張丕沛,郭晨瑞,王江偉,李 杰

(國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院,山東 濟南 250003)

0 引言

盆式絕緣子通常由環(huán)氧樹脂一體澆注而成,在GIS設(shè)備中發(fā)揮著絕緣、支撐、密封的多重作用[1-5]。根據(jù)省內(nèi)近幾年GIS發(fā)生缺陷和故障情況統(tǒng)計表明,導(dǎo)致設(shè)備故障的大部分原因是盆式絕緣子在生產(chǎn)、運輸、安裝等過程中受損或表面殘留異物,進而造成氣體泄漏、局部放電等異?，F(xiàn)象,若無法及時發(fā)現(xiàn)處理則極有可能發(fā)展為跳閘事故[6-10]。

文獻[11-14]介紹了幾起GIS盆式絕緣子漏氣、局部放電、擊穿等異常故障案例,通過解體檢查分析故障原因通常包括盆式絕緣子自身存在內(nèi)部缺陷、現(xiàn)場裝配工藝不良導(dǎo)致盆式絕緣子受損等,但都缺少對故障過程的還原及驗證過程;文獻[15-18]分別建立了盆式絕緣子在各種運行條件下電場、溫度場、結(jié)構(gòu)場的仿真模型,可以計算校核表面最大場強、最大溫升、應(yīng)力分布等多種關(guān)鍵參數(shù),其建模思路可借鑒用于盆式絕緣子相關(guān)異常及故障的分析驗證中。

本文介紹了一起GIS內(nèi)盆式絕緣子開裂后漏氣引起的放電故障,結(jié)合現(xiàn)場開蓋檢查、探傷試驗、理論及仿真計算,對盆式絕緣子開裂原因及故障過程進行了分析驗證,并提出了針對性的改進措施。

1 故障概況

某變電站GIS設(shè)備正常運行期間,后臺突然發(fā)出“1號母線氣室SF6氣體壓力低告警”信號,約8 min后1號母線差動保護動作,無負荷損失?，F(xiàn)場檢查保護動作正確,B 相最大故障電流35.96 k A。故障時現(xiàn)場天氣晴,氣溫30 ℃,站內(nèi)無操作及檢修工作。該站組合電器投運3年來各項例行試驗及帶電檢測均未見異常。

故障發(fā)生后,現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)1號母線B 相1號氣室伸縮節(jié)法蘭處有明顯漏氣現(xiàn)象,位置如圖1所示,壓力0.03 MPa且仍在持續(xù)下降,初步判斷故障點位于該氣室。

圖1 漏氣位置及故障氣室

2 開蓋檢查情況

對1號母線B 相1號氣室開蓋檢查,發(fā)現(xiàn)伸縮節(jié)法蘭處盆式絕緣子有明顯裂痕,且沿面有放電熏黑痕跡,初步判斷為放電位置。

拆除伸縮節(jié),檢查故障盆式絕緣子,發(fā)現(xiàn)盆式絕緣子受損破裂,破損位置掉落在殼體底部,如圖2所示。盆式絕緣子下方有一處貫穿性裂紋,裂紋延伸至密封圈外側(cè),判斷氣體泄漏為盆式絕緣子產(chǎn)生貫穿性裂紋導(dǎo)致,如圖3所示。

圖2 盆式絕緣子破損

圖3 盆式絕緣子漏氣通道

盆式絕緣子凸面觸頭座及殼體對應(yīng)位置有明顯放電燒蝕痕跡,判斷為放電通道。檢查掉落塊,斷面和表面干凈,無放電痕跡,說明絕緣子開裂掉落發(fā)生在絕緣故障之前。

結(jié)合氣體壓力報警與故障跳閘時序和現(xiàn)場檢查情況分析,判斷故障過程為:盆式絕緣子受損開裂導(dǎo)致氣室內(nèi)SF6氣體急速泄漏,壓力降低造成絕緣性能下降,引起觸頭座對殼體間擊穿放電。

3 盆式絕緣子開裂原因分析

對故障盆式絕緣子進行工業(yè)CT 探傷,除開裂位置外,未見其他明顯氣泡、裂紋等缺陷,從而排除盆式絕緣子自身質(zhì)量問題引起開裂。盆式絕緣子開裂通常由異常受力造成,而盆式絕緣子中心與導(dǎo)體相連,外側(cè)固定在殼體上,因此需依次對殼體側(cè)及導(dǎo)體側(cè)是否存在異常受力情況進行分析。

3.1 殼體側(cè)

故障盆式絕緣子所在位置的伸縮節(jié)為橫向補償型,與母線殼體軸向呈垂直布置,利用兩端伸縮節(jié)的有限側(cè)向角度變化(不超過3°)補償母線軸向熱脹冷縮時的變形。當(dāng)母線受熱膨脹時,伸縮節(jié)A 左側(cè)壓縮、右側(cè)拉伸,伸縮節(jié)B 左側(cè)拉伸,右側(cè)壓縮,則伸縮節(jié)向左偏轉(zhuǎn);當(dāng)母線受冷壓縮時反之,如圖4所示。在側(cè)向角度變化量一定的條件下,通過改變伸縮節(jié)的長度,滿足不同母線長度熱脹冷縮變形的需要。若伸縮節(jié)長度設(shè)置不合理,則當(dāng)母線受熱膨脹導(dǎo)致伸縮節(jié)側(cè)向角度變化超過3°時,會在盆式絕緣子上產(chǎn)生異常受力現(xiàn)象。

圖4 橫向補償型伸縮節(jié)原理

被補償母線在25 ℃時的長度設(shè)計值L為29 000 mm,最大變形量ΔLmax由式(1)計算[19],

式中:ɑ為母線材料的熱膨脹效應(yīng)系數(shù),取24×10-6K-1;ΔTmax為母線最大溫升。綜合考慮設(shè)備額定電流及該地區(qū)環(huán)境溫度后取值為45 K,從而計算得到被補償母線最大變形量為31 mm。而該伸縮節(jié)長度設(shè)計值為1 660 mm,最大可以補償母線橫向1 660×tan3°=87 mm 的變形量,說明該段伸縮節(jié)設(shè)計滿足補償要求,排除盆式絕緣子殼體側(cè)存在異常受力的可能。

3.2 導(dǎo)體側(cè)

導(dǎo)體插接在盆式絕緣子的觸頭座上,同樣考慮到導(dǎo)體的熱脹冷縮,設(shè)計要求導(dǎo)體兩側(cè)與觸頭座頂端各留有20 mm 的裕量,如圖5所示。導(dǎo)體長度設(shè)計值為1 765 mm,兩側(cè)觸頭座頂端相距1 805 mm。

圖5 導(dǎo)體長度示意

現(xiàn)場拆除故障相內(nèi)導(dǎo)體,測量其導(dǎo)體長度為1 808 mm,超出設(shè)計值43 mm,同時也超出了兩側(cè)觸頭座頂端的間距,說明現(xiàn)場導(dǎo)體裝配后與盆式絕緣子觸頭座已無間隙。導(dǎo)體在通過運行電流時受熱膨脹,產(chǎn)生軸向擠壓力并長期作用于觸頭座及盆式絕緣子上,同時伸縮節(jié)及內(nèi)部導(dǎo)體為補償母線熱脹冷縮而發(fā)生側(cè)向偏移趨勢,也產(chǎn)生剪切力通過觸頭座作用在盆式絕緣子上,擠壓力和剪切力的共同作用下,導(dǎo)致了盆式絕緣子的開裂。

4 仿真驗證

為驗證導(dǎo)體與兩側(cè)觸頭座無間隙的情況下,導(dǎo)體及母線因熱脹冷縮而長度變化時,盆式絕緣子所受的應(yīng)力增大是否為開裂原因,本文對故障位置建立熱-結(jié)構(gòu)耦合的三維仿真模型,對故障時盆式絕緣子的應(yīng)力分布情況進行計算分析。仿真模型大小與實際結(jié)構(gòu)尺寸相同,但為了節(jié)約計算時間,仿真模型中略去了連接螺栓等部分結(jié)構(gòu),同時第3節(jié)的分析已經(jīng)排除了伸縮節(jié)使盆式絕緣子異常受力的可能性,因此只需考慮其在溫度場中的熱量傳遞過程,故仿真模型中將伸縮節(jié)簡化為普通殼體。

導(dǎo)體的長度設(shè)置為與兩側(cè)觸頭座間距相等(1 805 mm),即與觸頭座間無間隙,也無法側(cè)向偏轉(zhuǎn)移動。導(dǎo)體超出觸頭座間距的3 mm,轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體彈性形變產(chǎn)生的應(yīng)力σ1,進一步等效為導(dǎo)體對盆式絕緣子觸頭座的壓力p;同時母線的熱脹冷縮無法得到補償,在母線殼體上會因克服應(yīng)變而產(chǎn)生應(yīng)力σ2,進而產(chǎn)生作用在該氣室母線側(cè)盆式絕緣子上的剪切力τ,壓力p和剪切力τ的計算式為

式中:A1和E1分別為導(dǎo)體的橫截面積和彈性模量;A2和E2分別為母線殼體的橫截面積和彈性模量;ε1為導(dǎo)體的形變(3 mm);ε2母線殼體的形變(將故障發(fā)生時的環(huán)境溫度帶入式(1)后計算為26 mm),仿真模型及作用力情況如圖6所示。

圖6 三維仿真模型

對圖6所示的三維模型進行有限元網(wǎng)格劃分后,進行溫度場仿真,熱源為內(nèi)部導(dǎo)體流過復(fù)雜電流后的焦耳發(fā)熱,熱量傳遞過程包括導(dǎo)體、殼體與SF6氣體間的對流換熱,以及導(dǎo)體、殼體與盆式絕緣子間的熱傳導(dǎo)。溫度場計算所需相關(guān)熱特性參數(shù)如表1所示。

表1 各元件熱特性參數(shù)

由溫度場計算結(jié)果提取導(dǎo)體的溫升值,與導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù)、彈性模量等力學(xué)參數(shù)共同賦予仿真模型,同時在盆式絕緣子外側(cè)施加固定約束,便可對模型進行結(jié)構(gòu)場仿真。相關(guān)力學(xué)參數(shù)如表2所示,完整仿真計算流程如圖7所示。

表2 各元件力學(xué)參數(shù)

圖7 盆式絕緣子應(yīng)力分布計算流程

從仿真結(jié)果中提取盆式絕緣子切應(yīng)力的計算結(jié)果,如圖8所示,可以看出,盆式絕緣子最大切應(yīng)力為17.56 MPa,位于盆式絕緣子中心與導(dǎo)體結(jié)合處,超出了盆體材料與鋁導(dǎo)體連接處的允許剪切強度11.24 MPa[20],從而導(dǎo)致了盆式絕緣子的開裂,這與上文中現(xiàn)場檢查與原因分析的結(jié)果一致。

圖8 盆式絕緣子應(yīng)力分布仿真結(jié)果(單位:MPa)

5 處理建議

本次故障氣室內(nèi)安裝導(dǎo)體長度超出設(shè)計值,經(jīng)追溯確認為發(fā)貨發(fā)錯導(dǎo)致,同時現(xiàn)場安裝過程中,施工人員未對導(dǎo)體長度進行測量確認,進而導(dǎo)致此次故障。反映出產(chǎn)品出庫、質(zhì)量管控方面存在漏洞,流程不完善;也反映出施工安裝階段裝配工藝控制不嚴的問題。下一步需針對同廠家同類結(jié)構(gòu)處導(dǎo)體安裝、插接情況開展X 光專項排查,同時督促制造廠家進一步完善質(zhì)量管控機制,加強裝配工藝管控,對于后續(xù)基建工程、GIS解體大修等,導(dǎo)體安裝需嚴格按照裝配圖紙進行,安裝時確認好導(dǎo)體編號及尺寸,并做好記錄及復(fù)查,確保裝配正確。

6 結(jié)束語

本文介紹了一起GIS伸縮節(jié)內(nèi)盆式絕緣子開裂引起的放電故障,通過開展伸縮節(jié)內(nèi)各部件尺寸檢查和伸縮節(jié)補償能力校核,判斷盆式絕緣子開裂的原因是由于導(dǎo)體長度超出設(shè)計值,在長期熱脹冷縮過程中盆式絕緣子異常受力所導(dǎo)致。盆式絕緣子開裂導(dǎo)致氣室內(nèi)SF6氣體急速泄漏,壓力降低造成絕緣性能下降,引起觸頭座對殼體間擊穿放電。為驗證導(dǎo)體與兩側(cè)觸頭座無間隙情況下,導(dǎo)體及母線的熱脹冷縮是否會導(dǎo)致盆式絕緣子受力開裂,本文對故障位置建立熱-結(jié)構(gòu)耦合的三維仿真模型,通過計算發(fā)現(xiàn)盆式絕緣子最大切應(yīng)力為17.56 MPa,位于盆式絕緣子中心與導(dǎo)體結(jié)合處,超出了盆體材料與鋁導(dǎo)體連接處的允許剪切強度11.24 MPa,從而導(dǎo)致了盆式絕緣子的開裂。