GIS設(shè)備中CT接線座開裂失效分析

周延科，張素慧，李 軍，張兆鈺，趙朝友

(1.國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅電力科學(xué)研究院技術(shù)中心有限公司，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(gas-insulated switchgear，GIS)簡稱為“SF6組合電器”，具備可靠性高、占地面積小、噪聲低和損耗低等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)當(dāng)中。它將斷路器、快速接地開關(guān)、互感器、母線等多種高壓電器組合封閉在具有一定壓力的SF6氣體的接地金屬殼體內(nèi)[1-3]。上述高壓電器分別處于不同的氣室中，各氣室具有不同的氣體壓力。CT接線座在其中起到分割氣室、連接兩側(cè)電氣元件的作用，同時方便各元件的檢修，具有十分重要的作用[4-5]。下面對一起GIS設(shè)備中CT接線座開裂失效進行分析。某換流站通過監(jiān)控后臺巡視跟蹤記錄發(fā)現(xiàn)，750 kV GIS中有一CT氣室壓力每日下降約0.05 MPa，補氣后持續(xù)觀察檢測，氣室壓力仍持續(xù)降低，故對該氣室CT接線座開展相關(guān)分析。

1 接線座概況及開裂分析

1.1 概況

該接線座于2017-06-23正式投運，2021-11-06發(fā)現(xiàn)漏氣情況，2021-11-08檢查時發(fā)現(xiàn)裂紋。接線座實物如圖1所示，平面為CT側(cè)，凸面為非CT側(cè)，外緣有12個螺紋孔。CT側(cè)有三圈等距澆鑄的黃色銅制柱式螺紋接線端子，數(shù)量由內(nèi)向外每圈分別為1，8，15個；非CT側(cè)最外圈有15個接線端子，沿著凸起的邊緣逆時針排列，依次為A1～A5，B1～B5，C1～C5，中間兩圈接線端子與CT側(cè)數(shù)量相同，位置對應(yīng)。

圖1 接線座實物

1.2 宏觀檢查

通過對該接線座進行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)其凸面?zhèn)却嬖诳傞L約為30 cm的裂紋，裂紋位于凸起部分邊緣的轉(zhuǎn)折處，分為2段，其中長裂紋在位于A1到B1接線端子之間，開口較寬；短裂紋位于C5到A1接線端子之間，裂紋開口較小，肉眼觀察不明顯。為判斷是否存在其他裂紋，故進一步進行滲透檢測。

1.3 滲透檢測

對接線座兩面進行滲透檢測，如圖2所示。從圖2 (a)可知，凸面?zhèn)却嬖?條裂紋，形貌及長度和宏觀檢查結(jié)果基本相同，長度分別為240 mm和60 mm，短裂紋經(jīng)滲透檢測后明顯可見，其他位置未發(fā)現(xiàn)裂紋。對平面?zhèn)缺砻孢M行滲透檢測，在內(nèi)側(cè)密封圈位置發(fā)現(xiàn)兩條長度不一的裂紋，其長度分別約為20 mm和8 mm，兩條裂紋未貫通，端部相距約為20 mm，如圖2 (b)所示。

圖2 裂紋滲透檢測結(jié)果

從滲透檢測結(jié)果可知，裂紋具有貫穿性，由于兩側(cè)氣室壓力不同，導(dǎo)致一側(cè)氣室的SF6氣體向另一氣室泄露。

1.4 斷裂面檢查

為進一步觀察接線座內(nèi)部缺陷情況，將接線座從A4接線端子邊緣截取一段。截取部位非CT側(cè)為貫穿性裂紋，CT側(cè)則為非貫穿性裂紋。觀察可知，接線座內(nèi)部嵌有方形導(dǎo)電片和六角螺帽，兩者在結(jié)構(gòu)設(shè)計上存在突變。此外，方形導(dǎo)電片和六角螺帽周圍出現(xiàn)滲透液回滲現(xiàn)象，說明金屬嵌件與環(huán)氧樹脂之間存在縫隙。方形導(dǎo)電片和六角螺帽周圍可觀察到多處細小裂紋，整個斷面與接線座軸線夾角約為30°。

觀察接線座方形導(dǎo)電片和六角螺帽微觀形貌，金屬嵌件與環(huán)氧樹脂接觸面凹凸不平，且存在細小裂紋，裂紋方向與接線端子軸向平行或呈45°夾角。除此之外，接觸面上存在較多黑色或黃色斑點、色澤較深。

1.5 受力計算

按廠商提供的數(shù)據(jù)，該接線座周邊緊固螺栓的緊固力矩為25 Nm，通過螺栓預(yù)緊力計算公式：

其中，T為擰緊力矩，F(xiàn)為預(yù)緊力，d為螺栓直徑，k為擰緊力矩系數(shù)，此處取0.15。計算可得，接線座單個螺栓孔上所受的垂直預(yù)緊力為13.9 kN。為了模擬螺栓緊固過程中最大可能的預(yù)緊力，采用M12的螺栓及長度50 cm的扭矩扳手進行模擬試驗，當(dāng)全力擰緊螺栓時，扭矩可達220 Nm。如以力臂長約10 cm的18號普通扳手為例進行折算，可達到的緊固力矩為44 Nm。此時，接線座單個螺栓孔上所受的垂直預(yù)緊力為24.4 kN，受力如圖3所示，由此證明，在工作人員全力擰緊的前提下，螺栓的預(yù)緊力有可能遠超廠家規(guī)定的標(biāo)準預(yù)緊力(達到其的1.76倍)。

圖3 接線座受力示意

斷面傾斜角度約為30°，斷裂面長度約為31.78 mm，接線座中間螺帽和導(dǎo)電片與樹脂材料結(jié)合面存在斑點及凹凸不平的連接不緊密特征，此不連續(xù)長度約為10.78 mm，造成局部區(qū)域承載截面會有減少，樹脂材料所承受的應(yīng)力大幅增加，在過大的預(yù)緊力及結(jié)構(gòu)不連續(xù)形成應(yīng)力集中的影響下，使得裂紋在樹脂材料應(yīng)力集中部位萌生并擴展，最終導(dǎo)致貫穿性開裂。

2 接線座開裂原因

1) 造成接線座貫穿性裂紋的主要原因是邊緣螺栓孔與接線端子之間座體結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位承受過大的彎曲應(yīng)力。

2) 經(jīng)過模擬試驗，螺栓緊固過程中，如采用不當(dāng)?shù)木o固工具或用力過大，會造成緊固螺栓預(yù)緊力超標(biāo)。

3) 在接線座CT側(cè)腔體內(nèi)部絕緣氣體壓力的作用下，會造成接線座結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位彎曲應(yīng)力的疊加。

4) 接線座內(nèi)部金屬導(dǎo)電嵌件與樹脂材料結(jié)合不緊密，存在間隙，會造成承載截面減少和局部應(yīng)力集中。

5) 在上述綜合因素的共同作用下，造成接線座臺階根部、內(nèi)部嵌件、密封圈槽間形成開裂，引起絕緣氣體泄漏。

3 防范措施

1) 在進行接線座安裝時，按照廠家規(guī)定的標(biāo)準力矩要求，使用力矩扳手安裝，避免出現(xiàn)緊固力超標(biāo)現(xiàn)象。

2) 按照廠家規(guī)定的工藝流程及要求進行CT側(cè)及非CT側(cè)絕緣氣體介質(zhì)的充裝，防止接線座兩側(cè)產(chǎn)生過大壓差。

3) 優(yōu)化接線座設(shè)計及樹脂澆鑄工藝，避免在接線座內(nèi)部出現(xiàn)不連續(xù)間隙、嵌件尖角等引起應(yīng)力集中及影響承載截面的情況發(fā)生。

4) 加強接線座等設(shè)備產(chǎn)品的質(zhì)量驗收工作，防止采用問題產(chǎn)品。

4 結(jié)束語

針對SF6組合電器CT接線座開裂進行檢查分析檢測計算，找出接線座開裂是由于螺栓緊固過程中，采用不當(dāng)?shù)木o固工具或用力過大，造成緊固螺栓預(yù)緊力超標(biāo)等原因?qū)е碌摹Ｌ岢龅姆婪洞胧┛晒┢渌娏τ脩魠⒖肌?/p>