750 kV GIS盆式絕緣子開裂導(dǎo)致漏氣分析與治理

戴立慶，王巧燕，徐鐵勝，林恒青

（1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院 機(jī)械與智能制造學(xué)院,福建 福州 350007；2.國網(wǎng)福建省電力有限公司福州供電公司，福建 福州 350004；3.國網(wǎng)青海省電力公司 檢修公司，青海 西寧 810003）

氣體絕緣金屬開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear，GIS）因具有占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊、技術(shù)性能高、安裝方便、造型美觀、運(yùn)行可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被越來越廣泛地采用，特別是在高電壓等級電網(wǎng)中［1-4］。隨著GIS的廣泛應(yīng)用，GIS缺陷和故障越來越多，僅2017年國網(wǎng)福建省電力有限公司福州供電公司就發(fā)生GIS間隔故障3 218次［5-7］。

GIS設(shè)備經(jīng)盆式絕緣子分成若干間隔，每個(gè)間隔裝有氣體密度計(jì)以監(jiān)測氣室壓力，盆式絕緣子起著電氣絕緣和機(jī)械支撐的作用，是GIS中非常重要的部件，同時(shí)也是GIS中相對薄弱的環(huán)節(jié)［8-10］。在眾多漏氣故障中，盆式絕緣子裂紋漏氣占所有漏氣故障的80%以上［11］。

本文通過對國網(wǎng)福建省電力有限公司福州供電公司發(fā)生的兩起導(dǎo)致GIS設(shè)備漏氣的盆式絕緣子的現(xiàn)場拆解，發(fā)現(xiàn)波紋管漏氣側(cè)盆式絕緣子邊緣有裂紋，然后對開裂盆式絕緣子進(jìn)行受力分析，并找出引起盆式絕緣子開裂的原因，針對開裂的原因進(jìn)行改進(jìn)，即采取在缺陷結(jié)構(gòu)處加裝過渡筒體的措施。改進(jìn)后GIS原開裂處的應(yīng)力減少，有效消除了導(dǎo)致GIS設(shè)備漏氣的隱患，保證GIS設(shè)備安全可靠運(yùn)行。

1 故障描述

某750 kV變電站#1主變壓器（以下簡稱主變）于2017年5月3日16時(shí)51分試運(yùn)行結(jié)束，正式投入運(yùn)行。2017年5月至2017年9月750 kV GIS設(shè)備#1主變出線分支共發(fā)生2起因盆式絕緣子開裂導(dǎo)致的設(shè)備漏氣事件。

第一次異常情況：2017年5月27日17時(shí)15分運(yùn)行維修人員巡視750 kV GIS設(shè)備時(shí)，發(fā)現(xiàn)#1主變750 kV側(cè)GIS B相分支母線力矩平衡型伸縮節(jié)外側(cè)盆式絕緣子側(cè)下方處有明顯漏氣現(xiàn)象，經(jīng)過約0.5 h，壓力從0.45 MPa降至0.44 MPa，氣室中氣體壓力降低顯著，隨即申請停電處理。

第二次異常情況：2017年9月7日14時(shí)10分運(yùn)行維修人員巡視抄錄750 kV GIS設(shè)備SF6氣體壓力時(shí)，發(fā)現(xiàn)#1主變750 kV側(cè)GIS分支母線過渡2氣室C相壓力較上次抄錄值有明顯下降。2017年9月12日對該氣室所有對接面、表頭等部位進(jìn)行包扎檢漏，當(dāng)天未檢出漏點(diǎn)。2017年9月17日再次安排專業(yè)班組進(jìn)行檢漏，檢漏發(fā)現(xiàn)#1主變750 kV側(cè)GIS分支母線過渡氣室C相力矩平衡型伸縮節(jié)外側(cè)盆式絕緣子側(cè)下方處有漏氣現(xiàn)象。2017年9月21日下午，由于該氣室中氣體壓力下降趨勢明顯加快，隨即申請停電處理。

2 解體檢查

第一次解體檢查情況：2017年5月30日對#1主變750 kV側(cè)GIS設(shè)備B相分支母線漏氣氣室進(jìn)行解體檢查，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)波紋管漏氣側(cè)盆式絕緣子邊緣有一處貫穿性裂紋，裂紋情況如圖1所示。

圖1 第一次解體的盆式絕緣子裂紋情況

第二次解體檢查情況：2017年9月22日，對#1主變750 kV側(cè)GIS設(shè)備C相分支母線漏氣氣室進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)漏氣部位靠近壓力平衡波紋管側(cè)盆式絕緣子沿面有7處裂紋，其中3處裂紋為貫穿性裂紋，4處裂紋為沿邊局部開裂，具體裂紋情況如圖2所示。

圖2 第二次解體的盆式絕緣子裂紋情況

3 缺陷原因分析

因兩次開裂的盆式絕緣子均位于同一部位，所以將兩次開裂盆子受力情況進(jìn)行統(tǒng)一分析，故障部位整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 故障部位整體結(jié)構(gòu)

通過現(xiàn)場解體發(fā)現(xiàn)發(fā)生盆子開裂部位的波紋管變形，并導(dǎo)致兩端法蘭變形，波紋管變形后盆子下部受力，受力情況如圖4所示。由圖4可知，盆子下部通過盆子外側(cè)鋁制法蘭的臺(tái)階受到一個(gè)向左的力，同時(shí)，運(yùn)行過程中母線筒受到陽光照射，上部與下部最大溫差可超過40℃，上部筒體膨脹量大于下部筒體，導(dǎo)致波紋管兩側(cè)法蘭面不平行，在盆子鋁制法蘭臺(tái)階部位向左力的作用下加劇了此處的應(yīng)力集中。

圖4 波紋管變形后盆式絕緣子受力

為進(jìn)一步分析開裂的原因，本文通過ANSYS有限元分析軟件對盆式絕緣子的應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5和圖6所示。由圖5和圖6知，容易發(fā)生故障的部位為法蘭處，法蘭處的應(yīng)力及應(yīng)變均較大，該應(yīng)力是導(dǎo)致盆式絕緣子開裂的主要原因。

圖5 盆式絕緣子的等效應(yīng)力分布

圖6 盆式絕緣子的等效彈性應(yīng)變分布

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)及運(yùn)行驗(yàn)證

為保證設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，根據(jù)產(chǎn)生裂紋的原因?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，在波紋管與盆式絕緣子中間進(jìn)行加裝過渡筒體（圖7），以減小絕緣盆子處的應(yīng)力，消除設(shè)備隱患。

圖7 波紋管處加裝過渡筒體

2018年3月25日至2018年4月8日，結(jié)合#1主變首檢工作，對#1主變分支母線5處波紋管與盆式絕緣子直接對接結(jié)構(gòu)更換為加裝過渡筒結(jié)構(gòu)，經(jīng)過運(yùn)行未出現(xiàn)因盒式絕緣開裂而導(dǎo)致漏氣現(xiàn)象，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)改進(jìn)的正確性。

5 結(jié)論

本文通過對兩起盆子開裂事故的分析，發(fā)現(xiàn)波紋管法蘭與絕緣盆子直接對接的結(jié)構(gòu)存在設(shè)計(jì)不合理的情況，并根據(jù)設(shè)計(jì)不合理情況提出了相關(guān)的改進(jìn)措施，即在波紋管一側(cè)與絕緣盆子對接部位加裝一段過渡筒體，此筒體的安裝使絕緣盆子避開了應(yīng)力較大的區(qū)域。加裝GIS設(shè)備間隔過渡筒體減小了絕緣盆子處的應(yīng)力，保證了GIS設(shè)備安全可靠運(yùn)行。