GIS母線波紋管調(diào)節(jié)螺桿發(fā)熱分析及處理

摘 要：為解決GIS母線波紋管感應電流帶來GIS設備局部發(fā)熱加速設備的老化，通過對500kV紫荊變電站220kV GIS母線波紋管發(fā)熱的現(xiàn)象進行測量和分析，提出解決措施，對運行中的設備在無安全風險的前提下進行缺陷處理，并跟蹤其處理后的效果，為波紋管設計、驗收提供經(jīng)驗借鑒。

關鍵詞：波紋管；調(diào)節(jié)螺桿；感應電流；發(fā)熱

0 引言

近年來GIS在電力系統(tǒng)的應用中體現(xiàn)出很大的優(yōu)越性，與常規(guī)敞開式變電站相比，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、環(huán)境適應能力強，維護工作量很小等優(yōu)點。我國電壓等級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，作為一個彈性元件，利用材料的彈性來實現(xiàn)所要求的功能，它在外界載荷作用下改變元件的形狀和尺寸，當載荷卸除后又恢復到原來的狀態(tài)?？梢詫崿F(xiàn)測量、連接、補償、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用。但其部件發(fā)熱會引起法蘭處密封材料老化，降低密封性能，影響GIS設備安全運行。本文對波紋管調(diào)節(jié)螺桿發(fā)熱原因進行測量和分析，提出現(xiàn)場解決措施及波紋管部件在設計和驗收上的注意事項。

1 問題提出

1.1 發(fā)現(xiàn)缺陷

某日運行人員在500kV紫荊變電站巡視時發(fā)現(xiàn)220kV6M位于荊廷甲線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)熱較嚴重，最高測溫達65.5℃。對比其他間隔波紋管調(diào)節(jié)螺桿和螺母溫度約為42℃-43℃。

某日運行人員在500kV紫荊變電站發(fā)現(xiàn)位于220kV1M母線荊翡乙線間隔與母聯(lián)2015間隔之間的母線波紋管調(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)熱較嚴重，最高測溫達52.3℃。對比其他間隔波紋管調(diào)節(jié)螺桿和螺母溫度約為36℃。其紅外測溫圖如圖1-圖2。

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

若長期過熱運行，將造成波紋管調(diào)節(jié)螺桿與螺母快速老化導致?lián)p壞，從而喪失波紋管連接、補償、密封、減震等功能，更嚴重的將對電網(wǎng)的安全運行有著直接的威脅。

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。GIS外殼波紋管與其內(nèi)部導體間的距離很小，兩者的電磁耦合很強.這種緊湊型結(jié)構(gòu)使得GIS外殼波紋管與內(nèi)部對應導體構(gòu)成一個空心變壓器，導體為原邊，外殼為副邊，導致GIS外殼波紋管產(chǎn)生明顯的感應電勢，包含引起縱向電流的共模電勢和引起渦流的橫模電勢[1]。有資料表明，當電壓等級比較低的時候，三相母線共用一個金屬外殼，在三相對稱運行下，外殼上不會產(chǎn)生幅值很高的環(huán)流，但當電壓等級比較高的時候，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)生不對稱或故障運行的時候，外殼上會產(chǎn)生很大的環(huán)流[2]。情況如圖5。

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

對照電氣主接線圖，第1處發(fā)熱點母線所在電氣位置如圖9所示。由圖中可知第1處發(fā)熱點所在的母線位置流過的電流為線路1和線路2的電流之和，即主變1所有的電流均流過第1處發(fā)熱點所在的母線位置，該處的感應電流會比線路1與線路2之間、主變1之前、線路2之后的母線感應電流大。

第2處發(fā)熱點母線所在電氣位置如圖12，由圖中可知第2處發(fā)熱點所在的母線位置流過的電流為線路3至線路8所有線路電流之和，即主變2所有的電流均流過第二處發(fā)熱點所在的母線位置，該處的感應電流會比線路與線路之間，主變2之后、線路3之前的母線感應電流大。假設導體的電阻相同，發(fā)熱點處由于所在的母線載流量大，其感應電流也大，故其發(fā)熱也嚴重。

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

2 處理方法

220kV GIS母線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，主要用于補償組建時的長度系數(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的，主要用于組建后的溫度和吸收地震時的振動，如圖12。對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）對于調(diào)節(jié)螺桿兩端與法蘭的螺母均是緊固的波紋管無法拆卸處理，可通過對螺桿和螺母表面處理減少電流的大小或直流電阻的大小，所以擬定對螺栓擦拭、除銹等處理來減少直流電阻。

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

由于封閉母線外殼是三相短路并接地的，鋁外殼上感應的軸向電動勢與大地間無電位差，故可在不停電的條件下實施。

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的處理方法

用鉗表測量正常的有一端螺母松開的調(diào)節(jié)螺桿的感應電流，測量電流值為0.1A，接近0，但用導體使調(diào)節(jié)螺桿松動端接觸外殼后，測量電流值變?yōu)?4.2A，由于調(diào)節(jié)螺桿沒有形成閉合回路，產(chǎn)生不了感應電流，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牢固，近幾十年不會存在大幅度下降或上升，且近年來沉降觀測點并未大的變化，所以在松動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，不會存在風險。

3 效果檢測

經(jīng)過上述措施處理后，在迎峰度夏期間，每天對缺陷部位進行測溫，發(fā)現(xiàn)荊廷甲線間隔波紋管紅外測溫37.3度（負荷一致時），荊翡乙線間隔紅外測溫41.5（負荷一致時），發(fā)熱現(xiàn)象已消除。但對于調(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，所以雨天過后，螺栓會生銹，直流電阻仍會增加，進而需進一步跟蹤。

4 結(jié)束語

通過以上200kV封閉母線波紋管調(diào)節(jié)螺桿與法蘭的螺母局部過熱的發(fā)現(xiàn)、分析與處理，建議GIS設備設計和驗收時應重視以下事項：

（1）在設計方面，要求每一節(jié)波紋管都要加裝導流排用以分流，并根據(jù)運行時母線不同位置載流量加裝適當數(shù)量導流排，且導流排的直流電阻、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)流不通過波紋管調(diào)節(jié)螺桿；

（3）在專業(yè)驗收時要注意，保證波紋管直流電阻、絕緣和氣密性要達到標準，且材料屬性符合要求，這樣才能保證設備安全可靠的運行。

參考文獻：

[1]施圍，張亞婷，呂鴻等.母錢外殼環(huán)流與哲態(tài)地電位升離現(xiàn)象研究[J].中國學術期刊電子出版社，2008，36（01）.

[3]郭磊，范冕，姚裕安.500kV GIS外殼感應環(huán)流特性的仿真分析[J].湖北工業(yè)大學報，2012，27（01）.

[3]楊永懷.封閉母線外殼局部過熱原因分析及處理[J].電力安全技術，2004，7（06）：14-15.

作者簡介：方丙濤（1989—），男，廣東惠來人，本科，助理工程師，研究方向：電力系統(tǒng)自動化。