馬永福，杜 航，包正紅，張 爍張豐麗，李文廣，伊國鑫，王子樂

（1.國網(wǎng)青海省電力公司電力科學研究院，青海 西寧 810008 2.國網(wǎng)青海省電力公司超高壓公司，青海 西寧 810021）

0 引言

戶外大溫差運行環(huán)境下，氣體絕緣金屬封閉開關(guān)（Gas Insulated Switchgear，GIS）設備殼體和導體的活動裕度是產(chǎn)品設計的關(guān)鍵要點之一，設計結(jié)構(gòu)不合理、現(xiàn)場安裝工藝管控不良等因素都會引起設備異常甚至發(fā)生故障[1-2]。由于GIS 導體全部被封裝在金屬外殼內(nèi)，常規(guī)檢測手段難以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷，X 射線技術(shù)提供了較好的檢測手段，可在帶電條件下開展工作，是常用的現(xiàn)場可視化檢測方法[3-5]。

1 異常事件描述

1.1 漏裝限位螺釘

某330 kV 變電站戶外式110 kV GIS Ⅱ段母線A 相電壓出現(xiàn)異常波動，巡視發(fā)現(xiàn)母線電壓互感器附近存在異音，檢測發(fā)現(xiàn)Ⅱ母2 氣室特征氣體組分超標，表明內(nèi)部存在放電。解體檢查發(fā)現(xiàn)母線與電壓互感器間隔三通位置，A 相導體插入T 型觸頭座深度嚴重不足（A 相插入約2 cm，正常插入深度約為8 cm），導體端部僅與觸頭座內(nèi)最外圈觸指彈簧接觸，接觸部位導體及其彈簧圈均已被燒蝕變黑，導體端部表面存在與觸指彈簧對應的半圈凹痕，如圖1 和圖2所示。

圖1 導體端部燒蝕情況及凹痕

圖2 T 型觸頭座內(nèi)燒蝕情況

該結(jié)構(gòu)母線導體兩側(cè)觸頭座內(nèi)均設計有限位螺釘，用來限制導體在觸頭座內(nèi)的活動范圍，確保導體與兩側(cè)觸指彈簧可靠接觸。進一步檢查發(fā)現(xiàn)該段導體靠近盆式絕緣子側(cè)觸頭座內(nèi)的螺釘未安裝，導體在該側(cè)觸頭座內(nèi)插入過深（約12.5 cm），超過了設計極限位置，如圖3 所示?，F(xiàn)場采取更換被燒蝕導體和觸頭座、重新安裝盆式絕緣子側(cè)觸頭座限位螺釘?shù)拇胧┻M行了緊急搶修并恢復供電。

圖3 Ⅱ母2 氣室A 相導體結(jié)構(gòu)圖

1.2 限位螺釘被擠壓變形

為了掌握母線其它位置的運行情況，對站內(nèi)同廠家、同型號母線進行了X 射線檢測，具體情況如下。

對結(jié)構(gòu)與Ⅱ母2 氣室相似的Ⅳ母2 氣室相同位置進行了射線檢測，發(fā)現(xiàn)B 相導體插接情況與Ⅱ母2 氣室A 相導體基本一致，即靠近盆式絕緣子側(cè)觸頭座內(nèi)未安裝限位螺釘，導體在盆子側(cè)觸頭內(nèi)插入過深，在T 型觸頭座內(nèi)插接深度不足，如圖4所示。

圖4 Ⅳ母2 氣室B 相導體兩側(cè)插接情況射線影像

在對其它位置進行射線檢測時，發(fā)現(xiàn)部分觸頭座內(nèi)雖然安裝有限位螺釘，但是螺釘被導體不同程度擠壓變形，其中包括兩側(cè)限位螺釘同時被同一段導體擠壓變形的極限情況，如圖5所示（圖所示C 相2 段導體）。此種情況的出現(xiàn)，表明導體在兩顆螺釘之間已無活動間隙，如果繼續(xù)發(fā)展，導體和殼體熱脹冷縮產(chǎn)生的應力會通過螺釘－觸頭座－導體的路徑作用到T 型觸頭座上部的電壓互感器間隔水平盆式絕緣子以及氣室兩端的豎直盆式絕緣子上，極易造成盆式絕緣子出現(xiàn)裂紋，進而導致設備故障，因此必須予以分析和處理。

圖5 Ⅳ母2 氣室C 相2 段導體兩側(cè)插接情況射線影像

2 螺釘變形原因分析

Ⅱ母2 氣室A 相導體和Ⅳ母2 氣室B 相導體盆子側(cè)觸頭座內(nèi)限位螺釘缺失是由于基建安裝階段人為漏裝造成，在此不做贅述，本章節(jié)重點對Ⅳ母2 氣室C 相2 段導體等兩側(cè)均出現(xiàn)螺釘變形的現(xiàn)象進行分析。

2.1 設計活動裕度

根據(jù)設計，Ⅳ母2 氣室C 相2 段導體兩側(cè)限位螺釘孔距為1 980 mm，導體長度為1 970 mm，不安裝螺釘時導體在兩螺釘孔間的活動裕度為10 mm，考慮所用螺釘規(guī)格為M6（即螺桿部分直徑為6 mm），當導體插入兩側(cè)觸頭座并且兩側(cè)螺釘全部安裝后，單側(cè)螺釘占據(jù)活動裕度為其半徑3 mm，兩側(cè)螺釘共占據(jù)6 mm，因此導體在兩側(cè)螺釘間的設計活動裕度僅余4 mm，如圖6所示。

圖6 Ⅳ母2 氣室C 相2 段導體設計活動裕度

2.2 極限加工相對誤差

根據(jù)廠家內(nèi)控標準，導體允許加工誤差為±1 mm，單件殼體設計誤差為±0.5 mm，Ⅳ母2 氣室C 相2 段導體所在兩間隔之間共包含3 段筒體和1 段波紋管，在進行金屬件極限加工誤差計算時：（1）螺釘孔在觸頭座上、觸頭座與殼體硬連接，假定此區(qū)間殼體全部是長度下差，即螺釘孔距由1 980 mm 減小為1 978 mm；（2）假定導體是長度上差，即導體長度由1 970 mm增長為1 971 mm?？梢缘玫浇饘偌O限加工相對誤差為3 mm，此相對誤差會占據(jù)4 mm 的設計活動裕度。

2.3 導體極限伸長量

該GIS 設備導體和殼體材質(zhì)均為鋁合金，在溫度發(fā)生變化時會產(chǎn)生熱脹冷縮，殼體熱脹冷縮量由波紋管吸收或釋放，導體則由限位螺釘間的活動裕度吸收或釋放，造成導體溫度變化的主要因素包括環(huán)境溫度和自身電流致熱兩種。結(jié)合當?shù)貧夂驐l件，在進行導體極限伸長量計算時，取安裝溫度T0為0 ℃，最高氣溫Tmax為32 ℃，日照導致殼體向陽面溫升T1為10 K，額定電流下導體溫升T2約為18 K，則根據(jù)線性膨脹計算方法得到：

式中，Lmax為導體極限伸長量，mm；L為導體設計長度，取1 970 mm；α為線性膨脹系數(shù)，鋁合金取22.3×10-6m/K。

計算得到導體極限伸長量Lmax為2.64 mm。

2.4 原因分析

根據(jù)上述計算可知，導體和殼體的極限加工相對誤差為3 mm，導體溫度升高時的極限伸長量為2.64 mm，為了保證同一段導體不會同時碰到兩側(cè)螺釘，則導體在兩側(cè)限位螺釘間的設計活動裕度至少應為5.64 mm，而實際設計值僅有4 mm，因此導體在加工誤差、熱脹冷縮、電動力等因素綜合影響下必將兩側(cè)螺釘擠壓變形。

3 改進措施

造成限位螺釘被擠壓變形以及異常運行事件的主要原因是導體設計活動裕度不足和人為漏裝螺釘，因此進行結(jié)構(gòu)改進時應遵循以下原則：（1）導體與兩側(cè)限位裝置之間必須預留不小于5.64 mm 的充足活動裕度，同時要保證極限情況下導體一端緊靠限位裝置時，另一端與三圈觸指彈簧有效連接；（2）現(xiàn)場安裝人員技術(shù)水平參差不齊，應盡量從設計角度避免安裝可能出現(xiàn)的問題；（3）盡量減小改進治理成本。

綜合上述三個改進原則，提出以下改進措施：（1）增大導體兩側(cè)限位裝置之間的間距，由原設計的1 970 mm 增大為1 980 mm，導體與兩側(cè)限位裝置之間的活動裕度由原設計的4 mm增大為14 mm，滿足大于等于5.64 mm 要求，同時當導體一端緊靠限位裝置時另一端與三圈觸指彈簧緊密連接；（2）取消靠額外加裝限位螺釘限制導體活動范圍的結(jié)構(gòu)，觸頭座內(nèi)限位裝置改為變徑臺階式鑄鋁結(jié)構(gòu)，鑄鋁臺階厚度為16 mm，在滿足限位需求的同時可徹底避免漏裝、掉落以及變形風險；（3）僅改變觸頭結(jié)構(gòu)，無需改變導體結(jié)構(gòu)，改造成本較低。改進后結(jié)構(gòu)設計圖如圖7 所示。隨后根據(jù)此設計圖進行了組部件生產(chǎn)及現(xiàn)場安裝工作，Ⅱ母和Ⅳ母整體改造后持續(xù)安全穩(wěn)定運行。

圖7 改進后T 型觸頭結(jié)構(gòu)及尺寸

4 結(jié)論

1）造成Ⅱ母A 相電壓波動、2 氣室異音和氣體組分異常的原因為觸頭座內(nèi)漏裝限位螺釘，導體在漏裝螺釘側(cè)插入過深，而在對側(cè)與觸指彈簧虛接產(chǎn)生發(fā)熱和放電。

2）X 射線檢測發(fā)現(xiàn)Ⅳ母2 氣室C 相2 段導體兩側(cè)限位螺釘均被導體擠壓變形，其原因為導體在兩側(cè)限位螺釘間的設計活動裕度不足。

3）根據(jù)母線實際運行條件計算出了合理的導體活動裕度、將觸頭座限位裝置改為變徑臺階式鑄鋁結(jié)構(gòu)，使得導體在擁有充足、安全的活動裕度的同時避免了螺釘漏裝等風險。

4）對存在隱患的Ⅱ母和Ⅳ母進行了全面改造，改造方式經(jīng)濟，改造效果顯著，印證了改進措施的合理性。

5 建議

1）GIS 設備生產(chǎn)廠家應結(jié)合實際運行條件進行差異化產(chǎn)品設計，特別是大溫差環(huán)境下戶外式GIS 母線的設計，應結(jié)合實際氣象數(shù)據(jù)經(jīng)充分計算、論證后確定結(jié)構(gòu)及尺寸，確保導體活動裕度合理、導體運行安全。

2）廠家在設計母線及其他產(chǎn)品時，應盡量從結(jié)構(gòu)設計上避免各類隱患和風險，把質(zhì)控關(guān)口前移到設計階段，減少對安裝人員的依賴，確無法避免的應做好安裝現(xiàn)場質(zhì)量管理。

3）設備運維管理單位提前介入產(chǎn)品設計工作，做好產(chǎn)品運行適應性溝通；安裝階段需要加強技術(shù)監(jiān)督，確保每一顆螺釘安裝到位并做好記錄。

4）對在運同型號、同結(jié)構(gòu)產(chǎn)品進行全面X射線排查，出現(xiàn)上述問題時應及時進行改造處理，第一時間消除安全隱患。