GIS母线设计优化的意见:GIS母线之间的缝隙大小对温度的影响较大

广州供电局有限公司、华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室、国网湖南省电力公司检修公司、国网北京市电力公司检修分公司的研究人员宁宇、孙洪宇、张伟、卢斌先、葛东阳,在2017年《电工技术学报》增刊1上撰文指出,为了便于安装、运输和检修,气体绝缘变电站(GIS)内的高压母线经常在现场用钢制螺栓分段组装。由于存在公差,在某些分段母线之间可能存在缝隙,在缝隙处可能由于钢制螺栓导流引起过热,进而发生故障。

针对多座220kV GIS母线发生的过热导致的短路,研究不同条件下紧凑型三相一体和单体GIS高压母线段间的温度场分布及其与电流的关系,基于有限元法建立综合考虑电流大小、接触缝隙、螺栓材料、螺纹形态、传热系数与氧化铝薄膜等影响因素的多物理场耦合分析模型,计算分析三相母线与单相母线在不同情况下的最大允许通过电流值。

通过分析发现缝隙的大小对温度的影响较大。随着缝隙的扩大,当缝隙处导流螺栓为钢制螺栓时,整体温度会明显增加,较采用铜制螺栓时增加近10~50K。该研究成果对GIS母线设计具有指导性的作用,并为保证其长期安全、可靠运行提供了理论依据。

为了使气体绝缘变电站(GasInsulated Substation,GIS)母线运输、安装和维修方便,母线采用分段生产,现场分段安装的方法。并且出于对经济性的考虑,母线既有铜制母线,又有铝制母线。

由于铝的屈服应力为55MPa[1],实际应用中螺栓装配时要求预紧力一般至少要达到屈服极限的75%[2],因此正常情况下不应该存在缝隙。但是由于制造过程存在着公差,因此在现场安装中相邻母线之间仍有可能存在缝隙。

为了增强母线连接强度,母线之间采用高强度钢制螺栓连接。若采用铜制螺栓,虽然可以提高母线存在缝隙时的导电性能,并且其强度也能满足工程实际要求,但是会显著提高制造成本[3,4]。

在高压GIS母线中存在着铜、铝和钢三种金属材料的相互连接导电环境,在这种情况下,缝隙处就只有高强度钢制螺栓作为电流导通媒质。因此在母线上通过较大电流时,由于钢制螺栓电阻率较高,并且通流截面也相应减小,这也就造成了局部温度逐渐升高,致使与螺栓相连的铝母线的结合面金属融化溅落,母线与罐体之间最终达到击穿临界距离而发生放电。

近期多座变电站因为铝母线温度升高而融化导致单相短路故障的发生,造成了停电事故。故障与烧蚀位置如图1所示。

图1 导电杆故障烧蚀位置

GIS母线设计优化的意见:GIS母线之间的缝隙大小对温度的影响较大

结论

本文针对近期几座GIS发生的母线单相接地故障问题建立了电磁场与温度场耦合的多物理场模型,并对单相及三相母线在不同条件下的温升情况进行了仿真。结果表明缝隙大小是导致母线过热的主要原因,不同条件下母线最高温度相差约 10-50K。

不同材料其他原因诸如螺纹形态、罐体外部空气传热以及氧化铝的存在虽然对母线温升有一定的影响,但影响程度不高,母线最高温度的变化范围仅 1-3K。

同时,本文以铝母线的软化温度为依据,给出了单相及三相母线存在接触缝隙时在不同材料影响下允许通过的电流限值。由于铜与钢的屈服强度相似,但导流能力与造价相去甚远,因此综合考虑实际运行情况与经济情况,建议在可能出现连接公差处使用铜制螺栓,而在其他连接处使用钢制螺栓。

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