GIS母线波纹管调节螺杆发热分析及处理

摘 要：为解决GIS母线波纹管感应电流带来GIS设备局部发热加速设备的老化，通过对500kV紫荆变电站220kV GIS母线波纹管发热的现象进行测量和分析，提出解决措施，对运行中的设备在无安全风险的前提下进行缺陷处理，并跟踪其处理后的效果，为波纹管设计、验收提供经验借鉴。

关键词：波纹管；调节螺杆；感应电流；发热

0 引言

近年来GIS在电力系统的应用中体现出很大的优越性，与常规敞开式变电站相比，GIS具有结构紧凑、占地面积小、可靠性高、配置灵活、安装方便、安全性强、环境适应能力强，维护工作量很小等优点。我国电压等级较高的变电站都采用GIS形式，而波纹管是GIS的重要组成部分，作为一个弹性元件，利用材料的弹性来实现所要求的功能，它在外界载荷作用下改变元件的形状和尺寸，当载荷卸除后又恢复到原来的状态。可以实现测量、连接、补偿、密封、减震等功能。波纹管的弹性特征在气体封闭式组合电器上得到广泛的应用。但其部件发热会引起法兰处密封材料老化，降低密封性能，影响GIS设备安全运行。本文对波纹管调节螺杆发热原因进行测量和分析，提出现场解决措施及波纹管部件在设计和验收上的注意事项。

1 问题提出

1.1 发现缺陷

某日运行人员在500kV紫荆变电站巡视时发现220kV6M位于荆廷甲线4762间隔处波纹管调节螺杆和螺母均有不同程度的发热，该节共有6根调节螺杆，其中3根发热较严重，最高测温达65.5℃。对比其他间隔波纹管调节螺杆和螺母温度约为42℃-43℃。

某日运行人员在500kV紫荆变电站发现位于220kV1M母线荆翡乙线间隔与母联2015间隔之间的母线波纹管调节螺杆和螺母均有不同程度的发热，该节共有6根调节螺杆，其中5根发热较严重，最高测温达52.3℃。对比其他间隔波纹管调节螺杆和螺母温度约为36℃。其红外测温图如图1-图2。

利用钳形电流表对对上述两处发热波纹管调节螺杆的感应电流进行测量，为确保测量准确使用两只钳表同时进行对比测量值。荆廷甲线4762间隔处波纹管调节螺杆感应电流测量数据如表1所示，荆翡乙线间隔与母联2015间隔处波纹管调节螺杆感应电流测量数据如表2所示，两只钳表测得通过调节螺杆的感应电流最大值分别为85.8A和83.2A，其他调节螺杆感应电流约60A至70A。再对其他正常间隔的调节螺杆进行测量，两只钳表测得其他间隔的感应电流分别为10A-20A。

若长期过热运行，将造成波纹管调节螺杆与螺母快速老化导致损坏，从而丧失波纹管连接、补偿、密封、减震等功能，更严重的将对电网的安全运行有着直接的威胁。

1.2 原因分析

（1）产生波纹管环流的基本原理是电磁感应。GIS外壳波纹管与其内部导体间的距离很小，两者的电磁耦合很强.这种紧凑型结构使得GIS外壳波纹管与内部对应导体构成一个空心变压器，导体为原边，外壳为副边，导致GIS外壳波纹管产生明显的感应电势，包含引起纵向电流的共模电势和引起涡流的横模电势[1]。有资料表明，当电压等级比较低的时候，三相母线共用一个金属外壳，在三相对称运行下，外壳上不会产生幅值很高的环流，但当电压等级比较高的时候，三相不是“共体”结构，一般采用三相分体的形式，在这种结构下，特别是产生不对称或故障运行的时候，外壳上会产生很大的环流[2]。情况如图5。

（2）根据P=I2R，当流过到体内的电流越大或导体的电阻越大时，该导体的发热就会越严重。正常情况下，外壳感应电流应在波纹管处导流排处，不应在波纹管处流过。如果感应电流从波纹管处波纹管流过的话，将有可能引起波纹管的发热。所以我们观察分析了GIS设备波纹管处导流排如图6、图7、图8，发现发热间隔导流排存在连接，检查所有此类导流排均有不同程度发热，且发热间隔调节螺杆的感应电流也是正常间隔调节螺杆的3-4倍。

对照电气主接线图，第1处发热点母线所在电气位置如图9所示。由图中可知第1处发热点所在的母线位置流过的电流为线路1和线路2的电流之和，即主变1所有的电流均流过第1处发热点所在的母线位置，该处的感应电流会比线路1与线路2之间、主变1之前、线路2之后的母线感应电流大。

第2处发热点母线所在电气位置如图12，由图中可知第2处发热点所在的母线位置流过的电流为线路3至线路8所有线路电流之和，即主变2所有的电流均流过第二处发热点所在的母线位置，该处的感应电流会比线路与线路之间，主变2之后、线路3之前的母线感应电流大。假设导体的电阻相同，发热点处由于所在的母线载流量大，其感应电流也大，故其发热也严重。

（3）根据全连式封闭母线外壳环流损耗的计算公式P=IK2RKO Kf，式中IK为外壳环流；RKO为外壳直流电阻；Kf为外壳的集肤效应损耗系数，在厚度不大于8 mm 时可取为1[3]。显见，当外壳直流电阻越大时，发热也相对严重。在发热间隔螺母和调节螺杆均有锈蚀，所以直流电阻会比较大。

2 处理方法

220kV GIS母线安装有以下两种波纹管，一种是波纹管调节螺杆两端与法兰的螺母均是紧固的，主要用于补偿组建时的长度系数。如图11；另一种是波纹管调节螺杆两端与法兰螺母其中一端松开的，主要用于组建后的温度和吸收地震时的振动，如图12。对于两种不同的波纹管采用不同的处理方法。

2.1 波纹管调节螺杆两端与法兰的螺母均是紧固的处理方法

（1）对于调节螺杆两端与法兰的螺母均是紧固的波纹管无法拆卸处理，可通过对螺杆和螺母表面处理减少电流的大小或直流电阻的大小，所以拟定对螺栓擦拭、除锈等处理来减少直流电阻。

（2）根据以往的處理方案和经验分析，也可在波纹管两端外侧每对螺栓间逐一加装符合设计规定的连接小铝排，以期对调节螺杆或内藏式跨接铝排实施分流，从而降低发热。但此方法需要改变设备构造，所以并未采用此方法进行改良。

由于封闭母线外壳是三相短路并接地的，铝外壳上感应的轴向电动势与大地间无电位差，故可在不停电的条件下实施。

2.2 波纹管调节螺杆两端与法兰的螺母其中一端松开的处理方法

用钳表测量正常的有一端螺母松开的调节螺杆的感应电流，测量电流值为0.1A，接近0，但用导体使调节螺杆松动端接触外壳后，测量电流值变为24.2A，由于调节螺杆没有形成闭合回路，产生不了感应电流，故这种调节螺杆也就发热不明显。

由此，在经查阅500kV紫荆站土建图纸得出，500kV紫荆变电站地基相对牢固，近几十年不会存在大幅度下降或上升，且近年来沉降观测点并未大的变化，所以在松动端加缠绝缘一层胶带绝缘胶带后，所留下的5mm的调节余度完全符合要求，不会存在风险。

3 效果检测

经过上述措施处理后，在迎峰度夏期间，每天对缺陷部位进行测温，发现荆廷甲线间隔波纹管红外测温37.3度（负荷一致时），荆翡乙线间隔红外测温41.5（负荷一致时），发热现象已消除。但对于调节螺杆两端与法兰的螺母均是紧固的波纹管并未从根本上拆卸处理，只做了表面处理，所以雨天过后，螺栓会生锈，直流电阻仍会增加，进而需进一步跟踪。

4 结束语

通过以上200kV封闭母线波纹管调节螺杆与法兰的螺母局部过热的发现、分析与处理，建议GIS设备设计和验收时应重视以下事项：

（1）在设计方面，要求每一节波纹管都要加装导流排用以分流，并根据运行时母线不同位置载流量加装适当数量导流排，且导流排的直流电阻、安装工艺等要符合要求，建议不要选择连接式的导流排；

（2）在波紋管波调节螺杆的紧固端螺母内加装绝缘垫片，使其环流不通过波纹管调节螺杆；

（3）在专业验收时要注意，保证波纹管直流电阻、绝缘和气密性要达到标准，且材料属性符合要求，这样才能保证设备安全可靠的运行。

参考文献：

[1]施围，张亚婷，吕鸿等.母钱外壳环流与哲态地电位升离现象研究[J].中国学术期刊电子出版社，2008，36（01）.

[3]郭磊，范冕，姚裕安.500kV GIS外壳感应环流特性的仿真分析[J].湖北工业大学报，2012，27（01）.

[3]杨永怀.封闭母线外壳局部过热原因分析及处理[J].电力安全技术，2004，7（06）：14-15.

作者简介：方丙涛（1989—），男，广东惠来人，本科，助理工程师，研究方向：电力系统自动化。