GIS設備中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.國網甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅電力科學研究院技術中心有限公司，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開關設備(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點，被廣泛應用于電力系統當中。它將斷路器、快速接地開關、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[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設備中CT接線座開裂失效進行分析。某換流站通過監控后臺巡視跟蹤記錄發現，750 kV GIS中有一CT氣室壓力每日下降約0.05 MPa，補氣后持續觀察檢測，氣室壓力仍持續降低，故對該氣室CT接線座開展相關分析。

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發現漏氣情況，2021-11-08檢查時發現裂紋。接線座實物如圖1所示，平面為CT側，凸面為非CT側，外緣有12個螺紋孔。CT側有三圈等距澆鑄的黃色銅制柱式螺紋接線端子，數量由內向外每圈分別為1，8，15個；非CT側最外圈有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側數量相同，位置對應。

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，發現其凸面側存在總長約為30 cm的裂紋，裂紋位于凸起部分邊緣的轉折處，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，凸面側存在2條裂紋，形貌及長度和宏觀檢查結果基本相同，長度分別為240 mm和60 mm，短裂紋經滲透檢測后明顯可見，其他位置未發現裂紋。對平面側表面進行滲透檢測，在內側密封圈位置發現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 裂紋滲透檢測結果

從滲透檢測結果可知，裂紋具有貫穿性，由于兩側氣室壓力不同，導致一側氣室的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側為貫穿性裂紋，CT側則為非貫穿性裂紋。觀察可知，接線座內部嵌有方形導電片和六角螺帽，兩者在結構設計上存在突變。此外，方形導電片和六角螺帽周圍出現滲透液回滲現象，說明金屬嵌件與環氧樹脂之間存在縫隙。方形導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°。

觀察接線座方形導電片和六角螺帽微觀形貌，金屬嵌件與環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

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

其中，T為擰緊力矩，F為預緊力，d為螺栓直徑，k為擰緊力矩系數，此處取0.15。計算可得，接線座單個螺栓孔上所受的垂直預緊力為13.9 kN。為了模擬螺栓緊固過程中最大可能的預緊力，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，螺栓的預緊力有可能遠超廠家規定的標準預緊力(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電片與樹脂材料結合面存在斑點及凹凸不平的連接不緊密特征，此不連續長度約為10.78 mm，造成局部區域承載截面會有減少，樹脂材料所承受的應力大幅增加，在過大的預緊力及結構不連續形成應力集中的影響下，使得裂紋在樹脂材料應力集中部位萌生并擴展，最終導致貫穿性開裂。

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構不連續部位承受過大的彎曲應力。

2) 經過模擬試驗，螺栓緊固過程中，如采用不當的緊固工具或用力過大，會造成緊固螺栓預緊力超標。

3) 在接線座CT側腔體內部絕緣氣體壓力的作用下，會造成接線座結構不連續部位彎曲應力的疊加。

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

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，按照廠家規定的標準力矩要求，使用力矩扳手安裝，避免出現緊固力超標現象。

2) 按照廠家規定的工藝流程及要求進行CT側及非CT側絕緣氣體介質的充裝，防止接線座兩側產生過大壓差。

3) 優化接線座設計及樹脂澆鑄工藝，避免在接線座內部出現不連續間隙、嵌件尖角等引起應力集中及影響承載截面的情況發生。

4) 加強接線座等設備產品的質量驗收工作，防止采用問題產品。

4 結束語

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，采用不當的緊固工具或用力過大，造成緊固螺栓預緊力超標等原因導致的。提出的防范措施可供其他電力用戶參考。