可伸縮式GIS設備套管支撐研究

薛景天

（江蘇省送變電有限公司，江蘇 南京 210000）

在設備日常運行維護中，通過觀察水平尺氣泡，判斷地基變化情況，當地基狀態發生變化時通過調節可伸縮式支撐，便可使出線套管處于良好的水平狀態，從而保證GIS設備的安全穩定運行。

1 套管結構分析

套管結構主要是由空心復合絕緣子、上均壓環、下均壓環、中心導體、中間屏蔽、接地屏蔽、絕緣支撐棒、絕緣支撐筒、盆式絕緣子和塔形筒等組成，其中上下均壓環主要是改善套管的電場，在實際的應用過程中所使用的高壓復合套管主要是采用了中間屏蔽和接地屏蔽兩種屏蔽方式，但是不論是哪種屏蔽方法，都會對實際的電力系統運行產生一定的影響。復合套管內使用的絕緣結構設計主要是根據現場實際情況，考慮到GIS套管的各項參數數據計算得到的。在特高壓狀態下的運行的交流套管，其在沖擊電流下的內屏蔽結構設計，更是需要相當的技術含量。對于特高壓而言，極高的運行電壓，導致了極高的運行電流，其對絕緣的要求相當高，因此設計師就在一定程度上提高了高壓交流復合套管的絕緣性。但實踐的運行過程中，也要考慮其他因素對運行的影響，要保證整個運行是科學合理的，不受其他外部因素的影響，確保復合套管能夠在高壓下正常運行。與此同時，為了保證絕緣強度還會在相應的位置設置一定的絕緣距離。

一般情況下，在大電流的作用下，為保證絕緣效果和安全距離，復合套管設計高度必須要達到十幾米，整項工作相對來說比較困難，就對設計師的水平存在一定要求。GIS復合套管主要的絕緣介質為SF6氣體，內部也是金屬屏蔽結構，同時擁有多個支撐絕緣子，有很好的穩定性。還會在套管外部安裝環氧玻璃絲來提高絕緣性，在外面也安裝一層硅橡膠，充分保證電流能通過中心導桿傳入系統當中，也會在套管的底部安裝均壓環來防止各項電壓不穩的情況發生。單從電場計算來看，會對套管使用三維模型建模，可以準確的計算內屏蔽的各處電場，還能優化附近網格，算是在建模技術方面一個好的研究。

2 相應事故故障原因分析、處理和必要性分析

在某次事故引起當地電網大面積停電的事故原因分析中，在經過大量考察發現，發生故障的氣室所使用的中心導體，主要采用六系鋁合金材料，安全質量方面完全符合要求；但在中心導體焊縫內圈也就是焊縫底部有明顯的氣孔、疏松等焊接漏洞，在工藝上是不合格的。一般情況下，因為有彎矩的存在，通常會在容易出現裂縫的地方產生裂紋，而且裂紋還會向外擴展，就會增大裂縫，在一定程度上影響焊縫的強度。并且在重力的影響下，裂紋擴大的速度會不斷加快。因此裂縫容易在焊接處產生。當然，在實踐中也有實例分析，可能是運輸方法不對，導體碰撞下造成的裂縫。所以說在某一處發生斷裂就很有可能是因為焊接的不穩定，然后其他相應的導體可能會因為某一處的斷裂引起其他地方的裂縫，整體沒有起到一個支撐的作用，在重力作業引發多處的斷裂。但無論是什么原因導致，在事故發生之后，在對斷裂的導體進行更換后，還需進行徹底的檢查。

3 事故檢查情況

事故檢查在4個方面進行：（1）第一次檢查時現場檢查該220kV變電站第一條母線套管伸縮節預留伸縮間隙消失，而且現場已拉伸至419mm，已經大大超過了極限的位置，廠家的基準值是400mm，極限值是47mm，但是其他的氣室伸縮節都處于正常范圍。（2）是對周邊環境檢查，因為天氣的原因，最近一直有暴雨，甚至特大暴雨，導致西北部聚變電站60多米處的河水持續泄洪，變電站因受暴雨的影響，導致組合電器設備基礎周邊地龜裂，導致伸縮節產生大規模形變，220kV第一氣室伸縮節拉伸至419mm。（3）巡查記錄檢查，在進行巡查時嚴格按照國家相關規定來開展巡視以及紅外測溫工作，自從2021年以來，累積對220kV組合電器，共巡視了55次對紅外測溫19次，每次設備均沒有異常，地面也沒有明顯的裂紋，巡查記錄檢查數據還是相對來說比較合格的。（4）解體故障氣室，對現場進行解體檢查220kV第一氣室內B相導體在伸縮節東側連接結構件處脫落而且端部屏蔽了對筒體放電，梅花觸指第一道彈簧斷裂脫落，觸指屏蔽罩底部大面積放電損傷，底部燒穿約1cm兩個洞口，A、C兩相觸頭存在發熱痕跡，母線筒壁表面附著大量白色氟化物粉塵。事故研究表明，地基松動、土地龜裂導致的伸縮節拉伸是主要原因，保證支撐在一個相對高度，使伸縮節受力在一個規定的范圍內，勢在必行。

4 可伸縮式支撐研究及可行性研究

在我國一般采用的GIS套管支撐都是使用一定的高度固定金屬支撐，一般情況下不能調節支撐高度，就導致在實際的工作中不能調節相應的高度，在一定程度上造成了此次事故，所以說設計師為了解決這種問題，專門設計了一種可以伸縮的支撐，也就為在使用的過程中就更加方便，GIS設備套管的重量都是由4根高強度螺桿和1根中心高度調節螺桿支撐，也對地基有一定的標準，地基如果說其他因素的影響，一般會松開高強度螺旋桿，之后由中心螺旋桿調整高度，從而達到支撐調節的目的，而且能根據地基的變化隨時做成調整，使套管處于正常的水平狀態。

就目前來看，在各高壓變電站采用可伸縮式支撐，尤其是在某些惡劣天氣較多、地基改變可能性較大的地區是很有必要的。由于復合套管一經安裝后即不可移動、原則上不得大規模重新處理，對此，在使用了可伸縮式支撐之前，對復合絕緣子套管結構進行模擬是非常有必要的。

我國特高壓的GIS裝置以及基礎的設計都是有跡可循的，除了GIS設備線管套的重心比較高之外，其余設備的重心相對來說都比較低，以保證設備運行安全，避免質量問題。除此之外可能還對有環境因素一些影響比如說地震波的作用下，面積足夠大的基礎上的設備經歷的變形和應力都相對來說比較小，面積小的則表現相反。因此必須要考慮不同基礎之下設備的不同影響。同時出現套因為管布置在單獨的基礎之上，需要對其進行獨立計算，通常會使用ANSYS、DASAPW分析軟件對復合絕緣子套管進行材料特性進行模擬計算。

為保證研究的可行性和普遍性，我們進行了地震狀態下的套管受力模擬及材料在極限狀態下的受力特性。

以本次事故的GIS符合套管對其進行結構分析，220kVGIS復合絕緣子套管主要是由塔形筒、盆式絕緣子、復合絕緣子、底架、導電桿組成。如果說遇到地震時，他們主要的敏感部件為復合絕緣子、導電桿，輸入敏感部件特征尺寸。之后地震地面水平X或Y方向加速度0.5g，豎起Z方向0.4g，結構阻尼比2%。最后是地震響應譜:六級地震水平方向地面加速度為5m/s2(0.5g)，阻尼比取2%。DASAPW計算地震響應譜，同時計算出復合絕緣子套管24階振型頻率最大為61.45Hz。輸入機械性能常數(套管廠家提供)見，按照GB/T13540-2009、IEC60071-2：2003要求的響應譜(RRS)，水平方向地面加速度為5m/s2(0.5g)，在地震發生時，通常會考慮相應的疊加水平以及所需要的求和平方根，也就是根據在發生地震時所需要的應力以及競載和應力的絕對值，使用DASAPW軟件進行分析，不考慮風荷，得出結論，在地震影響地基發生偏轉的情況下，伸縮節（膨脹節）縱向受力25432N，遠高于材料適配的16000N，即在六級地震造成的地基改變下，原有的固定支撐設計已不能滿足對套管伸縮節減少重力受力的要求。

5 實際應用及套管安裝

（1）在進行吊裝工作時，必須要安排專門的人進行指揮負責，全程監護工作，并且一定要確立好分工，每個區域相應的人進行相應的工作。（2）在進行吊裝時，還要根據現場的作業環境，井然有序的進行工作，一定要保證各項設備的安全，全面杜絕影響后續的工作。（3）當設備調離地面之后，一定要注意人身安全，一定不能站在吊鉤下方和正前方，起吊設備也應該遠離人們。（4）在吊裝之前，還要對各項設備進行全面的檢查，充分確保設備是符合國家標準的，除此之外，還要對設備進行一次清潔處理。（5）在起吊時，防止灰塵進入導管內部會使用無水酒精等對表面的導體和導管內部進行擦拭，會使用塑料布將整個瓷套管做一個防護，而且在起吊的時一定要注意，不能將繩子綁在第一排的孔上，（6）之后一定要將套管清理干凈，并且調制到分之三通的上側，最后將套管慢慢落下，之后在使用沒有問題的O型密封圈，對清潔過的表面進行一個防護，護之后還會在表面涂一層硅脂，最后再將密封圈外側圖一圈1527密封膠，然后才能慢慢落下套管，最后是導體插入到梅花觸頭當中，在之后將連接過的螺栓都裝入螺孔之后，一定要擰緊螺栓，確保安全無誤后再對其進行主回路電阻測試。（7）在安裝結束之后，還可以對其表面進行刷漆處理，使其有一個很好的美觀度。

6 結語

總的來說，一般情況下，伸縮節的補償都會考慮包括GIS殼體的度變化以及環境引起的變化等，正常情況下伸縮節在GIS設備配置上是科學合理的，而且能滿足日常設計需求。而且它可以隨時伸縮及其受力裕度，可為安裝及系統運行提供更多的便利。本次研究是對在特殊情況下的伸縮節支撐的補充。對于變電站或者開關站內的GIS設備套管支撐位置的地基變化，是通過水平尺來對其進行測量，并且設計了一種可伸縮的支撐，但制作簡單，安裝起來也非常方便，對各項絕緣均不發生任何影響，最主要的它安全可靠，并且成功的在某110kV開關站得以應用。但與此同時，在安裝的時候，也還應當考慮伸縮節的應用場景：（1）在安裝設備時，必須要調節在地面上各種因素引起的各種誤差；（2）在進行安裝或者是進行修理時，可以利用伸縮節的中心導體上的可拆卸結構，都能對其進行有針對的處理。（3）補償基礎不拘于沉降引起的位移。除此之外還有溫度補償型伸縮節的應用場景：①在進行設備安裝時，應該調節地面上所有的因素可引起的誤差。②吸收設備外殼的基礎和相對熱伸縮，③吸收地基因為地震或者是長期的沉降導致的不均勻位移。④同樣在進行安裝和大修時，可以利用伸縮節和中心導體上的可拆卸結構，對相應的部位進行相應的處理，如采用該類可伸縮式支撐，伸縮節還可以發揮正常的作用，并不會影響設備本身，導致GIS出現各種質量問題，一定程度上為提高GIS的安全和可靠性。