关于800kVGIS长距离母线筒位移研究

李大权 姜 飞 万荣兴

（1.甘肃省电力公司兰州输变电运行公司，兰州 730000，2.长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙 410004）

GIS（Gas Insulated Substation）是气体绝缘全封闭组合电器的英文简称。GIS具有占地面积小、绝缘性能高、安全可靠、寿命长、运行方便等特点，已广泛应用于不同电压等级的电力系统中[1]。对GIS母线筒采用长距离、高空架设安装，必须考虑土建施工、设备制造、安装等产生的误差，以及运行中温度变化产生的热胀冷缩、基础不均匀沉陷、断路器操作时的瞬间振动、遇到地震力作用等因素。这些因素都可能导致母线筒超过允许的变形和应力范围，严重时还将危及GIS的安全运行[2]。

750kV兰州东变电站800kVGIS母线筒采用新东北公司产品[3-4]，其安装长度终期将达310m以上，因此长母线筒由外力（主要为温度变化的热胀冷缩作用力）产生的位移问题值得进一步研究与总结。

1 滑块与伸缩节在800kVGIS母线筒的应用

750kV兰州东变电站800kVGIS设备采用一字型二分之三接线，为了抵消外力对母线筒产生的应力，目前母线筒在安装过程中采用了伸缩节与母线支架滑块。

1.1 800kVGIS母线筒支撑滑块应用

800kV母线筒每隔5m左右设置一个支撑点，每个支撑点有两个支柱，通过两个支撑滑块与母线筒底座相连，如图1所示。该滑块可以向4个方向移动，以确保当母线筒与支撑部位发生相对位移时，支撑部位仍然能够提供对母线筒的可靠支撑。滑块的位移量反映了母线筒的热胀冷缩特性，同时也反映了母线筒与支撑部位之间的水平相对位移。但在运行现场支撑滑块在母线筒移动过程中，它只起到了滑动支撑作用，对抵消伸缩节的热胀冷缩效果不大[5]。

图1 兰州东变电站应用的GIS母线支撑滑块

1.2 800kVGIS母线筒伸缩节应用

伸缩节外形如图 2所示，其在母线上每间隔15～22m左右设置一组，主要用于装配调整、吸收基础间的相对位移和热胀冷缩产生的伸缩量。其装设与GIS配电装置总体布置和相应的土建结构有密切的关系，相对于铝制外壳的GIS配电装置，自身具有一定承受变形能力。因此，伸缩节的合理配置一般由制造厂根据GIS配电装置总体布置结构计算后提出建议，由工程设计单位认可实施。

不同品种的伸缩节有不同的调节方法，在工程中一般采用简化的调节方式。下面以拉杆直连型伸缩节为例说明伸缩节的调整注意事项[6]。

1）伸缩节安装过程中，内外侧的螺母要求松开一定尺寸，应对管道母线的安装情况进行调整，同时要测量调整前后的安装尺寸，并保证伸缩节未超出其允许的轴向及径向调节范围。

2）伸缩节在安装过程中严禁用拉伸、压缩和偏转伸缩节的办法来调整安装误差，以免导致伸缩节破坏。

3）在伸缩节安装完成后和产品内部充气体之前，应锁死伸缩节的外侧螺母。

图2 兰州东变电站应用的GIS母线伸缩节

2 运行中800kVGIS母线支架位移统计情况

2.1 800kVGIS母线筒支架位移统计

兰州东变电站位于西北高原地区，海拔1898m，昼夜温差最大可达20℃以上，因此由温差产生的热胀冷缩作用对750kV母线筒影响较大。

为了能更好的观察伸缩节的效用，运行人员在伸缩节处放置卡尺，对伸缩节的变化情况进行了观察。本文抽取2009年3月份750kVⅠ母东侧伸缩节每日的变化情况，如图3所示（伸缩节伸出位移尺度计为正值，压缩尺度计为负值）。

由图3可以看出：750kVⅠ母母线A、B、C三相统计处的伸缩节在一月内发生了较大的变化，其中早晚变化幅度最大值达13cm。可见，伸缩节在吸收母线外力作用位移时起到了一定积极作用。

图3 750kVⅠ母母线第13—14支柱间伸缩节月内变化情况

同时，对母线筒位移情况也做了观测研究。表1为2009年某两日对母线支架位移的测试情况。可见，GIS母线筒东西两头处支架位移明显增大，例如，750kVⅠ母西侧位移为 34mm，东侧位移为30mm，750kVⅡ母西侧位移为 30mm，东侧位移为16mm，而靠中间处母线筒位移接近零。这表明温补伸缩节在温度变化时，两侧母线筒并未受较大水平力固定，母线筒发生整体滑动，而温补伸缩节起不到相应的固定补偿作用，这对母线的安全运行产生了负面影响。

2.2 现场运行中所遇到的问题

2008年12月4日，750kV兰州东变电站运行人员巡视时发现750kVⅠ母母线7117接地刀闸B、C相所在垂直段母线筒底部法兰面西侧漏气，如图4所示，此时环境温度为-14℃。经分析，在环境温度急剧变化情况下，母线上安装的伸缩节不能完全补偿热胀冷缩变化，引起的应力传递至母线连接的垂直段母线筒底部，法兰受力过大造成局部机械损伤，密封性能下降导致 SF6气体泄漏。这种问题的产生进而要求我们继续对GIS母线两端及转角处抵消热胀冷缩力的问题进行深入研究。

表1 变电站6月16日和4月13日母线支架位移测试统计

图4 红外线照片（750kVⅠ母线B相漏气点）

3 模型与实际对比研究

3.1 模型检验

兰州东变电站伸缩节均采用轴向调节（水平伸缩），本文检验模型的建立采用整体结构和伸缩进行轴向调节分析计算。假设以下条件成立：

1）筒体的热胀冷缩发生的变化均被伸缩节吸收。

2）忽略母线筒由于受力而发生固体形变。

3）假定母线筒材质所发生的热胀冷缩为线性膨胀。

4）次刚性固定支架未发生形变。

定义每个伸缩节为一个单元，统计出一个单元内所有母线筒长度之和。

母线筒的伸缩量为

式中，k为母线筒的单位形变量，L为母线筒长度。并且，铝质母线筒的单位形变量k为

式中，α为铝的线膨胀系数，取值为（23.6×10-6），ΔT 为温差，单位为℃。

3.2 实际运况分析

兰州东变电站2011年7月7日与7月19日温度分别为25℃和35℃，温差ΔT为10℃，根据式（1），可得表2所示。

表2 伸缩节实际变化值与理论计算值对比

由表2可见，理论计算值与实际值有较大的误差。表明温补伸缩节在温度变化时，由于固定支架和垂直母线筒强度不够，造成温补伸缩节起不到相应的补偿作用，因而造成了母线筒支架位移产生了较大的形变，如表1分析得知，相应的两侧滑块移动量较大。主要原因归结于温补伸缩节及固定支撑两方面。温补伸缩节出现的问题分为两类：包括伸缩节预压力调整不当和现场安装工艺差造成。固定支撑出现的问题也分为两类：包括固定支架强度不足和固定垂直母线筒强度设计不足。现将分析情况汇总如下。

1）伸缩节预压力调整过大

在温度变化时，温补伸缩节长度变化较小，伸缩节未能有效的消除母线筒热涨冷缩产生的变化量，反而将母线筒变化量传递到下一个单元，如此累加后，导致母线东、西两端垂直母线筒法兰底座承受的应力过大，发生母线东、西两端垂直母线筒向西或向东偏移现象。

2）现场安装工艺差

GIS安装工艺要求很高，在现场安装GIS母线时，施工人员将伸缩节全部压缩后在进行安装，然后再进行调整预压力，未考虑伸缩节安装时的环境温度。随着环境温度的变化，温补伸缩节预压力不能满足温度变化，也是造成伸缩节不能完全起到温度补偿作用。

3）固定支架强度不足引起的固定支架位移

按照设计原理，母线温补伸缩节应能补偿每个单元的膨胀量，固定支柱不应有偏移，但从测试结果表明，一是由于固定支柱强度不够，温补伸缩节起不到相应的补偿作用，造成所有固定支柱均有不同程度的倾斜；二是由于垂直母线筒强度不够，温补伸缩节没有起到相应的补偿作用，造成母线东、西两端垂直母线筒向西或向东偏移不同程度的倾斜。

4 GIS母线端部主刚固定支架的应用

4.1 解决方案

为了能使热胀冷缩力在母线端部所产生的较大位移完全被吸收，结合现场实际分析提出了长距离800kVGIS母线筒架设末端适当增加刚性三角固定支架[7]，如图5所示。

图5 母线端部主刚性支架的设置

在母线上增设主刚性支架，可以与原刚性构支架（以下称为次刚性固定支架）配合，减轻次刚性固定支架的负担，如图6所示，改善罐体旁通法兰和底脚法兰上的受力情况，进而使在温度变化时所引起的母线筒位移完全被两固定支架间的伸缩节和滑块移动吸收。

图6 现场应用的支架及伸缩节配合情况

4.2 原理分析

主刚固定支架应承受的最大荷载应考虑在母线筒运行期间可能产生变化的下列荷载：

1）管道热胀冷缩和其他位移产生的作用力和力矩[8]。

2）不平衡力造成的波纹膨胀或补偿器等的内压作用力及弹性力。

3）管体内气体突然变化引起的力，风力以及地震力等造成使用期间瞬间和偶尔发生的荷载应计入。

4）母线端部弯管内气体变化对支架的作用力。

兰州东变电站GIS母线主固定支架可能承受的最大载荷出现在高温时，此时伸缩节的内压作用力与伸缩节变形产生的弹性力方向相同；低温时，伸缩节的弹性力与伸缩节波纹的内压作用力方向相反。这在设计主固定支架所承受力范围时应该注意。

5 结论

母线筒热胀冷缩会使两端及转角处受到很大的应力，威胁到两伸缩节端及转角处的焊缝，严重时会导致焊缝开裂，引发设备事故。虽然支撑滑块能够提供母线筒发生位移时的可靠支撑，伸缩节能够一定程度上缓解母线筒热胀冷缩问题，但在实际应用中这些并不能起到完全补偿的作用。因此笔者建议今后750kVGIS建设中应该考虑在长母线筒端头、T型接头、Π型接头处增加主刚固定支架，而其具体的力学分析与工程应用还将进一步研究。

[1]梁家盛.浅谈GIS在电网中的应用及展望[J]. 广东科技,2009,11:130-131.

[2]李海波,万荣兴,方勇.兰州东变电站 750kVGIS母线筒缺陷原因分析[J].高压电器,2010,46(11): 12-15.

[3]国家电网公司.750kV输变电示范工程建设总结[M].北京:中国电力出版社,2006.

[4]韩国晓星公司.800kv金属封闭开关设备最终文件和图纸[M].韩晓星公司，2005.

[5]王轶慧,何芙蓉,祁文治.750kVGIS长距离母线筒热胀冷缩问题探讨[J]. 电网与水利发展进展,2007,11:18-20.

[6]黄坤鹏.伸缩节在GIS中的应用[J].电器制造,2011,6:40-43.

[7]新东北电气(沈阳)高压开关有限公司.关于兰州东变电站工程 800kVGIS母线固定支架的力学分析报告[R]. 2009.5.

[8]国家质量技术监督局. GB/50316—2000工业金属管道设计规范[S]. 2001.