敞開式高壓隔離開關(guān)接線端子過熱分析及現(xiàn)場處理方案

李建鵬,史曉龍,孟延輝,李 強(qiáng),胡偉濤,劉曉飛,趙書濤,許 健

(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司超高壓分公司,河北石家莊 050071;2.華北電力大學(xué)電力工程系,河北保定 071003)

高壓隔離開關(guān)具有電氣連接和隔離功能,是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要保障[1-5]。敞開式高壓隔離開關(guān)在運量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,受運行環(huán)境影響易發(fā)生過熱、拒分、拒合、卡澀等故障,其中過熱故障通常不會當(dāng)即影響電力供應(yīng),設(shè)備運維單位普遍會在檢修期間進(jìn)行擦拭、打磨、緊固等簡單處理,導(dǎo)致敞開式高壓隔離開關(guān)過熱故障處于反復(fù)發(fā)生和長期失修狀態(tài),成為影響電力系統(tǒng)安全的重大隱患[6-8]。

近年來,不少學(xué)者及工程技術(shù)人員針對高壓隔離開關(guān)過熱問題開展研究。文獻(xiàn)[9]建立了高壓隔離開關(guān)觸頭溫升模型,分析了接觸電阻、夾緊力和鍍銀層隨溫度的變化情況。文獻(xiàn)[10]利用有限元多物理場分析方法,計算了GIS內(nèi)部隔離開關(guān)的溫度場及流體場的耦合分布情況。文獻(xiàn)[11]以角型隔離開關(guān)為對象,研究了不同插入深度情況下的觸頭導(dǎo)通特性。文獻(xiàn)[12]建立了觸頭部分的三維模型,指出負(fù)荷電流、觸點材料、接觸壓力和接觸面積是影響觸頭溫升的主要因素。文獻(xiàn)[13]基于溫度-流體場有限元分析模型,計算了隔離開關(guān)的整體溫度場分布。文獻(xiàn)[14]—文獻(xiàn)[15]分析了隔離開關(guān)現(xiàn)場運行過程中觸頭的燒蝕原因,從產(chǎn)品設(shè)計和安裝工藝兩方面提出了控制措施。

上述研究重點分析了動靜觸頭結(jié)合部位及GIS內(nèi)隔離開關(guān)的發(fā)熱原因、溫升分布及處理措施,并未涉及敞開式高壓隔離開關(guān)接線端子過熱故障。作為隔離開關(guān)的重要部件,接線端子承擔(dān)導(dǎo)流和連接引線的關(guān)鍵作用。由于運行環(huán)境、加工和裝配工藝等原因,接線端子在服役過程中易出現(xiàn)接觸面氧化臟污、通流能力不足、連接結(jié)構(gòu)失效等問題[16],進(jìn)而造成接觸電阻過大,在正常負(fù)荷電流通過的情況下產(chǎn)生局部過熱故障。

數(shù)據(jù)收集方面可以應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)達(dá)成目的，在該過程中，投資者通過大數(shù)據(jù)平臺對有投資意向的中小企業(yè)進(jìn)行研究，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)對中小企業(yè)運行中產(chǎn)生各類票據(jù)進(jìn)行收集和記錄，另外收集的信息也包括中小企業(yè)的員工評價、員工離職率等內(nèi)容，最終將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。另外通過大數(shù)據(jù)技術(shù)也能夠?qū)崿F(xiàn)對整個供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)的獲取，積極探求中小企業(yè)運行和發(fā)展中整個產(chǎn)業(yè)鏈對企業(yè)的影響程度，以及相關(guān)輔助措施的完善情況，從而為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析過程打下基礎(chǔ)。

本文針對某變電站內(nèi)多起敞開式高壓隔離開關(guān)接線端子過熱故障,通過接線端子解體檢查、通流能力計算和擰緊扭矩校核,確定過熱的根本原因,制定現(xiàn)場處理方案。

1 故障檢查

變電站運行人員通過紅外測溫發(fā)現(xiàn),某型號隔離開關(guān)的接線端子普遍存在過熱現(xiàn)象,如圖1所示(以2個過熱接線端子為例)。紅外測試期間環(huán)境溫度為26 ℃,正常接線端子溫度為32～35 ℃,過熱接線端子1最高溫度為113 ℃,過熱接線端子2最高溫度為107 ℃。根據(jù)《國家電網(wǎng)公司變電檢測管理規(guī)定》,用螺釘或螺栓與外部導(dǎo)體連接的鍍鋅接線端子的最高允許溫度為105 ℃,確定2個接線端子發(fā)生過熱故障。

圖1 過熱接線端子紅外測試結(jié)果Fig.1 Infrared test results of overheating terminal

過熱隔離開關(guān)的額定電流為3 150 A,通過的負(fù)荷電流為1 260～1 380 A。接線端子材質(zhì)為ZL101A鋁合金,設(shè)計尺寸為120 mm×120 mm×20 mm(長×寬×厚),接觸面連接型式為4×Φ16盲孔螺紋連接。根據(jù)接線端子結(jié)構(gòu)及連接型式,判斷過熱原因有3個:1)接觸面氧化臟污;2)通流能力不足;3)盲孔螺紋連接失效。過熱隔離開關(guān)為新投運設(shè)備,運行時間為1.5 a,對過熱接線端子1進(jìn)行解體檢查,發(fā)現(xiàn)接觸面無臟污、燒蝕痕跡,初步判斷接線端子過熱原因為通流能力不足或盲孔螺紋連接失效。

2 通流能力計算

接線端子的發(fā)熱量由負(fù)荷電流經(jīng)過導(dǎo)體電阻產(chǎn)生,通常采用式(1)進(jìn)行理論計算。

牙周手術(shù)前，兩組患牙的TM均為Ⅱ度或Ⅲ度，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(Z=0.501，P>0.05)。與術(shù)前相比，術(shù)后6個月實驗組和對照組分別有70.00%和66.66%的患牙TM得到改善(轉(zhuǎn)為Ⅰ度)(Z=3.873，Z=3.464；P<0.05)；而術(shù)后6個月兩組間相比則無明顯差異(Z=0.218，P>0.05)(表2)。

(1)

圖3為接線端子等效受力圖,可見接線端子的最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺帽與接線端子接觸處,最大應(yīng)力為9 MPa,遠(yuǎn)小于ZL101A鋁合金的極限屈服強(qiáng)度235 MPa,接線端子整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度處于安全狀態(tài)。

接線端子的通流能力取決于自身的材料屬性和外界條件。當(dāng)接線端子達(dá)到穩(wěn)態(tài)熱平衡時,可認(rèn)為發(fā)熱量通過傳導(dǎo)、對流和輻射3種熱傳遞方式傳播到空氣中[17-19]。敞開式高壓隔離開關(guān)接線端子暴露于空氣中,空氣的熱導(dǎo)率大約是接線端子基體(鑄造鋁合金)的千分之一,所以在整個熱量傳播中可以忽略空氣傳導(dǎo)散熱。因此,敞開式高壓隔離開關(guān)接線端子的溫升情況由對流與輻射2種熱傳遞方式?jīng)Q定。由式(1)得到接線端子的載流量計算式,見式(2)。

（2）較大面積蜂窩：先鑿去蜂窩處薄弱松散的混凝土和突出的顆粒，沖洗干凈。用比原混凝土強(qiáng)度等級高一級的干硬性砂漿填補(bǔ)，避免因砂漿收縮形成裂縫與原混凝土結(jié)合不緊密。表面用水泥漿（水泥漿內(nèi)摻加純白乳膠漆和少量白水泥）抹平，確保修補(bǔ)材料牢固粘結(jié)，無明顯痕跡與原混凝土色澤相近。

(2)

圖4為接線端子承受載荷后的形變量云圖,可見新孔外側(cè)拐角處形變量較大,但均小于8 μm,遠(yuǎn)小于ZL101A鋁合金伸長率4%的標(biāo)準(zhǔn)要求,證明該結(jié)構(gòu)在受到固定端子載荷后,未發(fā)生明顯塑性變形,滿足設(shè)計要求。由仿真分析結(jié)果可知,方案1滿足理論可行性。

Qc=αc(θw-θo)F,

(3)

朋輩導(dǎo)師自身定位不清便無法真正履行導(dǎo)師職責(zé)。因此，導(dǎo)師需要在總體性指導(dǎo)和具體事務(wù)幫助間取得適度平衡，在非必要情況下，導(dǎo)師不要介入具體實踐項目的推進(jìn)，而應(yīng)該在思路激發(fā)和方向引導(dǎo)上給予困境中的團(tuán)隊必要的幫助和指引。

對于凍結(jié)法鑿井施工過程中造成的地表凍脹和融沉導(dǎo)致副井井架傾斜，采用注漿和旋噴樁兩者結(jié)合的糾偏措施，達(dá)到了良好的預(yù)定目標(biāo)。為了確保井架基礎(chǔ)不進(jìn)一步發(fā)生不均勻沉降變形，同時考慮周邊建筑物和凍融土的影響，應(yīng)盡可能加深基礎(chǔ)以下土層的注漿范圍，本工程注漿深度確定為32 m，其下部粘土層可以起到一定的止?jié){作用，防止?jié){液向下部擴(kuò)散，造成不必要的浪費。

接線端子尺寸為120 mm×120 mm×20 mm(長×寬×厚),表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)取值1.165,計算得到換熱面積F=0.122×1.165×2=0.033 6 m2。環(huán)境溫度取值20 ℃,最高運行溫度為85 ℃,接線端子最高允許溫升為65 ℃,計算得到對流熱量為Qc=6.5×65×0.033 6=14.196 W。

環(huán)境溫度為20 ℃時,輻射換熱量計算公式如式(4)所示。

接線端子形變量云圖如圖7所示,可見應(yīng)力最大區(qū)域同樣集中于端子4個拐角處,且相對于整個模型所占比例極小,此螺紋副上應(yīng)力集中對端子整體強(qiáng)度影響很小,故方案2也具有理論可行性。

(4)

式中:σb為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù),其值為5.67×10-8[W/(m2·K4)];Fr為物體的輻射表面積,Fr=F;ε為物體表面黑度,鍍錫的鋁表面黑度取值0.08。由式(4)計算得到接線端子的輻射熱量Qr=1.38 W。

電阻R的計算公式如式(5)所示。

(5)

式中:ρ0為鋁材質(zhì)0 ℃時的電阻率,取值為2.62×10-8Ω·m;α為鋁材質(zhì)電阻溫度系數(shù),取值為0.004 15;θ為換算溫度,取值85 ℃;l為導(dǎo)體截面長度,取值0.02 m;A為導(dǎo)體截面積,取值0.014 4 m2。由式(5)計算得到R85=4.92×10-8Ω。

由上述分析可知:當(dāng)接線端子溫升不超過65 ℃(GB/T 11022—2011《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求》[20]中4.5.2條款規(guī)定)時,允許通過的長期穩(wěn)定負(fù)荷電流為18 220 A,遠(yuǎn)大于實際負(fù)荷電流(1 260～1 380 A)。因此,過熱接線端子滿足現(xiàn)場通流要求,排除通流能力不足引起過熱的可能性,初步判斷過熱原因為盲孔螺紋連接結(jié)構(gòu)失效。

查閱該型號隔離開關(guān)安裝使用說明書,接線端子螺栓的初始擰緊扭矩為95 N·m,對過熱接線端子2的螺栓擰緊扭矩進(jìn)行校核,結(jié)果如表1所示。由表1可見,校核的4顆螺栓中,最大擰緊扭矩為91 N·m,最小擰緊扭矩為75 N·m,較初始擰緊扭矩(95 N·m)均有較大幅度下降,平均下降幅度為10.03%,確定發(fā)熱的根本原因為盲孔螺紋連接失效導(dǎo)致的螺栓軸向預(yù)緊力降低。

表1 螺栓擰緊扭矩校核

3 處理方案及仿真分析

增大螺栓連接結(jié)構(gòu)預(yù)緊力和增加螺紋圈數(shù),可以降低螺紋接觸界面的相對運動,減少螺紋表面的磨損量,提高連接結(jié)構(gòu)的安全裕度及可靠性[12,16]。據(jù)此提出2種接線端子現(xiàn)場處理方案:1)方案1為重新打孔。重新鉆4×Φ17通孔,使用4個M16螺栓進(jìn)行連接;2)方案2為改造舊孔。將4×Φ16盲孔螺紋連接結(jié)構(gòu)擴(kuò)展為4×Φ20通孔螺紋連接型式。為了驗證2種方案的理論可行性,根據(jù)接線端子結(jié)構(gòu)、受力對稱的特點,利用ANSYS有限元軟件仿真分析重新打孔和改造舊孔后接線端子的受力和形變情況。

式中:αc為空氣自然對流換熱系數(shù),取值為6.5[W/(m2·℃)];θw為最高允許溫度,℃;θo為環(huán)境溫度,℃。

在計算精度滿足工程應(yīng)用的前提下,進(jìn)行以下簡化以提高模型的收斂性:1)螺栓連接件接觸面上的法向應(yīng)變相同且固定[21-22];2)螺栓軸線與安裝孔軸線重合且無徑向滑動;3)螺栓桿受均勻拉力載荷;4)螺紋接觸面、接線端子承壓面的接觸性質(zhì)為對稱型摩擦接觸對,摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15。建立改造后的接線端子三維實體模型導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析。

針對高外向性消費者的特點，店鋪設(shè)計應(yīng)注重環(huán)境的美觀性。同時，化妝品牌應(yīng)建立自己的社交媒體平臺，定期發(fā)布品牌活動。企業(yè)應(yīng)推出參與性強(qiáng)的營銷活動，增加外向性消費者者的參與度。

3.1 處理方案1:重新打孔

式中:M為擰緊扭矩,N·m;k為扭矩系數(shù),取值0.2;F為軸向預(yù)緊力,kN;d為螺栓直徑,取值0.016 m。M16螺栓擰緊扭矩最大值為107 N·m,各系數(shù)取值通過咨詢設(shè)備制造廠技術(shù)人員及參閱相關(guān)文獻(xiàn)獲得,為通用、成熟的設(shè)計參數(shù)。由式(6)計算可得,單個M16螺栓的軸向最大預(yù)緊力為33.4 kN。

M=k×F×d,

(6)

螺栓擰緊扭矩計算公式如式(6)所示。

接線端子材質(zhì)為ZL101A鋁合金,材料的楊氏模量E設(shè)置為160 GPa,泊松比v設(shè)置為0.2,密度ρ取值2.68×103kg/m3。利用ANSYS的預(yù)拉力單元PTETS179對接線端子施加靜態(tài)載荷,載荷施加情況如圖2所示。其中,接線端子上下表面的4個螺栓孔周圍施加夾緊力33.4 kN。在接線端子上表面施加3個方向的額定靜態(tài)載荷,水平縱向施加1 250 N,水平橫向施加750 N,垂直方向施加1 000 N,以模擬接線端子連接導(dǎo)線后的受力。

圖2 方案1的載荷施加圖Fig.2 Load application diagram for scheme 1

式中:τs為發(fā)熱量;I為負(fù)荷電流;R為導(dǎo)體電阻;α為總換熱系數(shù);F為換熱面積。

圖3 方案1的等效受力圖Fig.3 Equivalent stress diagram for scheme 1

式中:Qc為對流熱量,W;Qr為輻射熱量,W。Qc的計算公式如式(3)所示。

腦卒中也叫做腦血管意外，也就是腦血管病變和突發(fā)病變引發(fā)的全腦功能障礙或者局限性障礙，持續(xù)時間如果超過二十四小時會導(dǎo)致死亡，包括腦出血和腦梗死，有著較高的病死率和致殘率，嚴(yán)重影響中老年人的生活質(zhì)量和生命健康。實施康復(fù)治療可以顯著改善肢體運動功能障礙問題，有效提升生活自理能力，有利于患者重獲社會和生活能力。

圖4 方案1的形變量云圖Fig.4 Shape variable nephogram for scheme 1

3.2 處理方案2:改造舊孔

根據(jù)GB/T 5782—2016《六角頭螺栓》[23]和GB/T 6170—2015《1型六角螺母》[24]的相關(guān)要求,建立M20六角螺栓三維模型并進(jìn)行模擬裝配。螺紋孔處設(shè)置連接螺栓、彈簧墊圈和平墊圈,螺栓旋入深度為20 mm。螺桿采用具有螺栓螺紋部分等效直徑的圓柱體代替。

工程中常用的M20鍍鋅螺栓的最大擰緊扭矩為209 N·m,利用式(6)計算得到螺栓軸向預(yù)緊力最大值為52.3 kN。利用接觸單元CONTA 174來模擬接線端子與螺帽、螺紋接觸面之間的相互作用。數(shù)值模擬時,在接線端子上表面和螺帽下表面均施加固定約束,載荷施加圖如圖5所示。

《謝靈運傳論》的“直舉胸臆，非傍詩史”，其中“直舉胸臆”同于第二例中邢邵“若胸臆語”，不同的是，一者是因“非傍詩史”而“直舉胸臆”，一者則是因“用事不使人覺”而“若胸臆語”。沈約認(rèn)為曹植、王粲等人“直舉胸臆，非傍詩史”，卻能夠做到“諷高歷賞”，是由于“音律調(diào)韻，取高前式”。顯然，對沈約來說，“非傍詩史”能使詩文取得較高藝術(shù)成就，一般情況下是不可思議的，而曹植等人的某些作品能夠做到，是以音律之美進(jìn)行了彌補(bǔ)。這固然從正面說明了音律的重要性，卻也從側(cè)面說明了在通常情況下，用典對于詩文實乃不可或缺。

圖5 方案2的載荷施加圖Fig.5 Load application diagram for scheme 2

接線端子應(yīng)力分布如圖6所示,受力最大點出現(xiàn)在螺紋連接處,即與內(nèi)螺紋接觸的靠近端子受載面的第1,2圈螺紋根部。接線端子應(yīng)力分布情況和螺栓旋入圈數(shù)、端子厚度有關(guān),與普遍的實驗和工程實際相符。最大等效應(yīng)力為24.4 MPa,具有明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象,但小于ZL101A鋁合金的極限屈服強(qiáng)度235 MPa。

Qr=σbFrε[(273+θw)4-(273+θo)4] ,

4 現(xiàn)場實施效果

4.1 改造過程

隔離開關(guān)由運行轉(zhuǎn)為檢修狀態(tài)后,將2個過熱接線端子分別按照方案1和方案2進(jìn)行改造,以便后續(xù)進(jìn)行溫度跟蹤,比較2種方案的溫升控制效果。

有著“廣東小周莊”之稱的順德逢簡水鄉(xiāng)，在珠三角鄉(xiāng)村旅游發(fā)展中具有一定的代表性，已有數(shù)百年的建村歷史，現(xiàn)尚存明清兩代古屋數(shù)百間，擁有原汁原味的古橋、河道、宗祠和石板街。近幾年，為了更好地發(fā)展鄉(xiāng)村旅游，該地村鎮(zhèn)政府也有意改善水鄉(xiāng)內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境，如新增停車場，由原來的4個增至5個；建設(shè)分段式農(nóng)村污水處理系統(tǒng)和4個污水站，并采用地埋式一體化污水處理技術(shù)④，所有這些都為鄉(xiāng)村旅游的發(fā)展提供相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施。

拆除接線端子上的引線后,接線端子在水平面上可轉(zhuǎn)動角度較大,需要2人或者使用專用工具對接線端子進(jìn)行固定后,鉆機(jī)才可以準(zhǔn)確作用于接線端子上。并且,接線端子打孔點處于懸空位置,必須進(jìn)行徑向支撐后才可實施打孔操作。經(jīng)現(xiàn)場統(tǒng)計,方案1整個改造過程由4人完成,耗時8.6 h;方案2整個改造過程由4人完成,耗時8.2 h;2種方案整體實施難度相差不大。

假設(shè)港口城市投資收益函數(shù)中，D港的使費單價由0.38元/t變?yōu)?.36元/t，此時兩城市投資港口的情況見表4。由表4可知：隨D港使費的降低，D市的投資回報率下降。在D市的投資能力為73.6億元、Y市的投資能力為40億元時，城市投資均衡狀態(tài)不變化。然而，D市的投資能力為73.6億元、Y市的投資能力為50億元時，D市港口使費下降使得其投資回報率從12.09%下降到9.50%。此時，D市的港口投資回報低于城市平均投資回報(9.59%)，D市以最大能力投資港口變?yōu)椴煌陡劭谑幸宰畲竽芰ν顿Y港口

4.2 溫度跟蹤

對2個改造后的接線端子進(jìn)行溫度跟蹤,每月進(jìn)行1次紅外測溫,連續(xù)檢測16個月,檢測數(shù)據(jù)如圖8所示。在整個檢測期內(nèi),方案1的最大溫升為7.8 ℃,方案2的最大溫升為9.1 ℃,均在溫升允許范圍內(nèi),2個接線端子運行狀態(tài)正常。從溫升趨勢來看,前8個月方案1、方案2與環(huán)境溫度的偏差基本相同,從第9個月開始,方案2與環(huán)境溫度的偏差較方案1有增大趨勢。分析其原因,是由于敞開式隔離開關(guān)在服役過程中,接線端子長期承受連接導(dǎo)線、風(fēng)致振動、電致振動、溫度變化帶來的軸向和剪切動態(tài)載荷[25],在設(shè)計或者安裝工藝不合理的情況下,螺紋連接結(jié)構(gòu)不可避免地發(fā)生材料蠕變、界面滑移、微動磨損、應(yīng)力松弛,導(dǎo)致連接結(jié)構(gòu)逐漸失效,軸向預(yù)緊力衰減到一定程度后,接觸面接觸電阻變大,接線端子發(fā)熱量逐漸增加。所以從溫升控制效果來看,方案1優(yōu)于方案2。

圖8 溫度跟蹤Fig.8 Temperature tracking

5 結(jié) 語

針對多起敞開式高壓隔離開關(guān)接線端子過熱故障,通過故障檢查、通流能力計算、擰緊扭矩校核、仿真分析和現(xiàn)場實施,得到以下結(jié)論。

1)螺栓連接結(jié)構(gòu)失效引起的螺栓軸向預(yù)緊力下降是引起接線端子發(fā)熱的主要原因之一。

2)接線端子有限元仿真分析表明2種方案均滿足剛度要求,形變量均在允許范圍內(nèi)。

3)經(jīng)過現(xiàn)場實施及溫度跟蹤,重新打孔方案較改造舊孔方案整體實施難度相差不大,但前者溫升控制效果更好,具備推廣應(yīng)用價值。

本文在2種處理方案的仿真分析中,未考慮隔離開關(guān)在運行狀態(tài)下電磁場、溫度變化帶來的動態(tài)載荷,后期研究中需要結(jié)合工程實際對計算模型進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。