旁通压力平衡型波纹补偿器(怎样解决GIS长距离母线筒的位移问题？)

Posted 2023-05-28

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旁通压力平衡型波纹补偿器(怎样解决GIS长距离母线筒的位移问题？)

GIS组合电器已广泛应用于电力系统，为了能更好的解决GIS设备的长距离母线在运行后水平位移与垂直位移问题，现场采用的方法为增加伸缩节和水平滑块。总结750kV兰州东变电站3年多的运行经验，分析了伸缩节和水平滑块的应用效果，并提出利用主刚固定支架、伸缩节、滑块支架与次刚固定支架配合的方法来解决长母线筒端部位移问题。最后给出了伸缩节位移的模型，并与实际数据对比分析。

GIS（Gas Insulated Substation）是气体绝缘全封闭组合电器的英文简称，由于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，它已广泛应用于不同电压等级的电力系统中。

GIS母线筒采用长距离、高空架设安装，其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。这些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。

750kV兰州东变电站800kVGIS母线筒采用新东北公司产品，其安装长度终期将达310多米，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5米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。该滑块可以向四个方向移动，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。

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，其在母线上每间隔15-22米左右设置一组，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：

(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，这将导致伸缩节破坏；

(3) 伸缩节安装完成后，在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 800kV GIS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1898米，昼夜温差最大可达20℃以上，因此由于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，我们对母线筒位移情况也做了观测研究。根据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，由于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

某日，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。

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（略）

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。

3.2 实际运况分析（略）

将分析情况汇总如下：

表1 伸缩节实际变化值与理论计算值对比

(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胀冷缩产生的变化量，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，如图5所示。在母线上增设主刚性支架，可以和原刚性构支架（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。

图5 母线端部主刚性支架的设置

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。

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；

(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。

图6 现场应用的支架及伸缩节配合情况

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。

（编自《电气技术》，原文标题为“关于800kVGIS长距离母线筒位移研究”，作者为李大权、姜飞等。）