一起220kV變電站母管接頭脫開原因分析及防范措施

江蘇利港電力集團 余世軒 梅海華

變電站母線在工作中承擔匯聚及分配電能的作用，變電站母線的安全穩(wěn)定運行對電網(wǎng)至關重要。但在實際運行及檢修中由于母線較高，常常忽視對變電站母線的監(jiān)視與維護。嚴重時可導致母線接頭脫開、支撐瓷瓶斷裂、母線掉落等重大電網(wǎng)事故。

1 相關基本情況

2022年11月16日13:32分，運行人員巡檢發(fā)現(xiàn)本廠220kV 升壓站Ⅱ母B 相45032與45152間隔上部母線接頭脫落，西側B 相母管受重力下垂約40cm，在風力作用下有小弧度擺動，東側母管下垂弧度較小，無放電現(xiàn)象如圖1所示。立即匯報值長，申請母線停運，轉事故處理。17日母管脫開處理結束，恢復正常運行。

本廠220kV 升壓站采用雙母線單分段E 型布置，Ⅰ、Ⅲ母設4500分斷開關，Ⅰ、Ⅱ母，Ⅱ、Ⅲ母設4530/4550母聯(lián)開關。4臺機組輸入，12條220kV 線路輸出；#1、#2機組容量為350MW，#3、#4機組容量為375MW。#1、#2機為一期機組1991年投產(chǎn)，#3、#4機為二期機組1997年投產(chǎn)，220kV升壓站按一二期分兩次建設，母線均采用管型結構。二期升壓站投運前采用母管異徑連接金具將一、二期Ⅱ段母線進行連接。一期升壓站母管外徑150mm、厚度6mm，二期升壓站母管外徑165mm、厚度7mm。母管及連接金具均為純鋁材質。一期升壓站母線投運31年、二期升壓站母線投運25年，期間按周期檢修，未做過設備改造。

升壓站Ⅱ母總長254m，B 相母線接頭脫開處在45032與45152間隔上部，屬二期升壓站，連接金具長282mm。一、二期母線連接金具均采用half 結構連接。一期升壓站母線支撐金具采用單支撐結構，二期母線支撐金具采用雙支結構；一期升壓站在Ⅱ母中部設置母線膨脹死點，二期升壓站母線未設死點。

故障前一二期升壓站處于合環(huán)運行狀態(tài)，Ⅰ、Ⅲ母分斷開關4500，Ⅰ、Ⅱ母母聯(lián)開關4530，Ⅱ、Ⅲ母母聯(lián)開關4550均合閘運行。#3機組處于停機狀態(tài)，#4機組運行在Ⅲ母，12條出線錯開運行至3條母線。由于Ⅰ、Ⅱ母母聯(lián)開關4530，Ⅱ、Ⅲ母母聯(lián)開關4550均為合閘狀態(tài)，Ⅱ母兩側等電位，Ⅱ母B 相母線脫開未發(fā)生保護動作跳閘情況。

2 故障后檢查情況

2.1 事故后不停電檢查情況

調?、蚰笝z修歷史記錄：2019年11月，因二期升壓站全停更換復合絕緣子的需要，在45032與45152間隔上部對Ⅱ母進行了開斷，三相均取下一節(jié)母管，工作結束后再恢復。根據(jù)現(xiàn)場情況看，此次斷開的位置正是上次開斷的部位。據(jù)工作人員回憶，2019年母管拆除時間在上午，拆除母管兩側half后，拿下母管較輕松，但在下午母管回裝時，原母管拆除后的間隙不滿足母管裝入尺寸，拼接、對頭較困難，使用木榔頭敲擊等方式最終完成安裝；查看歷年母線檢修周期及檢修項目：檢修周期按3年一次正常開展，檢修項目為母線瓷瓶清掃、母線支撐金具完好性檢查，鑒于母線接頭一般位于帶電間隔上方，未開展母線接頭檢查、緊固工作。

調取升壓站自動監(jiān)控視頻(此攝像頭具備自動捕捉運動物體功能)，根據(jù)查看情況，攝像頭捕捉到了母線接頭脫開時的過程。母線接頭脫開在16日凌晨1點44分03秒，接頭脫開時伴有輕微弧光，接頭脫開后B 相西側母管下落，來回上下振蕩，振幅逐漸縮小，穩(wěn)定在40cm 左右。期間未見支撐絕緣子異常，未見母管劇烈移位?，F(xiàn)場查看西側母管由于管線較長并裝有軟導線而下垂較多，東側母管由于距離支撐絕緣子較近，下垂較小。

咨詢省調，凌晨1點44分，220kV 電網(wǎng)未發(fā)生短路、接地等異常情況；調取母線保護信息，未見母差保護啟動；望遠鏡檢查升壓站Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ母管母均有明顯彎曲情況，彎曲方向水平、垂直均有，彎曲部位均在母管接頭處。查看2019年以前拍攝的照片記錄，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ母母管同樣有彎曲情況，兩者并無較大差別。

2.2 事故后停電檢查情況

停電檢查脫開接頭情況：接頭脫開處東西側母線中間有136mm 間隙如圖1所示，此間隙與母管脫開尺寸相當；母管連接金具與東側母管相連，與西側脫開，留在母線上的連接金具螺栓緊固、無松動。西側母管與金具連接部位光亮，無腐蝕，接觸部位有多條波浪狀痕跡，寬約20mm、長約130mm，呈90°，“X”形分布如圖2所示，痕跡長度與半個連接金具長度匹配。母管及金具連接時涂抹的導電膏無干澀情況。

圖2 脫開母管表面情況

檢查45152間隔上部Ⅱ母支撐金具三相固定情況，發(fā)現(xiàn)母管脫開部位東側支撐金具安裝錯誤。二期母線支撐金具采用雙支結構，雙支上部各安裝半個half 用于固定母管如圖3所示，此half 有兩種安裝方式，采用公對公、母對母結構時預留母管熱脹冷縮間隙，在實際工作時由于工作人員疏忽，拆卸時未做標識，安裝時想當然的采用了公對母連接方式，母管被卡死，無法在此處自由滑動，導致在此處設置了Ⅱ母第二死點。在45152間隔上部A/B/C三相的支撐瓷瓶金具均存在此現(xiàn)象。

圖3 母管支撐金具彈簧片

母管移位情況：Ⅱ母B 相西側母線整體向西移位，在西側端部看B 相母管明顯長出A/C 兩相20cm 左右。望遠鏡觀察，在B 相西側母線其余4只支撐絕緣子處有兩處母管下部可見明顯移動劃痕。劃痕長約10cm；其他相母管移位情況：通過無人機對管母接頭對接情況水平拍照檢查（根據(jù)對接頭half 中部縫隙及兩母管對接頭間的縫隙透光情況可判斷母管在接頭內部位移情況），未見A/B/C 相其他接頭有位移現(xiàn)象，其他兩相母管未見整體移位，但部分母管下部仍有移位劃痕，劃痕長度約3cm。

母管支撐金具檢查情況：對所有一廠、二廠Ⅱ母支撐金具絕緣子進行檢查，一廠單支撐結構金具未見異常，發(fā)現(xiàn)二廠Ⅱ母B 相最西側支撐金具西部支腿斷裂，母管下部劃痕較深，面積較大。二廠絕緣子支撐金具為美國生產(chǎn)，型號EH-1176，VSBC-S-5FRANKEL(8400)，材質為鋁鎂合金。此金具斷裂后采用焊接方式不能修復。

支柱瓷瓶受力情況：松動Ⅱ母最西側A/B/C三相支撐金具連接，發(fā)現(xiàn)所有三相支柱瓷瓶均有2～3cm 移位，支柱瓷瓶有明顯受力現(xiàn)象；檢查下部有劃痕的母管支撐金具，發(fā)現(xiàn)部分金具下部支撐彈簧缺失如圖3所示。有支撐彈簧的金具，母管無劃痕，無支撐彈簧金具支撐的母管下部劃痕明顯。特別Ⅱ母B 相最西側金具兩只支腿中東側支腿完全斷開，西側單支腿受力較大，劃痕最深。

3 事故原因分析及處理措施

3.1 事故原因分析

由于母線間隙正好與脫開長度一致，運行中未發(fā)生大電流等異常現(xiàn)象，調看視頻，母線接頭脫開時支撐瓷瓶無明顯晃動，脫開瞬間電弧微弱。排除母管受大電磁力而移位的可能；由于脫開處接頭金具與西側母管連接緊固，結合東側脫開母管分斷式波紋凹凸不平的現(xiàn)象，可以排除金具安裝時因回裝困難未連接緊固的可能；根據(jù)東側脫開母管分斷式波紋凹凸不平的現(xiàn)象，考慮到脫開時間在凌晨1點半左右，正是寒潮來臨溫度最低的時候，接頭脫開應與母線熱脹冷縮有關。

母線正常運行時，母管應有且只有一個死點，此死點應設置在母線中部[1]，兩側母管應能自由滑動，在母管長年運行過程中，每天、每年均隨著溫度熱脹冷縮，升溫時脹出，降溫時縮回。死點位置不變。母管接頭脫落是因為母管熱脹冷縮所致[2]。本廠Ⅱ段母線已運行25年，母管與支撐金具間的滑動部位缺少潤滑，雙支結構摩擦點相比單支結構更多，常年熱脹冷縮下母管與金具間的劃痕逐漸變深，摩擦系數(shù)逐年變大，特別在未正常使用金具內嵌彈簧的情況下問題更嚴重。在大摩擦力的作用下導致Ⅱ母B 相最西側支撐金具斷裂，更加劇了母管在支撐金具中滑動的助力。

由于在2019年使用磨光機處理接頭后降低了母管表面的摩擦力，導致half 接頭緊力下降，此緊力小于母管在金具中滑動回縮的摩擦力，在多次熱脹冷縮后，母管接頭處開始逐步脫開，升溫時向西脹出，降溫時不能完全縮回，在下個升溫周期時母線連接金具由于重力作用頂住東側母管上沿，繼續(xù)將西側母管頂住，故在東側母管上留下了波浪式凹凸不平的痕跡。最終在2022年11月16日凌晨1點多最冷的時間段，母管收縮達到最大值時脫開。

3.2 事故處理措施

對2019年動過的部位進行全面檢查。抽查45182、40042間隔上方母線接頭緊固情況；更換Ⅱ母最西側損壞金具，更換所有底部無滑移彈簧的金具。母管底部劃痕打磨干凈，涂抹少許凡士林潤滑；鑒于整個母管無法移動，在脫開處內嵌一50cm 長與原母管內徑尺寸適配的鋁管，采用焊接方法連接后使用；所有母線支撐金具普查，檢查是否存在裂紋等隱性缺陷；母線瓷瓶根部進行超聲波探傷，防止熱脹冷縮瓷瓶受橫向力過大損傷。

3.3 變電站母管過長帶來的隱患

變電站母管過長主要的隱患來源于母管熱脹冷縮；鋁的膨脹系數(shù)為0.0000236mm/℃。250m 的長母管，按一年冷熱溫差變化50℃計算，膨脹長度為250×1000×50×0.0000236=295mm，即30cm。由于每天均有溫差變化，故母管每天都有伸縮變化；熱脹冷縮將破壞母管平直度，出現(xiàn)彎曲、扭動，各接頭承受較大彎曲應力；熱脹冷縮導致母管支撐部位反復摩擦，由于位移量大，反復摩擦導致接觸面表面粗糙度逐步增加，受力將越來越嚴重[3]。

由于摩擦阻力的增大將導致作用在母管支撐瓷瓶根部受到很大橫向力，很可能導致瓷瓶根部折斷。母線掉落；由于彎曲應力、摩擦阻力增大，母管金具將受到較大應力，嚴重時將出現(xiàn)金具斷裂；由于各點摩擦阻力不一，如出現(xiàn)多個死點可能導致接頭脫開、放電。嚴重情況可導致母差保護動作跳閘。

3.4 后續(xù)防范措施

在母管東西兩側及中部各選3處部位刷上標尺，定期巡檢記錄標尺位置，防止母管再次異常脫開；定期關注母管彎曲變形程度，檢修時打開接頭，檢查摩擦表面，必要時進行潤滑；檢修期間檢查、評估支柱瓷瓶受力情況，定期開展瓷瓶探傷[4]；檢修期間增加母線支撐金具完好情況檢查項目。摩擦表面較粗糙度的進行更換；對母管進行分斷，采用軟連接式母線支撐金具，分斷處采用鋁絞線連接，每段重新設置膨脹死點。

3.5 母線設計、運行、檢修策略

對滑動支持式鋁管母線一般每隔30～40m 安裝一個伸縮接頭[5]。清楚母線運行特點，死點位置，明確母線巡檢項目，檢修項目；檢修期間抽查母線接頭緊固情況，各螺栓按力矩緊固[6]；對母線接頭定期進行紅外測溫。