.1A，接近0，但用導(dǎo)體使調(diào)節(jié)螺桿松動(dòng)端接觸外殼后，測(cè)量電流值變?yōu)?4.2A，由于調(diào)節(jié)螺桿沒(méi)有形成閉合回路，產(chǎn)生不了感應(yīng)電流，故這種調(diào)節(jié)螺桿也就發(fā)熱不明顯。

由此，在經(jīng)查閱500kV紫荊站土建圖紙得出，500kV紫荊變電站地基相對(duì)牢固，近幾十年不會(huì)存在大幅度下降或上升，且近年來(lái)沉降觀(guān)測(cè)點(diǎn)并未大的變化，所以在松動(dòng)端加纏絕緣一層膠帶絕緣膠帶后，所留下的5mm的調(diào)節(jié)余度完全符合要求，不會(huì)存在風(fēng)險(xiǎn)。

3 效果檢測(cè)

經(jīng)過(guò)上述措施處理后，在迎峰度夏期間，每天對(duì)缺陷部位進(jìn)行測(cè)溫，發(fā)現(xiàn)荊廷甲線(xiàn)間隔波紋管紅外測(cè)溫37.3度（負(fù)荷一致時(shí)），荊翡乙線(xiàn)間隔紅外測(cè)溫41.5（負(fù)荷一致時(shí)），發(fā)熱現(xiàn)象已消除。但對(duì)于調(diào)節(jié)螺桿兩端與法蘭的螺母均是緊固的波紋管并未從根本上拆卸處理，只做了表面處理，所以雨天過(guò)后，螺栓會(huì)生銹，直流電阻仍會(huì)增加，進(jìn)而需進(jìn)一步跟蹤。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上200kV封閉母線(xiàn)波紋管調(diào)節(jié)螺桿與法蘭的螺母局部過(guò)熱的發(fā)現(xiàn)、分析與處理，建議GIS設(shè)備設(shè)計(jì)和驗(yàn)收時(shí)應(yīng)重視以下事項(xiàng)：

（1）在設(shè)計(jì)方面，要求每一節(jié)波紋管都要加裝導(dǎo)流排用以分流，并根據(jù)運(yùn)行時(shí)母線(xiàn)不同位置載流量加裝適當(dāng)數(shù)量導(dǎo)流排，且導(dǎo)流排的直流電阻、安裝工藝等要符合要求，建議不要選擇連接式的導(dǎo)流排；

（2）在波紋管波調(diào)節(jié)螺桿的緊固端螺母內(nèi)加裝絕緣墊片，使其環(huán)流不通過(guò)波紋管調(diào)節(jié)螺桿；

（3）在專(zhuān)業(yè)驗(yàn)收時(shí)要注意，保證波紋管直流電阻、絕緣和氣密性要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，且材料屬性符合要求，這樣才能保證設(shè)備安全可靠的運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]施圍，張亞婷，呂鴻等.母錢(qián)外殼環(huán)流與哲態(tài)地電位升離現(xiàn)象研究[J].中國(guó)學(xué)術(shù)期刊電子出版社，2008，36（01）.

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作者簡(jiǎn)介：方丙濤（1989—），男，廣東惠來(lái)人，本科，助理工程師，研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)化。