闫丽娟,张兴忠

（1.国网山西省电力公司朔州供电公司,山西 朔州 036002; 2.山西鸿顺通科技有限公司,山西 太原 030024）

GIS母线舱位移形变成因与危害探究

闫丽娟1,张兴忠2

（1.国网山西省电力公司朔州供电公司,山西 朔州 036002; 2.山西鸿顺通科技有限公司,山西 太原 030024）

针对季节性温差、昼夜温差、日照辐射、突降暴雨、分合闸时电磁场等外部环境变化对母线舱位移形变的影响,研究了GIS母线舱位移形变的成因和危害,并通过估算和经验判断加以验证,表明上述环境变化达到一定阈值时,将使GIS母线舱发生位移形变、甚至损毁。该研究为制定母线舱位移形变监测系统方案提供了指导。

GIS母线舱；位移形变；成因；危害

0 引言

近年来，随着高压、特高压变电站的建成，气体绝缘全封闭组合电器GIS（Gas Insulated Switchgear）设备以其独特的优势，得到广泛的应用。母线舱作为GIS设备的重要组成部分，保证其安全稳定运行十分重要。由于GIS安装在户外，容易受到外界环境影响而发生位移形变，其变化的范围和频率超出设计要求后，会造成GIS母线舱漏气、导电杆连接不良甚至设备损坏。根据文献及现场调查发现，因外界环境影响造成母线舱位移形变，从而使GIS设备损坏的案例并非个案。目前国内尚无较系统的设计标准来避免上述问题的发生，也无较完善的监测系统，用于监测母线舱的位移形变以及周围环境情况。公开文献中，仅对由四季温差和昼夜温差引起的母线舱位移形变有所研究。在实际运行中，因为太阳暴晒、突降暴雨、分合闸瞬间等原因，也可造成母线舱位移形变。本文将初步探讨和研究能够引起母线舱位移形变的因素，并指出其可能造成的危害，为研究母线舱位移形变的检测系统提供参考。

1 伸缩节和地脚在GIS中的应用

1.1 伸缩节在GIS中的应用

伸缩节安装在两节母线舱之间，其作用主要分为两类，一类用于安装调整；另一类用于补偿运行中引起的位移。目前我国规定GIS设备中必须安装伸缩节， 但具体的量化计算和要求却没有明确规定，均由各厂家和用户商定，因此其调节量、抗疲劳能力、应变时间等不一定满足现场使用要求。造成这种现象的主要原因是，母线舱位移形变的成因复杂多变，对其研究不够深入，无法给出伸缩节设计要求和量化计算标准。

1.2 地脚在GIS中的应用

地脚是固定母线舱支架和地基的紧固器件，每隔一段距离（各厂家要求距离不同）布置一个，用于固定并支撑母线舱。地脚主要为L型和滑块型，L型地脚与地基为钢性固定，滑块型可以相对地基发生微小位移。当母线舱发生较大位移时，地脚会受到较大应力，有可能破坏其结构，降低使用寿命，甚至直接使地脚开裂。

2 成因及危害分析

母线舱发生位移形变的外部因素有很多，且为多因素耦合作用，其作用机理又与设计方案、设备材料等因素有关，很难量化研究。本节将列举主要影响因素，单独分析其成因及危害，并通过合理的估算和经验判断加以验证。本文用于估算的母线舱参数如表1所示。

表1 母线舱参数

2.1 季节性气温变化影响

我国多处于大陆性气候地带，气温年差较大，仅以大同地区为例，查阅天气网大同市2月和7月的温度变化(极值温度出现在这2个月)如表2所示。由表2可知，近4 a大同市的最大气温年较差为60 ℃。

表2 大同市近年温度的年较差情况 ℃

由热涨冷缩公式d=α δTL可知，母线舱因热涨冷缩引起的最大位移变化为d=2.3×10-5×60×7= 9.66 mm，其中，d表示位移，单位为mm；α表示物体热膨胀系数，单位为℃；δT表示温度差，单位为℃；L表示物体长度，单位为m。根据该公式可估算出地基的最大位移变化为4.2 mm。所以，母线舱和地基的相对位移最大为13.86 mm[1]，母线舱受到的线性应力F = 7×104×9.66 = 6.7×105N，地脚受到的应力F= 7×104×13.86 = 9.7×105N。当多段母线舱拼接部署时，还会造成位移累积[2]，使应力进一步加大。

当伸缩节不能补偿位移变化时，母线舱转角、焊缝以及结合处必将受到较大应力，导致其机械强度下降、寿命减短，甚至开裂损毁，最终造成漏气。地脚也将承受一定的应力，用以抑制其与地基间的相对位移，长时间受力使地脚内部机械强度下降、倾斜、弯曲或开裂，从而降低其支撑能力，最终使母线舱在自身重力和其他外力[3]作用下损坏。

2.2 昼夜温差变化影响

我国大部分地区处于北温带的大陆性气候区，昼夜温差较大，以大同地区为例，查阅近年2月和7月昼夜温差（温差最值出现在这2个月），如表3所示，近3 a大同市的最大昼夜温差为21℃。

表3 大同市近年的昼夜温差情况 ℃

根据2.1中的估算方法可知，1 d内母线舱因热涨冷缩引起的最大位移变化为3.38 mm，母线舱与地基的最大相对位移为4.85 mm，因此1 d内伸缩节需要调节3.38 mm，地脚要抑制母线舱和地基间发生4.85 mm的相对位移。

因为温度几乎每小时都在变化，所以伸缩节和地脚的应力变化频率很高，因此长时间运行后，可能因机械疲劳等原因降低其使用寿命。为提高伸缩节的响应速度，伸缩节的弹力必须达到一定值，这又使得母线筒在发生位移时，时刻受到一定值的弹力作用，长期受力必将降低其使用寿命。

2.3 夏日受光面与背光面影响

夏日受阳光直射，铝合金母线舱受光侧会迅速升温，背光侧则升温较慢，而在升温过程中其传导热的速度不足以平衡母线舱两侧温度，致使两侧膨胀量不同而使母线舱沿轴线发生扭曲，导致法兰与母线舱错位而漏气。

对于夏日正午，受光侧与背光侧形变量做初步估算。在大部分条件下，太阳光照度和辐射度是比例关系，且比例关系约为10 000∶220[4],假设铝合金母线舱对太阳辐射吸收系数为0.25（该值取决于母线舱的材质和表面处理技术），则可计算得出结论：单位面积母线舱升高1℃需要能量约为47kJ，即需要2 400 lx的光照射1 h（其中lx为照度单位）。光照强度如表4所示。由表4数据计算可知，晴天向阳侧和背阴侧母线舱温差最大约37.5℃，由2.1计算公式可知，母线舱受光侧和背光侧的形变差，轴向为6 mm，径向为2.15 mm。

母线舱在吸收辐射热的同时，不断地进行散热和热传导，使得受光面和背光面的温差小于计算值，但仍存在较大的形变差，且这个形变是缓慢发生的。母线舱长时间受到抑制该形变差的力作用，使舱体扭曲变形，焊缝和法兰盘接口处开裂漏气，绝缘强度下降，最终导致接地故障。对于阴天时，太阳热辐射量较小，母线舱的散热和传导热不可忽略，其受光面和背光面的温差很小，因此强光照（热辐射的作用）是母线舱发生扭曲的主要诱因之一。

表4 常见天气光照强度表

2.4 太阳暴晒后突降暴雨影响

由2.3计算可知，夏日太阳暴晒下的母线舱温度约70 ℃（假定环境温度35 ℃），雨水温度较环境温度低0.8～1.6 ℃[5]。当太阳暴晒使母线舱升温到70 ℃后，突降水温为34 ℃的暴雨，在持续雨水的冲刷下，母线舱温度快速降低到34 ℃，温度变化36 ℃。由2.1计算方法可知，母线舱轴向位移变化5.8 mm。因为降温的速度很快，上述位移形变很剧烈，母线筒受到突变的较大应力，伸缩节的响应时间不足以调节，可能造成舱体焊缝拉裂、母线舱和法兰盘间的密封垫拉裂变形等。急剧降温也会造成母线舱和地基间受到较大的突变应力作用，使地脚弯曲拉裂或固定螺栓松动，最终造成母线舱损坏。

2.5 分合闸过程强磁场影响

在分合闸过程中,电流在极短的时间内变化,产生很大的磁场[6]，相邻平行的2个母线舱将受到很大的作用力，使得母线舱发生位移或形变。在母线舱设计中，并没有对任意方向做位移形变补偿设计，所以在分合闸过程中，母线舱支撑点、焊缝处等关键部位，极易拉裂或变形，最终造成设备损坏。交变磁场还会在母线舱体上形成电流，该电流在流经拉裂的焊缝处时会发热，使焊缝处电阻增大，从而加大发热量，如此往复作用，最终使母线舱损坏。

3 结束语

母线舱发生位移形变的成因有很多，主要分为外部环境和自身缺陷两方面，外部环境主要由季节性温度变化、昼夜温差、太阳暴晒、降雨等导致的急速降温、分合闸的强磁场作用力，以及风载[7]、雪载等因素；自身缺陷主要由设计缺陷、安装缺陷、材料缺陷、以及运行过程中部件松动等原因。本文仅结合实际遇到的故障原因，通过估算和经验判断做出成因分析，为选取GIS母线舱位移形变监测方案做准备。

下一步，将结合本文对母线舱位移形变的成因探究结果，制定GIS组合电器母线舱环境状态监测方案。通过实际监测，验证母线舱位移形变成因和危害，并寻找多环境耦合影响下的位移形变规律，为GIS组合电器母线舱安全运行提供指导意见。

[1] 张航.GIS波纹管不能吸收热胀冷缩导致GIS漏气的浅析[C].//重庆市电机工程学会.重庆市电机工程学会2010年学术会议论文集，2010:283-288.

[2] 李大权,姜飞,万荣兴.关于800 kV GIS长距离母线筒位移研究[J].电气技术，2012（05）:41-44.

[3] 岳希明,王培萍,李伟然,等.GIS母线筒壳体的应力分析[J].化学工程与装备，2011（07）:8-10.

[4] 毛军需.太阳辐射度与光照度换算浅析[J].河南农业科学，1995(01):11-12.

[5] 许永胜,陈历舒,贾绽云.自然积云与催化积云地面雨水温度的差异[J].气象，1992（12）:3-8.

[6] 陈刚,孟丹,舒朝君.正常运行和启动时的GIS母线电磁场的分析[J].机械与电子，2010（S1）:150-152.

[7] 庞亚娟,马天琛,赵晓明,等.GIS母线筒的风致振动分析[J].黑龙江科技信息，2011（32）:26.

Research on the Causes and Hazards of GIS Busbar Compartment Displacement Deformation

YAN Lijuan1, ZHANG Xingzhong2

（1. State Grid Shuozhou Power Supply Company of SEPC, Shuozhou, Shanxi 036002, China; 2. Shanxi Hongshuntong Technology Co., Ltd., Taiyuan, Shanxi 030024, China）

Researches were done on the causes and hazards of GIS busbar compartment displacement deformation based on the influence from the changes of external environment such as seasonal temperature change, temperature difference between day and night, sunshine radiation, heavy rain, and the electromagnetic field changes when opening and closing the switch. By estimating and judging from experience, it is decided that when the change of the environment factors mentioned above reaches a certain threshold, GIS busbar compartment will produce deformation and even damage. This research will provide guidance for the scheme making of GIS busbar compartment displacement deformation monitoring system.

GIS busbar compartment; displacement deformation; cause; hazard

TM77

A

1671-0320（2016）04-0004-03

2016-01-11，

2016-04-18

国家电网公司科技项目 （SGSXDTOOXTQT[2014]2640）

闫丽娟（1986），女，山西朔州人，2015年毕业于武汉大学电气工程及其自动化专业，助理工程师，从事设备检测与状态评价相关工作；

张兴忠（1964），男，山西太原人，2000年毕业于太原理工大学计算机应用技术专业，工程硕士，从事设备检测与状态评价相关工作。