GIS盆式絕緣子開裂原因分析及處理措施

文雅欽，吳傳奇，潘章達，胡 卡，黃衛東，楊選超

（1.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢 430070；2.國網湖北省檢修公司，湖北 武漢 430070；3.國網湖北省電力有限公司恩施供電公司，湖北 恩施 445000；4.湖北方源東力電力科學研究有限公司，湖北 武漢 430070）

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）因其占地面積小、運行可靠性高、檢修周期長等優點被廣泛應用于變電站內。盆式絕緣子作為保障母線對地或相間絕緣及氣體密封性的關鍵部件，一旦發生開裂漏氣缺陷需進行更換時，會引起其它間隔或母線停電，大大降低了電網安全穩定運行的可靠性。因此，分析盆式絕緣子開裂原因，提出合理化改善措施，對保障電網安全可靠運行至關重要。

1 GIS盆式絕緣子漏氣案例

1.1 案例基本情況

2020年12月，運維人員發現某變電站252 kV GIS某間隔隔離開關A相與母線第四氣室之間盆式絕緣子漏氣，盆式絕緣子可見清晰裂紋；之后對站內252 kV GIS 設備進行隱患排查，共發現涉及7 個間隔15 個盆式絕緣子共計19處裂紋，其中1處裂紋存在SF6氣體泄漏現象；所有開裂設備型號均為同一廠家的ZF9-252型組合電器，分兩期投運，一期設備2006年投運，二期設備2008年投運。

根據現場排查情況，15個異常盆式絕緣子中，除1個盆式絕緣子處于一期工程外，其余14個存在裂紋的盆式絕緣子均處于二期工程。盆式絕緣子裂紋主要分布在跨接片和機構安裝板附近。所有裂紋均位于母線與隔離開關連接的水平盆式絕緣子處，開裂位置如圖1所示。

圖1 盆式絕緣子裂紋位置Fig.1 Crack location of basin insulator

兩期設備主要區別在于跨接片連接方式與螺栓墊片形式不同，一期設備跨接片通過專用跨接部位連接，并采用的是普通熱鍍鋅平墊和彈墊；二期設備跨接片通過法蘭螺栓直連，且采用的是防雨帽墊片，兩期設備的對比如圖2所示。

圖2 一、二期設備對比Fig.2 Equipment comparison chart

1.2 解體檢查情況

1.2.1 盆式絕緣子結構

該站252 kV GIS 盆式絕緣子為不帶金屬法蘭結構。盆式絕緣子法蘭上共有12 個螺孔，孔內徑19 mm，孔深40 mm，采用M16螺桿配套安裝，螺桿外徑16 mm。其中，2個孔為通孔，對稱分布，內部無金屬螺紋，用于安裝過程中對孔定位；10 個孔為半螺紋孔結構，中間24 mm 部分具有金屬螺紋，兩端各留8 mm 無螺紋，通孔、螺紋孔分布及結果如圖3所示。

圖3 盆式絕緣子螺孔分布及結構Fig.3 Distribution and structure of screw holes

1.2.2 盆式絕緣子檢查

2021 年1 月，現場對隔離開關氣室盆式絕緣子進行解體檢修，對開裂盆式絕緣子進行了拆除、更換。檢查發現，盆式絕緣子裂紋處于通孔位置，從法蘭、螺孔開裂至密封槽，盆式絕緣子其他位置未見異常，其裂紋如圖4所示

圖4 開裂盆式絕緣子Fig.4 Cracked basin insulator

1.2.3 盆式絕緣子螺栓、防雨帽檢查

經檢查發現，二期設備跨接片位置的直連螺桿、防雨帽外部普遍存在銹蝕現象，如圖5所示。拆除后，跨接片位置螺桿的兩端明顯銹蝕，螺桿中部普遍存在鋅的氧化產物（灰白色），局部存在鐵銹，如圖6所示。

圖5 跨接片直連螺桿、防雨帽外部銹蝕Fig.5 External corrosion of rain cap

圖6 法蘭螺桿、防雨帽內部情況Fig.6 Internal condition of rain cap

2 開裂檢測試驗

由于盆式絕緣子開裂通常發生在冬季，推測盆式絕緣子因進水結冰膨脹撐裂，為進一步驗證開裂原因，對開裂盆式絕緣子進行多項實驗室檢測實驗。

2.1 X射線檢測

對開裂盆式絕緣子進行X射線檢測，裂紋兩端（即裂紋位于螺栓孔的端點及裂紋位于密封槽的端點）及盆式絕緣子其他位置均未見氣孔或夾雜，制造質量滿足標準《DL/T1424-2015 電網金屬技術監督規程》的要求，初步排除裂紋的產生由制造缺陷而導致，X射線檢測圖如圖7所示。

圖7 開裂盆式絕緣子X射線檢測Fig.7 X-ray examination

2.2 低溫實驗

將盆式絕緣子放在恒濕恒溫箱內，對盆式絕緣子開展低溫實驗，如圖8 所示。恒濕恒溫箱通過調節溫濕度來模擬盆式絕緣子戶外實際運行環境，由常溫階梯降至-40 ℃，盆式絕緣子未見開裂或其他異常。

圖8 開裂盆式絕緣子低溫實驗Fig.8 Low temperature experiment

2.3 通孔內注水冰凍模擬實驗

為驗證盆式絕緣子孔內積水、結冰，誘發裂紋的可能性，于實驗室內進行了盆式絕緣子通孔內注水冰凍模擬試驗。對開裂盆式絕緣子按安裝工藝要求裝配，在未開裂的通孔內注滿4 ml水，與低溫實驗同步開展。實驗過程中，結冰膨脹力量大，可明顯看見冰珠從螺栓、螺桿縫隙處擠出，如圖9所示。

圖9 通孔內注水冰凍模擬實驗Fig.9 Water injection freezing simulation experiment

模擬實驗結束后，采用力矩扳手重新安裝通孔處螺栓，施加力矩小于80 Nm 時，通孔開裂（廠家工藝力矩為90 Nm）。采用微米放大鏡進行檢查，通孔內表面可見明顯微裂紋，判斷由結冰膨脹擠壓造成，證明了在低溫、螺孔進水結冰的情況下，會導致盆式絕緣子機械強度降低，發生開裂。實驗情況如圖10所示。

圖10 通孔內注水冰凍模擬實驗結果Fig.10 Experimental results of water injection freezing simulation

2.4 絕緣材質性能實驗

對開裂盆式絕緣子開展彎曲強度、擺錘沖擊強度、玻璃化轉變溫度等材質性能實驗。取5個位置試樣進行檢測，包括法蘭周邊4 個試樣、中間金屬嵌件位置1個試樣，如圖11所示。

圖11 開裂盆式絕緣子材質性能實驗取樣位置Fig.11 Sampling position of material performance test

2.4.1 彎曲強度實驗

根據《NB/T 42105-2016 高壓交流氣體絕緣金屬封閉開關設備用盆式絕緣子》相關規定要求，彎曲強度應大于等于100 MPa，各試樣的實驗結果均合格。

2.4.2 沖擊強度實驗

根據《GB/T 1043.1-200 簡支梁沖擊性能的測定》中的試驗方法，對盆式絕緣子的5 個樣點進行沖擊強度的檢測，檢測結果如表2所示。

表1 彎曲強度實驗結果Table 1 Comparison of 35 kV reactor switching test results

表2 沖擊強度實驗結果Table 2 Comparison of 35 kV reactor switching test results

根據《NB/T 42105-2016 高壓交流氣體絕緣金屬封閉開關設備用盆式絕緣子》相關規定要求，沖擊強度應≥10 kJ/m2，試樣的平均實驗結果合格。

2.4.3 玻璃化轉變溫度實驗

根據《GB/T 19466.2-2004 塑料差示掃描量熱法（DSC）》中的測定方法，對盆式絕緣子的5個樣點進行玻璃化轉變溫度測定，檢測結果如表3所示。

表3 玻璃化溫度實驗結果Table 3 Comparison of 35 kV reactor switching test results

根據《NB/T 42105-2016 高壓交流氣體絕緣金屬封閉開關設備用盆式絕緣子》相關規定要求，玻璃化轉變溫度應≥105 ℃。從檢測結果可以看出，1 至4 號試樣的玻璃化轉變溫度均低于標準要求，以上試樣處于盆式絕緣子法蘭周邊，其運行環境為SF6氣體外；5 號試樣的玻璃化轉變溫度滿足標準要求，其運行環境為SF6氣體內。

2.4.4 螺栓應力超聲波檢測

根據聲彈性理論原理，測量盆式絕緣子各螺栓的軸向拉力，現場對相鄰間隔未開裂的盆式絕緣子A相、B 相與開裂的A 相盆式絕緣子進行螺栓軸向拉力檢測，其測點檢測示意圖如圖12所示。

圖12 盆式絕緣子螺栓軸向拉力檢測示意圖Fig.12 Schematic diagram of bolt axial tension detection

其檢測結果如表4所示。

表4 盆式絕緣子螺栓軸向拉力檢測結果Table 4 Comparison of 35 kV reactor switching test results

螺栓軸向拉力P與螺栓緊固力矩M關系為：

式（1）中，P為螺栓軸向拉力，d2為螺紋中徑，λ為螺紋升角，tgλ=t/πd2，f為螺母與被連接件支承面的摩擦系數，ρ為螺旋副的當量摩擦角，R為螺母承力面外半徑，r為螺母承力面內半徑。

若不考慮法蘭、跨接片、機構安裝板等不同位置摩擦系數的差異，螺栓軸向拉力P與螺栓緊固力矩M成正比，該項檢測結果可用于評估螺栓緊固力矩的分布規律。

根據盆式絕緣子螺栓軸向拉力檢測結果，可發現：

1）檢測結果差異較大，螺栓軸向拉力最小值僅為40.1 kN，最大值達141.4 kN，相差超過3 倍，說明螺栓力矩分布非常不均勻；

2）3 個盆式絕緣子中，軸向拉力最大的螺栓均位于跨界片位置。

3 原因分析

根據現場檢查情況、省內外運維經驗、相關試驗檢測結果，判斷該252 kV GIS 盆式絕緣子出現集中性開裂主要由以下原因引起：

1）盆式絕緣子防水結構設計及工藝不合理。

通過解體檢查可以看出，盆式絕緣子防水結構設計及工藝不合理，易導致螺孔內積水、結冰。該型號產品設計及工藝上未充分考慮盆式絕緣子螺孔積水問題，盆式絕緣子上的跨接片、防雨帽、機構安裝板均未涂覆防水密封膠，在長期戶外運行環境影響和不同材質熱膨脹系數不一致的影響下，跨接片、防雨帽、機構安裝板、法蘭之間，貼合緊密度下降，出現縫隙。此外，防雨帽內部橡圈墊存在破損、腐蝕的情況，造成密封效果劣化。雨水滲入盆式絕緣子螺孔內部，由于法蘭下端也裝有防雨帽，滲入的水分無法輕易排出，造成內部積水，侵蝕盆式絕緣子，甚至在低溫環境下結冰膨脹，自內而外擠壓盆式絕緣子螺孔，導致盆式絕緣子開裂。

2）盆式絕緣子無金屬法蘭保護，戶外長時間運行后外圈材質性能裂化。

通過實驗室檢測實驗結果發現，盆式絕緣子外圈法蘭位置（SF6氣體外）和中心金屬嵌件位置（SF6氣體內）的絕緣材料玻璃化轉變溫度檢測差別巨大。經過12年戶外運行后，盆式絕緣子外圈主體材料的主要熱轉變行為發生明顯變化，玻璃化溫度下降，低于標準要求7.8 ℃。

玻璃化轉變溫度是指材料由高彈態轉變為玻璃態所對應的溫度，是非晶態高分子材料固有的性質，是高分子運動形式轉變的宏觀體現，直接影響到材料的使用性能和工藝性能。玻璃化轉變溫度下降后，絕緣件機械強度降低。

3）盆式絕緣子緊固螺栓裝配工藝不合格，力矩分布不均勻，導致應力集中。

盆式絕緣子、跨界片、機構安裝板均在廠內總裝車間裝配，根據檢測結果發現，螺栓未正確執行力矩預緊，力矩分布不均勻，造成盆式絕緣子部分位置應力集中。此外，預緊力越大，應力越大，在溫度變化時，螺栓孔處還將產生附加的疲勞載荷。安裝時的預緊力及溫度變化時的熱應力產生的合應力，可能超過盆式絕緣子螺孔薄弱位置（螺栓孔為凹面，有一定的應力集中效應）的抗拉強度限值。

以上3 點原因共同導致了盆式絕緣子裂紋的產生，特別是對于內部無金屬螺紋嵌件加固的通孔，影響更為明顯。裂紋一旦產生將會加劇應力集中效應，隨著時間的增長，裂紋將逐步擴展，發展至內部密封槽位置后，將導致設備漏氣。

4 建議

根據盆式絕緣子相關試驗檢測結果，以及開裂原因分析結果，現提出以下幾點建議：

1）組織主流組合電器生產廠商，研討形成統一的盆式絕緣子規范化防水密封設計與工藝。

2）對于新建戶外組合電器，為了避免絕緣材料直接暴露在外受紫外線、污穢、溫差等因素的長時間影響下出現老化、裂化問題。建議采用帶金屬法蘭的盆式絕緣子對盆式絕緣子進行保護。

3）對于新建戶外組合電器，如需采用跨接片，戶外GIS 罐體上應有專用跨接部門，禁止通過法蘭螺栓直連。

4）組合電器安裝和檢修過程中，盆式絕緣子、絕緣件、法蘭對接面等位置的螺栓緊固順序與扭矩應嚴格執行廠家工藝文件標準要求，采用力矩扳手等可控工具，避免螺栓預緊力超標。

5）每年冬季寒潮季節前后，對戶外組合電器盆式絕緣子進行巡視檢查并拍照記錄，觀察是否存在裂紋。對開裂的盆式絕緣子，加強氣壓監視，密切關注氣室壓力變化，定期開展SF6紅外檢漏、局部放電帶電檢測。