關(guān)于800kVGIS長(zhǎng)距離母線筒位移研究

李大權(quán) 姜 飛 萬(wàn)榮興

（1.甘肅省電力公司蘭州輸變電運(yùn)行公司，蘭州 730000，2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410004）

GIS（Gas Insulated Substation）是氣體絕緣全封閉組合電器的英文簡(jiǎn)稱。GIS具有占地面積小、絕緣性能高、安全可靠、壽命長(zhǎng)、運(yùn)行方便等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于不同電壓等級(jí)的電力系統(tǒng)中[1]。對(duì)GIS母線筒采用長(zhǎng)距離、高空架設(shè)安裝，必須考慮土建施工、設(shè)備制造、安裝等產(chǎn)生的誤差，以及運(yùn)行中溫度變化產(chǎn)生的熱脹冷縮、基礎(chǔ)不均勻沉陷、斷路器操作時(shí)的瞬間振動(dòng)、遇到地震力作用等因素。這些因素都可能導(dǎo)致母線筒超過(guò)允許的變形和應(yīng)力范圍，嚴(yán)重時(shí)還將危及GIS的安全運(yùn)行[2]。

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

1 滑塊與伸縮節(jié)在800kVGIS母線筒的應(yīng)用

750kV蘭州東變電站800kVGIS設(shè)備采用一字型二分之三接線，為了抵消外力對(duì)母線筒產(chǎn)生的應(yīng)力，目前母線筒在安裝過(guò)程中采用了伸縮節(jié)與母線支架滑塊。

1.1 800kVGIS母線筒支撐滑塊應(yīng)用

800kV母線筒每隔5m左右設(shè)置一個(gè)支撐點(diǎn)，每個(gè)支撐點(diǎn)有兩個(gè)支柱，通過(guò)兩個(gè)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(gè)方向移動(dòng)，以確保當(dāng)母線筒與支撐部位發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，支撐部位仍然能夠提供對(duì)母線筒的可靠支撐?；瑝K的位移量反映了母線筒的熱脹冷縮特性，同時(shí)也反映了母線筒與支撐部位之間的水平相對(duì)位移。但在運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)支撐滑塊在母線筒移動(dòng)過(guò)程中，它只起到了滑動(dòng)支撐作用，對(duì)抵消伸縮節(jié)的熱脹冷縮效果不大[5]。

圖1 蘭州東變電站應(yīng)用的GIS母線支撐滑塊

1.2 800kVGIS母線筒伸縮節(jié)應(yīng)用

伸縮節(jié)外形如圖 2所示，其在母線上每間隔15～22m左右設(shè)置一組，主要用于裝配調(diào)整、吸收基礎(chǔ)間的相對(duì)位移和熱脹冷縮產(chǎn)生的伸縮量。其裝設(shè)與GIS配電裝置總體布置和相應(yīng)的土建結(jié)構(gòu)有密切的關(guān)系，相對(duì)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(jié)的合理配置一般由制造廠根據(jù)GIS配電裝置總體布置結(jié)構(gòu)計(jì)算后提出建議，由工程設(shè)計(jì)單位認(rèn)可實(shí)施。

不同品種的伸縮節(jié)有不同的調(diào)節(jié)方法，在工程中一般采用簡(jiǎn)化的調(diào)節(jié)方式。下面以拉桿直連型伸縮節(jié)為例說(shuō)明伸縮節(jié)的調(diào)整注意事項(xiàng)[6]。

1）伸縮節(jié)安裝過(guò)程中，內(nèi)外側(cè)的螺母要求松開一定尺寸，應(yīng)對(duì)管道母線的安裝情況進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)要測(cè)量調(diào)整前后的安裝尺寸，并保證伸縮節(jié)未超出其允許的軸向及徑向調(diào)節(jié)范圍。

2）伸縮節(jié)在安裝過(guò)程中嚴(yán)禁用拉伸、壓縮和偏轉(zhuǎn)伸縮節(jié)的辦法來(lái)調(diào)整安裝誤差，以免導(dǎo)致伸縮節(jié)破壞。

3）在伸縮節(jié)安裝完成后和產(chǎn)品內(nèi)部充氣體之前，應(yīng)鎖死伸縮節(jié)的外側(cè)螺母。

圖2 蘭州東變電站應(yīng)用的GIS母線伸縮節(jié)

2 運(yùn)行中800kVGIS母線支架位移統(tǒng)計(jì)情況

2.1 800kVGIS母線筒支架位移統(tǒng)計(jì)

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

為了能更好的觀察伸縮節(jié)的效用，運(yùn)行人員在伸縮節(jié)處放置卡尺，對(duì)伸縮節(jié)的變化情況進(jìn)行了觀察。本文抽取2009年3月份750kVⅠ母東側(cè)伸縮節(jié)每日的變化情況，如圖3所示（伸縮節(jié)伸出位移尺度計(jì)為正值，壓縮尺度計(jì)為負(fù)值）。

由圖3可以看出：750kVⅠ母母線A、B、C三相統(tǒng)計(jì)處的伸縮節(jié)在一月內(nèi)發(fā)生了較大的變化，其中早晚變化幅度最大值達(dá)13cm?？梢?，伸縮節(jié)在吸收母線外力作用位移時(shí)起到了一定積極作用。

圖3 750kVⅠ母母線第13—14支柱間伸縮節(jié)月內(nèi)變化情況

同時(shí)，對(duì)母線筒位移情況也做了觀測(cè)研究。表1為2009年某兩日對(duì)母線支架位移的測(cè)試情況?？梢?，GIS母線筒東西兩頭處支架位移明顯增大，例如，750kVⅠ母西側(cè)位移為 34mm，東側(cè)位移為30mm，750kVⅡ母西側(cè)位移為 30mm，東側(cè)位移為16mm，而靠中間處母線筒位移接近零。這表明溫補(bǔ)伸縮節(jié)在溫度變化時(shí)，兩側(cè)母線筒并未受較大水平力固定，母線筒發(fā)生整體滑動(dòng)，而溫補(bǔ)伸縮節(jié)起不到相應(yīng)的固定補(bǔ)償作用，這對(duì)母線的安全運(yùn)行產(chǎn)生了負(fù)面影響。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中所遇到的問(wèn)題

2008年12月4日，750kV蘭州東變電站運(yùn)行人員巡視時(shí)發(fā)現(xiàn)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(cè)漏氣，如圖4所示，此時(shí)環(huán)境溫度為-14℃。經(jīng)分析，在環(huán)境溫度急劇變化情況下，母線上安裝的伸縮節(jié)不能完全補(bǔ)償熱脹冷縮變化，引起的應(yīng)力傳遞至母線連接的垂直段母線筒底部，法蘭受力過(guò)大造成局部機(jī)械損傷，密封性能下降導(dǎo)致 SF6氣體泄漏。這種問(wèn)題的產(chǎn)生進(jìn)而要求我們繼續(xù)對(duì)GIS母線兩端及轉(zhuǎn)角處抵消熱脹冷縮力的問(wèn)題進(jìn)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(cè)試統(tǒng)計(jì)

圖4 紅外線照片（750kVⅠ母線B相漏氣點(diǎn)）

3 模型與實(shí)際對(duì)比研究

3.1 模型檢驗(yàn)

蘭州東變電站伸縮節(jié)均采用軸向調(diào)節(jié)（水平伸縮），本文檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⒉捎谜w結(jié)構(gòu)和伸縮進(jìn)行軸向調(diào)節(jié)分析計(jì)算。假設(shè)以下條件成立：

1）筒體的熱脹冷縮發(fā)生的變化均被伸縮節(jié)吸收。

2）忽略母線筒由于受力而發(fā)生固體形變。

3）假定母線筒材質(zhì)所發(fā)生的熱脹冷縮為線性膨脹。

4）次剛性固定支架未發(fā)生形變。

定義每個(gè)伸縮節(jié)為一個(gè)單元，統(tǒng)計(jì)出一個(gè)單元內(nèi)所有母線筒長(zhǎng)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(zhǎng)度。并且，鋁質(zhì)母線筒的單位形變量k為

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

3.2 實(shí)際運(yùn)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(jù)式（1），可得表2所示。

表2 伸縮節(jié)實(shí)際變化值與理論計(jì)算值對(duì)比

由表2可見，理論計(jì)算值與實(shí)際值有較大的誤差。表明溫補(bǔ)伸縮節(jié)在溫度變化時(shí)，由于固定支架和垂直母線筒強(qiáng)度不夠，造成溫補(bǔ)伸縮節(jié)起不到相應(yīng)的補(bǔ)償作用，因而造成了母線筒支架位移產(chǎn)生了較大的形變，如表1分析得知，相應(yīng)的兩側(cè)滑塊移動(dòng)量較大。主要原因歸結(jié)于溫補(bǔ)伸縮節(jié)及固定支撐兩方面。溫補(bǔ)伸縮節(jié)出現(xiàn)的問(wèn)題分為兩類：包括伸縮節(jié)預(yù)壓力調(diào)整不當(dāng)和現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝差造成。固定支撐出現(xiàn)的問(wèn)題也分為兩類：包括固定支架強(qiáng)度不足和固定垂直母線筒強(qiáng)度設(shè)計(jì)不足?，F(xiàn)將分析情況匯總?cè)缦隆?/p>

1）伸縮節(jié)預(yù)壓力調(diào)整過(guò)大

在溫度變化時(shí)，溫補(bǔ)伸縮節(jié)長(zhǎng)度變化較小，伸縮節(jié)未能有效的消除母線筒熱漲冷縮產(chǎn)生的變化量，反而將母線筒變化量傳遞到下一個(gè)單元，如此累加后，導(dǎo)致母線東、西兩端垂直母線筒法蘭底座承受的應(yīng)力過(guò)大，發(fā)生母線東、西兩端垂直母線筒向西或向東偏移現(xiàn)象。

2）現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝差

GIS安裝工藝要求很高，在現(xiàn)場(chǎng)安裝GIS母線時(shí)，施工人員將伸縮節(jié)全部壓縮后在進(jìn)行安裝，然后再進(jìn)行調(diào)整預(yù)壓力，未考慮伸縮節(jié)安裝時(shí)的環(huán)境溫度。隨著環(huán)境溫度的變化，溫補(bǔ)伸縮節(jié)預(yù)壓力不能滿足溫度變化，也是造成伸縮節(jié)不能完全起到溫度補(bǔ)償作用。

3）固定支架強(qiáng)度不足引起的固定支架位移

按照設(shè)計(jì)原理，母線溫補(bǔ)伸縮節(jié)應(yīng)能補(bǔ)償每個(gè)單元的膨脹量，固定支柱不應(yīng)有偏移，但從測(cè)試結(jié)果表明，一是由于固定支柱強(qiáng)度不夠，溫補(bǔ)伸縮節(jié)起不到相應(yīng)的補(bǔ)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(qiáng)度不夠，溫補(bǔ)伸縮節(jié)沒(méi)有起到相應(yīng)的補(bǔ)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(yīng)用

4.1 解決方案

為了能使熱脹冷縮力在母線端部所產(chǎn)生的較大位移完全被吸收，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際分析提出了長(zhǎng)距離800kVGIS母線筒架設(shè)末端適當(dāng)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(shè)置

在母線上增設(shè)主剛性支架，可以與原剛性構(gòu)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(fù)擔(dān)，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(jìn)而使在溫度變化時(shí)所引起的母線筒位移完全被兩固定支架間的伸縮節(jié)和滑塊移動(dòng)吸收。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的支架及伸縮節(jié)配合情況

4.2 原理分析

主剛固定支架應(yīng)承受的最大荷載應(yīng)考慮在母線筒運(yùn)行期間可能產(chǎn)生變化的下列荷載：

1）管道熱脹冷縮和其他位移產(chǎn)生的作用力和力矩[8]。

2）不平衡力造成的波紋膨脹或補(bǔ)償器等的內(nèi)壓作用力及彈性力。

3）管體內(nèi)氣體突然變化引起的力，風(fēng)力以及地震力等造成使用期間瞬間和偶爾發(fā)生的荷載應(yīng)計(jì)入。

4）母線端部彎管內(nèi)氣體變化對(duì)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(xiàn)在高溫時(shí)，此時(shí)伸縮節(jié)的內(nèi)壓作用力與伸縮節(jié)變形產(chǎn)生的彈性力方向相同；低溫時(shí)，伸縮節(jié)的彈性力與伸縮節(jié)波紋的內(nèi)壓作用力方向相反。這在設(shè)計(jì)主固定支架所承受力范圍時(shí)應(yīng)該注意。

5 結(jié)論

母線筒熱脹冷縮會(huì)使兩端及轉(zhuǎn)角處受到很大的應(yīng)力，威脅到兩伸縮節(jié)端及轉(zhuǎn)角處的焊縫，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致焊縫開裂，引發(fā)設(shè)備事故。雖然支撐滑塊能夠提供母線筒發(fā)生位移時(shí)的可靠支撐，伸縮節(jié)能夠一定程度上緩解母線筒熱脹冷縮問(wèn)題，但在實(shí)際應(yīng)用中這些并不能起到完全補(bǔ)償?shù)淖饔?。因此筆者建議今后750kVGIS建設(shè)中應(yīng)該考慮在長(zhǎng)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(xué)分析與工程應(yīng)用還將進(jìn)一步研究。

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