分享：GIS母线位移引起系统电流异常原因

• 孙庆峰1, 2, , 
 
• 陈铭炜3, 
 
• 戴鹏飞4, 
 
• 刘梅1, 
 
• 张杰1, 
 
• 祁航航5

• 1.

  浙江省电力锅炉压力容器检验所有限公司，杭州 310014

• 2.

  浙江兴创新能源有限公司，杭州 310014

• 3.

  国网绍兴供电公司，绍兴 312000

• 4.

  国网浙江省电力有限公司超高压分公司，杭州 310014

• 5.

  杭州御兴科技有限公司，杭州 311100

气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）具有结构紧凑、占地面积小、配置灵活、安装方便等优点，是输变电工程建设的主流方案[1]。具有间隔连接作用的GIS母线筒通常采用长距离架空敷设方式，受制造工艺、安装工艺、地基沉降、温差循环、太阳辐射等因素的影响，随着运行年限的延长，将逐步产生筒体轴向位移或转角等问题[2-4]。运行经验表明，母线筒位移是GIS设备筒体间连接处、焊接部位漏气，以及内部导体连接接触不良等故障的主要原因[5-6]，因此，开展GIS母线筒位移研究具有必要性。

GIS设备内部导流部件接触不良是运行过程中较为常见的问题[7-8]。产品制造质量问题[9-10]、安装工艺控制不当[11]通常被认为是GIS内部导流部件接触不良的主要原因，相关研究也据此提出了相应的检测方法[12]。然而，对于由运行环境变化（尤其是GIS设备位移）引起的导流部件接触不良问题，人们的关注相对较少。其中，文献[13]介绍了一起户外落地式母线GIS位移导致固定支架变形，进而引发内部导体接触不良、导流排断裂的故障案例；文献[14]则阐述了西北地区高温差工况下，GIS长母线热胀冷缩导致内部导流部件接触不良的故障。此外，文献[15]提出了太阳辐射和温差变化对GIS设备位置改变的影响。

2023年10月19日，某1 000 kV变电站GIS设备5001开关A相电流降至8 A，较B、C两相电流偏低500 A；与此同时，5002开关A相电流较B、C两相电流偏高500 A。该异常现象于当日恢复后，又在1 h内再次出现，最终于次日上午恢复正常。经跟踪监测发现，10月21日5001开关A相电流偏低异常再次发生。为确保设备安全可靠运行，已将5001开关间隔转为冷备用状态。

笔者对系统潮流进行分析，初步判断故障开关内可能存在某个导流部件接触不良或断点问题。为明确事故根源，技术人员采用特高频局部放电检测、超声波局部放电检测、SF6分解物测试、X射线检测等多种技术开展排查，但是未能实现对缺陷的定性与定位。最终，技术人员根据与故障开关相连的GIS长母线（宏观观察发现其存在明显位移痕迹）的连接方式及布置方式，推断出受力最大的部位；同时，红外测温发现的异常点也恰好位于该位置，据此对故障GIS开关实施了解体作业，并精准找到了故障点。文章有望为生产及运行单位处理类似故障提供理论指导。

1.   理化检验

1.1   系统潮流检查

在系统电流异常的另一天、同一时间进行500 kV系统潮流分析，并与恢复正常后的情况进行比较，具体如表1所示。

Table  1.  5001、5002开关电流数据

设备名称		电流/A	相位角/（°）
5001开关	A相（异常时刻）	8	-130
	A相（正常时刻）	424	175
	B相（异常时刻）	424	55
	A相（差值）	424	175
5002开关	A相（异常时刻）	1 092	176
	A相（正常时刻）	672	178
	B相（异常时刻）	672	58
	A相（差值）	420	172

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对上述数据进行分析，初步认为5001开关及分支母线可能存在接触不良或断点，导致A相负荷电流转而流经5002开关。

1.2   宏观观察

针对5001开关相关单元，技术人员开展了分合闸指示状态检查，以及机械拐臂、抱箍连杆、机构箱等部件的宏观观察，均未发现异常情况；同时查阅故障发生前SF6压力在线监测的变化趋势，也未发现异常波动。

1.3   外壳感应电流测试

三相分箱式GIS的外壳会产生明显的感应电流，感应电流通常为导体上电流的60%~90%。技术人员通过钳形电流表对5001开关间隔外壳连接铜排处的感应电流进行测量，结果显示：B、C两相感应电流均为200 A左右，而A相感应电流约为0。这一测量结果表明，对应的一次拓扑段内部确实没有电流通过。

1.4   红外测温

首次系统电流异常故障恢复后的次日下午，运维人员开展红外测温检查，结果如图1所示。结果发现：5001开关A相靠Ⅰ母侧转角气室温度异常，较相邻位置及B、C相对应位置温度偏高，温差约1 K；设备其余部位测温结果均正常，无异常发热现象。

图  1  系统电流异常点红外测温结果

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1.5   局放检测

针对5051开关相关单元设备，运维人员先后开展了特高频及超声波局部放电检测排查，并在后续加装重症在线监测装置。上述检测及监测结果均显示无放电信号。5051开关红外测温异常点的特高频局放图谱如图2所示。各检测位置的超声波局放检测结果如表2所示。

图  2  5051开关红外测温异常点的特高频局放图谱

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Table  2.  各检测位置的超声波局放检测结果

检测位置	有效值	峰值	50 Hz分量	100 Hz分量
空气背景	0.10	0.25	0	0
5051开关1	0.10	0.25	0	0
5051开关2	0.10	0.25	0	0
5051开关3	0.10	0.25	0	0
5051开关4	0.10	0.25	0	0

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1.6   SF6分解物测试

针对相关气室，技术人员开展了SF6气体分解产物检测。依据IEC 60480—2004《六氟化硫电气设备中气体的检测和处理导则及再利用规范》，未发现SF6气体存在分解残留现象，具体测试数据如表3所示。

Table  3.  SF6分解物气体体积分数

位置	SO2	H2S	CO	HF
5001开关A相	0	0	8.9×10−6	0
50011闸刀A相	0	0	8.9×10−6	0
50011流变A相	0	0	8.9×10−6	0
50012闸刀A相	0	0	0	0
50012流变A相	0	0	8.9×10−6	0

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1.7   X射线数字成像检测

为进一步研判5001开关相关单元GIS设备的内部运行状态，技术人员对故障开关及母线A相各对接面开展X射线检测，重点检查导体与触头区域的连接配合情况。共排查潜在问题点位53处，未发现上述关键节点存在异常。5051开关红外测温异常点的X射线数字成像结果如图3所示。

图  3  5051开关红外测温异常点的X射线数字成像结果

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2.   分析与验证

某1 000 kV变电站GIS设备开关发生系统电流异常，经系统潮流分析判断，故障原因可能为某导流部件存在接触不良或断点问题。技术人员采用特高频局放检测、超声波局放检测、SF6分解物测试、X射线检测等多种技术手段开展排查工作，但均未能对缺陷进行定性及定位。最终通过解体检查发现，该开关垂直段（如图1所示三通管）壳体内部的过渡导体与下方搭接面存在明显烧蚀痕迹。

2.1   环境因素

发生系统电流故障的1 000 kV变电站地处浙西某山区，该变电站所在区域环境优美、植被茂密。系统电流故障发生当日，当地出现断崖式降温天气。该地区前一周的天气变化情况如表4所示。

Table  4.  故障地区前一周的天气变化情况

日期	最高温度	最低温度	天气
2015年10月14日	22	16	阴转晴
2015年10月15日	25	15	晴
2015年10月16日	26	14	晴
2015年10月17日	26	15	晴
2015年10月18日	26	15	晴转多云
2015年10月19日	28	16	多云转小雨
2015年10月20日	17	13	小雨转多云

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受人口聚集、建筑密集、工业生产等因素的影响，热岛效应使城市夜间温度普遍高于山区，尤其在降温时段的夜间低温环境下，两者温差约为2~6 ℃[16]。白天阳光照射时，后续在GIS金属壳体上测得的最高表面温度比环境温度高出12 ℃左右；而夜间表面温度则与环境温度基本持平。由于系统电流异常故障发生当天出现降雨，两者温差可能接近20 ℃。GIS壳体在这种短周期温差的反复作用下，存在发生急剧变形的可能性[17]。

2.2   材料因素

铝镁合金凭借涡流损耗小、耐腐蚀性强、自重轻且外观美观等优势，已成为GIS设备壳体的主流选材。该材料在20 ℃左右时的膨胀系数为22.8×10−6 ℃−1，相较于电网中使用的其他金属材料，铝镁合金受环境温度变化的影响更大，对温度波动也更为敏感。

我国特高压交流工程运行时间尚短，目前仍处于持续探索与磨合阶段[18-19]。GIS母线筒通常采用长距离连接、架空布置的形式，这种布置方式在特高压变电站中更为典型，尤其是高空架设的特征更为突出。因此，从材料特性和结构形式两方面来看，特高压变电站的GIS母线筒相较于高压、超高压变电站，更易发生位移形变。

2.3   结构因素

发生故障的5001开关垂直段采用长母线高空布置方式，具体如图4所示。

图  4  5001开关垂直段高空布置方式示意

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故障开关分支两端垂直段的下方通过钢架固定，三通垂直段上方的长母线与短母线支架采用滑动布置，并通过不锈钢波纹管实现温差位移补偿。垂直段布置模型如图5所示。

图  5  垂直段布置模型

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故障相（即A相）受母线布置方向影响，日照时间相对较长。宏观检查发现，长母线第2个滑动支架的壳体累积位移最大处达47 mm，该方向与膨胀方向一致；累积位移最小处为25 mm，与收缩方向一致。具体位移外观如图6所示。

图  6  壳体累积位移外观

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2.3.1   建立仿真模型

采用ANSYS有限元仿真软件对GIS设备5001开关垂直段开展仿真分析，其主要结构参数如下：垂直段长度为1 150 mm，短母线长度为7 737 mm，长母线长度为34 688 mm，母线筒外径为508 mm，法兰连接处外径为625 mm，壳体及内部导流部件平均每米的质量为65 kg，架空水平段高度约为4.5 m。依据上述参数建立仿真模型，结果如图7所示。

图  7  5001开关垂直段结构模型

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GIS设备5001开关段的结构组成主要包括长母线壳体、短母线壳体、长母线内部导体、短母线内部导体、垂直段壳体、垂直段内部导体、波纹管及拐角三通。拐角三通的内部导体装配结构如图8所示。

图  8  拐角三通的内部导体装配结构

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GIS设备5001开关段的波纹管材料为不锈钢，拐角三通中的绝缘盆子材料为环氧树脂，过渡导体为铜合金；其余部件中，长母线壳体、短母线壳体、长母线内部导体、短母线内部导体、垂直段壳体、垂直段内部导体，以及拐角三通中的屏蔽导体、屏蔽罩等均为铝合金。该设备的材料参数如表5所示。

Table  5.  GIS设备材料参数

材料	弹性模量/GPa	泊松比	密度/(kg·m−3)	导热系数/(W·m−1·℃−1)
铝合金	71.00	0.33	2 770	144.0
铜合金	110.00	0.34	8 300	401.0
不锈钢	193.00	0.31	7 750	15.1
环氧树脂	3.78	0.35	1 160	2.0

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2.3.2   网格划分及边界条件

基于所建立的仿真模型，重点分析GIS设备5001开关部分在循环温度作用下的变形情况。仿真假设各材料之间完全贴合牢固，接触面上无相对滑动，即在ANSYS软件中将各部件间的相互作用设置为绑定约束。GIS设备5001开关部分的有限元模型采用六面体网格划分，其局部网格模型如图9所示。

图  9  GIS设备5001开关部分局部网格模型

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依据GIS设备5001开关部分的实际安装结构，对模型中垂直段下方的拐角三通壳体，以及长母线远离垂直段的一端端面施加固定约束；同时，对连接短母线与长母线的拐角三通壳体设置位移约束，限制其y轴方向的位移，以此模拟实际工况中支架的支撑作用。

2.3.3   热-结构耦合响应

GIS设备5001开关部位0~50 ℃温升变形的仿真结果如图10所示。由图10可知：温升过程中，长母线发生膨胀变形，其产生的位移累积于靠近短母线的一端，导致该端膨胀变形量达21 mm；由于垂直段底部受到支撑约束，短母线的膨胀变形使其位移累积于靠近长母线的一端。在长、短母线膨胀变形的共同作用下，5001设备垂直段发生了一定程度的顺时针扭转。

图  10  GIS设备5001开关部位0~50 ℃温升变形的仿真结果

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GIS设备5001开关部位由50 ℃下降到0 ℃的变形仿真结果如图11所示。由图11可知：在温降过程中，长母线发生收缩变形，其产生的位移累积于靠近短母线的一端，导致该端收缩变形量达16 mm；由于垂直段底部存在支撑约束，短母线的收缩变形使其位移累积于靠近长母线的一端。在长、短母线收缩变形的共同作用下，5001设备垂直段发生逆时针扭转。

图  11  GIS设备5001开关部位由50 ℃下降到0 ℃的变形仿真结果

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2.4   解体验证

由以上分析可知，仿真结果与宏观观察结果相符。随后，针对仿真计算中测得的母线位移应力集中部位进行了解体检查，该部位同时也是红外测温异常处。解体后发现，用于紧固过渡导体与下方搭接面的4颗螺栓均已松脱，且防松胶呈点状分布。螺栓宏观形貌如图12所示。

图  12  螺栓宏观形貌

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与此同时，该连接部位存在明显的局部电弧烧蚀现象，放电烧蚀区域的方向与母线收缩方向相反；未发生烧蚀的表面则存在较浅的压痕。放电烧蚀区域宏观形貌如图13所示。

图  13  放电烧蚀区域宏观形貌

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3.   结语和建议

某1 000 kV特高压变电站GIS设备系统电流异常的原因有两点：一是设备布置不合理，二是未充分考虑材料热胀冷缩性能的影响。从故障结果判断，长母线布置时，波纹管未起到力平衡作用。

针对上述问题，现提出以下建议：在长母线两端滑动支架处增设刚性约束，合理控制位移范围；新建变电站在安装波纹管时，应充分考虑温差影响，尤其是在对波纹管进行预压缩操作时，需模拟不同温度工况；GIS设备内部各连接处的紧固作业应严格执行相关工艺标准。