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摘 要:220KV母线运行不良对电网安全造成巨大隐患和影响,危及电力安全生产和系统运行。本文以220 kV支持式管型母线为研究对象,分析了其隐患的主要形式，并提出相应的排查及治理措施，旨在提高母线的安全稳定运行。
关键词:220kV支持式母线；电网；安装质量；排查治理；安装工艺
随着电网电压等级的提高，国内出现了一大批铝管母线高压配电装置。目前，支持式管型母线系统是变电站中的重要设备之一，在国内大部分220kV变电站内广泛应用。然而，支持式母线在国内出现过多起垮塌事故，使变电站部分或全部失压，造成巨大的经济损失以及恶劣的社会影响。因此，在其安装和运行管理中，防止和消除支持式管母线的危害及隐患，保障其质量，提高其运行安全性是不可忽视的问题。
1 母线存在隐患及危害分析
1.1 管形母线裂纹
220kV支持式母线采用铝合金管外径100mm，内径90mm。一段母线一般跨越变电站2个间隔，每个间隔13m，铝合金母线管采购时长度与间隔宽度相当，现场安装时对接焊接成型。220kV支持式母线的管形母线(以下简称管母)存在两种裂纹形式，一是铝合金母线管焊接裂纹，一般是焊接质量不良造成的；另外一种是母线原始裂纹，由铝合金母线材质不良引起，这种裂纹较少见。
铝合金材质具有导热快、熔点低、与氧亲和力强、热膨胀与冷收缩系数大等特点，其焊接难度较大，容易在焊缝区域出现焊接缺陷。母线安装前铝合金母线管焊件送检质量射线检测合格率只有66.67%，主要缺陷为未融合、未焊透、气孔等，因此，管母的对接焊缝部位是母线的重要隐患点之一。
除了焊接裂纹外，另外一种裂纹形式是管母铝合金本体的原始裂纹。支撑母线一般采用Al-Mg或Al-Mg-Si系列铝合金，铝管在母材冶炼和管材成型过程中由于控制不严，会导致杂质含量超标和夹杂存在。铝合金中氧的含量超标容易形成氧化物夹杂，文献介绍了Al-Mg-Si系铝合金6063中Al2O3夹杂物超过非金属夹杂和金属夹杂总量的95%，严重地割裂了铝合金基体的连续性，使材料本身的延伸率降低66%。铝合金本体中的夹杂在应力作用下会成为裂纹源，并进一步萌生扩展，最终导致母材产生裂纹。
无论是焊缝裂纹还是母线材料原始裂纹，均会对管母的力学性能和电气性能造成影响。从力学方面来看，管母依靠绝缘子上托架进行支撑，裂纹的存在会降低承载能力，导致管母断裂并从托架上跌落下来。从电气性能角度考虑，裂纹的存在会使得管母表面不再光滑连续，其电场会存在畸变，严重时候会放电。同时，管母是变电站重要的电流导体，不能存在截面突然减少的情况，而裂纹的存在会使得导体截面积减少而发热放电。更为严重的是，管母发生断裂时母线差动保护会动作，有可能造成主变压器跳闸和全站失压的重大电网事故。2015年在某220kV变电站一次金属专业巡视中，发现Ⅱ母线C相8个间隔管母及旁路母线C相604间隔管母存在原始裂纹，运行维护部门尽快停电更换了该母线。
1.2 安装方式错误
管母通过抱箍金具安装在支柱绝缘子顶部的托架上，一段管母跨2个间隔，由4个金具固定，各段母线之间通过柔性的伸缩节连接。由于每段母线长度较大，环境温度变化时会存在较大的热应力。GB50149—2010《电气装置安装工程母线装置施工及验收规范》要求:母线金具的固定死点，每段应设置1个，并宜位于全长或两母线伸缩节中点，其余为“松”固定形式，以保证母线可在固定金具内纵向自由滑动。由于安装时技术人员交代不清，或是安装人员自身原因，会有母线金具安装未按照标准要求进行，而是将所有金具固定死，以致管母纵向滑动受阻。
金具安装错误后管母在温度变化时纵向滑动就会不自由。一段铝合金管母长达26m，20℃温度变化时，管母膨胀量将达到12mm，相应的热膨胀应力将会施加到支柱绝缘子的底端法兰根部。Al-Mg-Si铝合金的弹性模量E为20GPA，假设管母变形全部为弹性变形，由此可以估算热膨胀产生的应力值为13.7kN，考虑到管母在温度升高条件下绕度变化小，热膨胀力可以近似地全部加载在支柱绝缘子上。由于管母两端的支柱绝缘子只受到管母一侧的热膨胀力，造成端部支柱绝缘子受力不平衡，热膨胀附加力矩全部加在支柱绝缘子底部，比绝缘子的额定抗弯强度还要大，最终导致绝缘子断裂，母线垮塌。
2014年某220kV变电站I母线C相发生单相接地故障，I母线C相东侧备用间隔母线跌落至构架上，最外侧支柱绝缘子落地，断裂成两节。检查发现故障间隔母线与支柱绝缘子连接抱箍固定方式错误，所有抱箍均是固定死，母线轴向不能释放应力，最终导致母线支柱绝缘子断裂。
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1.3 支柱绝缘子质量不良
湿法成型支柱绝缘子的生产工序为:配料—练泥—修坯—上砂—烧结—切割—胶装水泥，其中上砂是质量控制的薄弱环节。上砂的主要功能是可以使水泥与瓷体本身密切结合，增大胶装水泥与支柱绝缘子的摩擦，以增大绝缘子的扭转强度以及弯曲强度。为直观检查出支柱绝缘子是否上砂，国家电网公司颁布了相应的技术监督导则，Q/GDW 407—2010《高压支柱瓷绝缘子现场检测导则》要求支柱绝缘子胶装部位露砂高度应为10mm。未露砂的支柱绝缘子存在未上砂的隐患，其扭转强度和弯曲强度可能不足。
水泥胶装是支柱绝缘子一个重要的工序，其主要目的有两个，一是作为法兰与瓷质绝缘子之间的缓冲层，减少二者之间的热膨胀性能差异，防止铁质法兰与瓷质绝缘子结合部位开裂；另一个是起密闭作用防止外部的雨水和水汽进入法兰与瓷件结合部位，防止法兰铸铁老化和结合部位内水汽结冰膨胀而产生应力开裂。支柱绝缘子水泥胶装不良会导致瓷件与法兰结合面提前应力开裂失效。
支柱绝缘子是母线的主要支撑，承担母线及上部金具、托架的全面重力及恶劣天气下风、雨和冰附加载荷，其质量直接关系到母线的安全。绝缘子缺砂降低其抗弯强度，在正常服役条件下提前出现故障。2013年某220kV变电站在检修过程中616间隔Ⅰ母线及Ⅱ母线的2根绝缘子发生断裂，从断裂的形貌来看，其断裂位置在底部和顶部法兰内部，法兰内侧非常光滑，胶装水泥处光滑无砂点，存在明显的缺砂现象，部分缺砂部位高度达到35mm，而绝缘子胶装不良将导致雨水和水汽可从胶装缺陷处进入法兰与瓷件的结合处内部。水泥中的氧化镁(MgO)等物质具有水合作用，吸水后水泥胶状剂膨胀，并加速水泥的腐蚀老化和风化开裂倾向，铸铁法兰锈蚀体积也将发生膨胀。不管哪种情况，由于产物体积的膨胀效应，使应力增大且分布不均，对绝缘子胶装部位的瓷件产生累积损伤效应，运行中由于局部应力集中易产生微裂纹，造成绝缘子从法兰与瓷件结合处断裂。2015年在某220kV变电站一次金属专业巡检中，发现20余支支柱绝缘子法兰周围的胶装出现开裂剥落情况，占到全部220kV母线支柱绝缘子的10%，该变电站在2013年发生过胶装问题导致的绝缘子断裂事故。
1.4 紧固螺栓安装质量不合格
支持式母线属于刚性结构，需要大量的螺栓连接装配，例如抱箍、托架、伸缩节、支柱绝缘子底座等。螺栓连接结构简单、成本较低，使用不受被连接材料的限制，最重要的是安装方便。相关标准对螺栓的安装紧固有紧固力矩要求，对于母线与金具之间M12型钢制螺栓，GB 50149—2010规定其紧固力值范围为31.4～39.2N?m；对于其余非导流的结构件螺栓，DL/T 1424—2015《电网金属技术监督规程》规定M12和M16钢制螺栓紧固力矩值分别为40、80N?m。有些电力工程紧固螺栓安装的紧固力矩未达到上述标准要求，会导致母线各螺栓紧固力矩不一致，预紧力大小不一，螺栓松动，导流部件负荷分流等问题。最为严重的是，螺栓松动后会加剧金具在母线微风振动时的松动脱落。
如果螺栓连接未按安装标准要求紧固，在变载、振动和冲击情况下，以及工作温度发生变化时，均可能出现松动。由此引起连接预紧力减小甚至丧失，造成母线装配件的松脱，最终导致母线结构出现问题，例如部件疲劳破坏、支柱绝缘子基座倾斜、母线端部上翘等，因此，要使支持式母线能正常稳定运行，必须保证螺栓连接的可靠。2015年国家电网公司系统内老旧变电站专项巡检的一个重点内容就是对母线部件的紧固螺栓进行检查，检查中发现某220kV母线抱箍金具紧固螺栓缺失，该金具螺栓在安装时未紧固到位，母线运行过程中受到风雨等外力的影响会发生振动，导致螺栓预紧力减小甚至丧失，最终螺帽松脱后螺杆掉落。
2 隐患的排查与治理
母线存在的诸多隐患不外乎部件的本体质量和安装工艺质量，相应的治理工作要从基建和运行两个方面分别进行。对于新改扩建的工程，宜从源头把关，技术监督关卡前移至物资验收和安装监督方面；而对已经运行的变电母线，则需要进行专项巡检排查并停电检修治理。
2.1 在建工程隐患的防治措施
加强母线铝合金焊缝质量的无损检测和材料质量监督，确保焊缝质量合格，铝合金材质成分与力学性能符合标准要求。重点审核母线的金具安装相关作业指导文件，核查每段管母上金具安装方式，每段管母上只允许有一个金具是固定死点，确保管母能在纵向自由滑动。支柱绝缘子到货后要尽快进行物资检测，除对其进行100%超声探伤外，还要检查绝缘子的露砂情况和水泥胶装情况，不合格者禁止进入电网。母线投运前现场抽查母线螺栓的安装紧固情况，发现紧固力矩不合格者要全部重新紧固。
2.2 在役隐患的排查与治理措施
将母线隐患纳入到变电巡检的内容，结合一次专业巡检或者迎峰度夏专项巡视工作重点排查。母线管母的排查重点是焊缝、基体外貌和声响，焊缝和管母本体不能有裂纹，管母位置不能有异常声音，出现异常情况应停电更换。管母金具的排查重点是安装方式，不能存在多点紧固，一定要使管母在金具内自由滑动，否则要停电调整金具安装方式。支柱绝缘子重点核查露砂和水泥胶装情况，未上砂的绝缘子要趁母线停电更换，尤其是端部间隔外侧绝缘子，水泥胶装不良的可趁停电在法兰与瓷件结合处涂装防水胶。螺栓重点排查紧固状态，一是查看螺栓是否有缺失掉落，二是检测螺杆是否露出2～3道丝扣，出现异常情况要记录在案，并趁停电补装螺栓，并按标准力矩进行紧固。
3 结束语
综上所述，220KV支持式母线隐患主要表现形式有管母焊缝裂纹和管母原始裂纹、管母纵向滑动受阻、支柱绝缘子缺砂及胶装不良，以及装配件螺栓紧固不到位等4种，涉及到主要部件的本体质量和施工安装工艺质量。对于在建的母线工程，建议加强母线铝合金焊缝质量的无损检测和材质质量监督；对于在役的母线，建议将母线隐患纳入到一次专项巡检的内容；对于安装工艺质量问题，则可结合母线停电的机会进行检修，更正抱箍安装方式，重新紧固螺栓。
参考文献
[1]谢强;朱瑞元.汶川地震中支持式管型母线破坏机理分析[J].电力建设.2010(03)
[2]韦仲康.一起发电厂220kV母线全停事故分析[J].电力安全技术.2005(08)
[3]谢韬;孙启林;林康立;袁广林;张锐;舒前进.220kV支持式管型母线结构抗震性能[J].电力建设.2013(03)
论文作者:刘纪堂
论文发表刊物:《电力技术》2016年第4期
论文发表时间:2016/7/25
标签：母线论文; 绝缘子论文; 螺栓论文; 裂纹论文; 支柱论文; 紧固论文; 铝合金论文; 《电力技术》2016年第4期论文;