一起GIS觀察窗裂紋事故分析

閆亞剛 劉璐 楊衛國 姚偉 包聯霜 李忠富

摘 要：運行電站反饋結果顯示，某隔離接地開關觀察窗有裂紋。通過人、機、料、法、環等5個方面進行綜合分析，筆者發現觀察窗組裝工器具的使用和極限尺寸導致的應力集中是造成觀察窗裂紋的原因，并通過試驗進一步驗證了分析結果。研究表明，對觀察窗進行設計結構優化，可以提高有機玻璃板強度，減小凸臺應力聚集，進一步確保設備安全穩定運行。

關鍵詞：觀察窗;有機玻璃板;工器具;受力分析

中圖分類號：TM595 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）09-0050-04

Abstract： The feedback results of the operating power station showed that there was a crack in the observation window of a certain isolation grounding switch. Through a comprehensive analysis of five aspects， including man， machine， material， method and ring， the author found that the use of observation window assembly tools and the stress concentration caused by the limit size were the causes of the observation window cracks， and the analysis results were further verified through experiments. Studies have shown that optimizing the design and structure of the observation window can increase the strength of the plexiglass panel， reduce the stress accumulation of the boss， and further ensure the safe and stable operation of the equipment.

Keywords： observation window;plexiglass panel;tools and instruments;force analysis

氣體絕緣全封閉組合電器（Gas Insulated Substation，GIS）是指把斷路器、隔離開關、接地開關、電壓互感器、電流互感器、母線、套管等按電氣主接線的要求，依次連接組合成一個整體，并且全部封閉于接地的金屬外殼內，殼體內一般充以0.4～0.6 MPa的絕緣氣體，通常以SF6氣體作為絕緣和滅弧介質。GIS具有結構小型化、安全性好、不受外部環境影響、安裝周期短、檢修周期長、安裝調試容易和滅弧性能優秀等特點，在電力系統中得到廣泛的應用，特別是在110 kV及以上的電力系統中，GIS設備已占主導地位。同時，GIS零部件多，結構復雜，而且對尺寸配合、工藝實施要求較高，設備運行過程中難免出現一些問題。近期，某電站反饋220 kV GIS隔離、接地開關動靜觸頭的觀察窗出現不同程度的裂紋現象，但未發生漏氣。GIS內部充入高壓力的絕緣氣體，一旦觀察窗發生爆破事故，就會對電網運行和設備本身造成重大損失，因此要對此進行研究分析，改進結構設計，確保電網安全可靠運行。

1 觀察窗結構簡述

隔離、接地開關的動靜觸頭位于金屬殼體內，外部無法直接觀察到其分合閘狀態，因此多數廠家會在動靜觸頭處設置觀察窗，以便運行人員進一步確認隔離、接地開關的分合閘情況。觀察窗主要由緩沖墊、有機玻璃板、壓板、緊固螺栓和密封圈組成。有機玻璃板由壓板固定，用螺栓緊固。密封圈用于密封絕緣氣體。緩沖墊放置于有機玻璃板與壓板之間，起到緩沖壓力作用，以防止壓板壓力直接作用于有機玻璃板，導致其破裂，具體結構如圖1所示。

2 觀察窗裂紋原因分析

針對現場發生的隔離、接地開關觀察窗裂紋事件（見圖2），下面將從人、機、料、法、環等5個方面進行綜合分析。具體來說，涉及6種因素，即人員技能、工器具使用、原材料質量、裝配工藝過程、關鍵零部件尺寸和環境影響。

2.1 人員技能

經調查，裝配人員參與裝配知識培訓并考試合格后才可以上崗進行裝配作業，裝配班組采用導師帶徒的模式進行小組裝配作業，以便新員工快速掌握裝配技能和積累經驗。在日常工作中，車間工藝室定期對裝配員工進行工藝流程指導及質量文件培訓，提高員工的裝配能力及質量意識，可有效保證觀察窗的組裝質量。因此，觀察窗產生裂紋的原因可以排除人員技能因素。

2.2 工器具使用

觀察窗有機玻璃板裝配緊固螺栓時用電動扳手，此處使用M8 mm的緊固螺栓，力矩要求為16 N·m。如果電動扳手擋位選擇不當或緊固時間過長，就會導致部分觀察窗裝配完成后螺栓力矩過大，可達到約30 N·m，廠內檢查發現，個別觀察窗有機玻璃板出現細小裂紋。為進一步驗證使用電動扳手時力矩過大對觀察窗的影響，調查人員在廠內用電動扳手選擇大扭矩擋位和長時間緊固，發現個別觀察窗出現裂紋。隨后改用手動扳手按要求的力矩緊固螺栓，未發現觀察窗有裂紋。因此，工器具使用不當，造成M8 mm螺栓力矩偏大，是可能導致觀察窗有機玻璃板產生微裂紋的因素。

2.3 原材料質量

追溯該GIS產品采用的有機玻璃板生產廠家批次和原材料供貨質量檢測，結果發現，各批次質量檢測合格。有機玻璃板廠家提供未成型板材給GIS廠家，隨后GIS廠家進一步將其加工成型。因此，觀察窗有機玻璃板產生裂紋的原因排除原材料及批次質量因素。

2.4 裝配工藝過程

在正常作業中，觀察窗裝配有嚴格的工藝要求。首先將有機玻璃板及壓蓋用酒精擦拭干凈，處理觀察窗處密封面并安裝涂有硅脂的密封圈，將墊圈、有機玻璃板放到觀察窗蓋的槽中，然后用6個M8 mm的六角螺栓、彈墊和平墊對角緊固觀察窗，并校核力矩值（要求16 N·m），合格后做力矩標識。

在裝配過程中，使用酒精清擦有機玻璃板，在現場安裝補漆時，觀察窗有機玻璃板有可能接觸丙酮。為驗證酒精及丙酮清擦是否會產生有機玻璃板溶脹，從而導致微裂紋產生，下面對有機玻璃板進行酒精及丙酮清擦工藝驗證試驗。驗證方法如下：裝配前分別用酒精和丙酮擦拭2件有機玻璃板，其余步驟按照裝配工藝文件執行，裝配完畢靜置48 h后解體觀察，對比檢查有機玻璃板是否產生微裂紋。驗證結果顯示，有機玻璃板用酒精或丙酮擦拭，裝配后靜置48 h，有機玻璃板均表面完好，未出現異常，可見酒精或丙酮短期內不會對有機玻璃板產生影響。因此，有機玻璃板產生裂紋的原因可以排除裝配工藝因素。

2.5 關鍵零部件尺寸

2.5.1 有機玻璃板受力分析。觀察窗的有機玻璃板是以無色透明工業板材（以甲基丙烯酸甲酯為原料聚合而成）為基礎加工成型的。根據有機玻璃板結構設計，下面進行建模和受力分析。應力最大處是有機玻璃板凸起圓臺的連接處，應力朝層間方向，厚度方向分量較小，如圖3所示。

2.5.2 零部件尺寸公差配合影響分析。觀察窗密封絕緣氣體通過壓板強壓緩沖墊，作用到有機玻璃板上，考慮各零部件公差配合積累，極限情況下緩沖墊最大壓縮量為1.5 mm，最小壓縮量為0.8 mm（理論壓縮量1 mm）。壓縮量偏大時，緩沖墊的回彈力增大，有機玻璃板承受的壓力增大，易發生裂紋位置如圖4所示。

為驗證緩沖墊壓縮量及凸臺圓角對有機玻璃板裂紋的影響，本研究選取緩沖墊產生最大壓縮量零部件及凸臺圓角較小的有機玻璃板進行裝配，通過極限冷熱循環試驗，模擬溫度變化對有機玻璃板受力的影響，試驗后觀察有機玻璃板狀態。試驗方法如下：按緩沖墊最大壓縮量挑選零部件裝配5組觀察窗，裝于試驗蓋板和筒體上，筒體內充SF6氣體0.5 MPa，進行兩組試驗，其中一組試驗溫度為高溫115 ℃到低溫-40 ℃，另一組試驗溫度為高溫75 ℃到低溫-40 ℃，各進行5輪冷熱循環試驗，溫度變化曲線如圖5所示，試驗姿態如圖6所示。

5輪115～-40 ℃極限試驗的結果如下：在環境溫度超過有機玻璃板材料熱變形溫度（100 ℃左右）時，有機玻璃板SF6高壓側產生嚴重凹陷，空氣側嚴重凸起，圓臺根部產生收縮現象，材料拉伸變形情況下產生裂紋，有機玻璃板與密封圈接觸部位凹陷，如圖7所示。5輪75～-40 ℃極限試驗的結果如下：有機玻璃板與金屬接觸部分有輕微壓痕，個別在圓臺根部產生微小裂紋。綜上，嚴重變形的拉伸作用驗證了有機玻璃板的應力集中部位是凸臺根部，驗證了微裂紋沿層間方向擴散，驗證了受力分析結果。因此，凸臺倒角偏小，同時零部件尺寸達到極限公差，使緩沖墊壓縮量變大，有機玻璃板所受壓緊力變大，凸臺倒角處在溫差變化中易積聚應力，可能導致有機玻璃板產生裂紋[1-3]。

2.6 環境影響

該觀察窗結構自1990年開始使用，至今約有30萬套觀察窗在全球范圍內掛網運行。氣候區域包括熱帶、亞熱帶、暖溫帶、中溫帶及寒溫帶。目前反饋的有裂紋的電站分布未見明顯的區域特點。為進一步驗證溫差大等環境因素影響，本研究對觀察窗進行了高溫后的快速冷卻試驗，如圖8所示。試驗方法如下：將觀察窗裝配加熱到80 ℃，保溫3 h，迅速用20 ℃水沖淋，同批試品進行3輪試驗，使有機玻璃板受到激冷作用，激冷結束后對比檢查有機玻璃板是否產生裂紋。驗證結果表明，有機玻璃板未產生裂紋。因此，排除環境高溫及驟變對觀察窗產生裂紋的影響。

2.7 有機玻璃板裂紋強度驗證試驗

將現場拆解下來有裂紋的有機玻璃板進行強度計量檢測，結果顯示合格。對15件有機玻璃板進行著色試驗，結果發現，8件有輕微壓痕，2件層間有微裂紋，5件厚度方向存在微裂紋，深度約為2 mm。

挑選5件厚度方向有裂紋的有機玻璃板進行破壞壓力試驗，按GIS殼體的破壞壓力進行破壞壓力試驗，壓力值為1.80 MPa，保壓30 min，未見異常。保壓完成后繼續加壓，壓力為2.30 MPa時，殼體下端工裝蓋板變形漏水，觀察窗有機玻璃板無異常。因此，現場返回的有機玻璃板硬度檢測合格，在厚度方向有少量非貫穿性裂紋。壓力破壞試驗證明，即使有機玻璃板出現少量非貫穿性裂紋，其強度仍能滿足設備安全運行要求。

2.8 原因小結

綜上所述，造成觀察窗微裂紋的主要原因有兩點：一是工器具使用不當，導致觀察窗在裝配過程中M8 mm螺栓緊固力矩偏大;二是若零部件尺寸達到極限公差，使緩沖墊壓縮量變大，則有機玻璃板所受壓緊力變大，有機玻璃板凸臺倒角偏小，其易因應力積聚而產生裂紋。

3 觀察窗結構改進及驗證

3.1 結構改進

下面對觀察窗進行結構優化改進，將有機玻璃板凸臺高度降低，提高強度，加大凸臺根部圓角過渡，降低應力積聚。裝配時將凸臺朝向氣室內部，加工面可使密封效果更好。改進后，有機玻璃板內應力降低30%，強度增加25%。外部增加保護蓋，進一步改善有機玻璃板的使用環境[4-5]。改進后結構觀察窗裝配示意圖如圖9所示。

3.2 試驗驗證

下面針對優化后的結構進行與2.5.2小節相同的驗證試驗。115～-40 ℃試驗結束后，有機玻璃板同樣產生熱變形，密封圈同樣因回彈力作用使有機玻璃板變形，但未見明顯裂紋。75～-40 ℃試驗結束后，有機玻璃未出現微裂紋及壓痕。

4 結論

針對現場觀察窗有機玻璃板裂紋，本文從人、機、料、法、環等5個方面進行綜合分析和試驗驗證，結果發現，工器具使用不當和極限尺寸情況下應力積聚是造成觀察窗有機玻璃板裂紋的主要原因。裂紋沿層間方向無貫穿性，不影響密封性能及整體強度。后續電站巡檢時可定期觀察，如有檢修計劃時可進行升級改造。同時，制造廠應舉一反三，排查類似結構有無同樣問題隱患，及時改進，確保設備安全穩定運行。

參考文獻：

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