GIS斷路器合閘電阻螺栓斷裂分析

高 洋,陳 宇,王 意,趙俊卿

(新東北電氣集團(tuán)高壓開關(guān)有限公司,遼寧 沈陽 110025)

0 引言

高壓交流斷路器是能夠關(guān)合、承載和開斷正常回路條件下的負(fù)荷電流,同時(shí)也能夠關(guān)合,并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)承載和開斷異常回路條件(如短路條件、失步條件)下的故障電流的機(jī)械開關(guān)裝置［1］。近年來,隨著超高壓、特高壓的快速發(fā)展,363 kV及以上線路上斷路器裝設(shè)合閘電阻開關(guān)設(shè)備被廣泛應(yīng)用［2-3］。其工作原理是利用合閘電阻吸收電網(wǎng)中的部分電能并轉(zhuǎn)化成熱能,以達(dá)到削弱電磁振蕩、限制過電壓的目的［4］。合閘電阻工作時(shí)流過的電流較小(500～1600 A),而且持續(xù)時(shí)間較短,因此設(shè)備廠家設(shè)計(jì)采用簡單的對接式觸頭。此類裝置的工作可靠性受零部件加工精度、裝配工藝、零部件材質(zhì)強(qiáng)度等因素的影響較大。同時(shí),斷路器分合閘操作過程中合閘電阻既要承受合閘沖擊力,又要承受交直流混合電壓的作用,合閘電阻故障率較高,降低了斷路器的安全性［5-14］。現(xiàn)階段,國內(nèi)外關(guān)于斷路器合閘電阻設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)較少［15］,因此開展斷路器用合閘電阻故障分析對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作可靠性具有重要意義［16］。

本文針對一起GIS設(shè)備斷路器用合閘電阻動觸頭緊固螺栓松脫斷裂引起的斷路器機(jī)械特性測試結(jié)果異常問題,通過斷路器解體檢查、斷裂螺栓材質(zhì)檢測分析、合閘電阻結(jié)構(gòu)有限元仿真分析和真型試驗(yàn)等多項(xiàng)工作,找出發(fā)生故障的主要原因,防止此類事故再次發(fā)生。

1 概述

某變電站年度檢修期間斷路器進(jìn)行機(jī)械特性測試時(shí),發(fā)現(xiàn)C相合閘電阻及預(yù)投入時(shí)間測試結(jié)果異常,此時(shí)斷路器操作總次數(shù)約400次。

對返廠的故障斷路器C相進(jìn)行開蓋檢查,發(fā)現(xiàn)罐內(nèi)一個(gè)斷口的合閘電阻動觸頭掉落,2個(gè)M12螺栓脫落,另外2個(gè)螺栓斷裂,4個(gè)螺栓螺紋表面均沒有涂鎖緊劑痕跡,證明產(chǎn)品在裝配過程中沒有按照裝配工藝要求對此處螺栓表面進(jìn)行涂抹鎖緊劑,具體見圖1和圖2。

圖1 斷裂的M12螺栓

圖2 M12螺栓

2 螺栓試驗(yàn)檢測

2.1 宏觀檢測

首先對4個(gè)螺栓進(jìn)行宏觀檢測,未斷裂螺栓除部分螺紋變形外,無其他明顯損傷,另2個(gè)螺栓已經(jīng)完全斷裂。4個(gè)螺栓的螺紋表面均未發(fā)現(xiàn)藍(lán)色鎖緊劑殘留痕跡,證明這4個(gè)螺栓在裝配過程中均未涂抹鎖緊劑。

在體視顯微鏡下對2個(gè)斷裂螺栓進(jìn)行斷口宏觀分析,結(jié)果表明:斷裂螺栓的斷口形貌可分為裂紋源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和最后瞬斷區(qū)3個(gè)區(qū)域［17-18］,螺栓宏觀斷裂機(jī)制為疲勞斷裂,斷口宏觀形貌如圖3所示。

圖3 斷裂螺栓斷口表面

2.2 成分檢測

4個(gè)螺栓強(qiáng)度等級均為10.9級。其中,斷裂螺栓規(guī)格為M12,螺栓材料為20MnTiB,屬于低合金結(jié)構(gòu)用鋼,主要合金元素是C、Si、Mn。表1列出國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》中對20MnTiB低合金鋼的化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)要求和斷裂螺栓化學(xué)成分分析結(jié)果,檢測結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 化學(xué)成分檢測結(jié)果 單位:%

2.3 硬度檢測

對斷裂的2個(gè)螺栓硬度進(jìn)行檢測,結(jié)果列于表2中。2個(gè)螺栓的顯微維氏硬度平均為331～349 HV,不同區(qū)域的硬度較為均勻。根據(jù)GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》要求,10.9級螺栓的顯微維氏硬度要求為320～380 HV,檢測結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 螺栓硬度檢測結(jié)果 單位:HV

2.4 金相檢測

從2個(gè)斷裂螺栓的金相組織來看,螺栓的熱處理工藝應(yīng)該淬火后回火處理,即調(diào)質(zhì)處理,符合螺栓熱處理規(guī)范,見圖4。同時(shí),對2個(gè)斷裂螺栓螺紋的表面脫碳情況和脫碳層深度進(jìn)行檢查,見圖5。經(jīng)過測量,2個(gè)斷裂螺栓的螺紋未脫碳層高度大于外螺紋牙型高度2/3,且螺紋的全脫碳層深度均小于0.015 mm,符合GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》中對于10.9級螺栓的要求。

圖4 斷裂螺栓金相檢測結(jié)果

圖5 斷裂螺栓螺牙檢測結(jié)果

2.5 掃描電鏡檢測

對斷裂的2個(gè)螺栓斷面進(jìn)行微觀檢測,掃描電鏡檢測結(jié)果見圖6。由圖6可知,微觀形貌為韌窩和撕裂棱,為典型的韌性斷裂特征,證明螺栓具有良好的韌性。

圖6 掃描電鏡檢測結(jié)果

根據(jù)各項(xiàng)檢測結(jié)果可知,斷裂螺栓的化學(xué)成分符合要求,金相組織正常,熱處理工藝規(guī)范,硬度值符合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求,排除螺栓本身存在制造缺陷的可能。

3 合閘電阻運(yùn)動特性仿真分析

3.1 合閘過程最大沖擊力計(jì)算

斷路器合閘電阻置于斷路器滅弧室內(nèi),合閘電阻與主斷口并聯(lián)。斷路器操動機(jī)構(gòu)操動主斷口與電阻斷口同步合閘、分閘運(yùn)動。電阻斷口的開距短于主斷口,實(shí)現(xiàn)提前主斷口8～11 ms合閘的要求,相比主斷口具有先合先分的特點(diǎn)。

此種結(jié)構(gòu)電阻動觸頭側(cè)設(shè)計(jì)方式采用懸臂梁結(jié)構(gòu),動觸頭與壓氣缸連接處采用止口連接方式,該設(shè)計(jì)方式確保電阻斷口在合閘過程中動觸頭與靜觸頭碰撞瞬間產(chǎn)生的較大剪切力不會作用到螺栓上。

以斷路器主滅弧室單元實(shí)測合閘時(shí)間-行程曲線為邊界條件,采用ADAMS多體動力學(xué)軟件對電阻斷口進(jìn)行建模分析,見圖7。通過仿真計(jì)算得到電阻斷口在合閘過程中受到最大沖擊力F=10 956 N,仿真計(jì)算結(jié)果見圖8。

3.2 電阻斷口螺栓連接結(jié)構(gòu)仿真分析

為分析電阻斷口螺栓連接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求,基于螺栓聯(lián)接基本理論,分析在給定預(yù)緊力矩和沖擊載荷條件下螺栓的受力情況。

簡化的計(jì)算模型利用Creo軟件建立并導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。仿真分析時(shí)螺栓采用實(shí)體單元模擬,螺栓等效直徑按照對應(yīng)的應(yīng)力截面積進(jìn)行模擬計(jì)算,具體仿真計(jì)算模型如圖9所示。

圖9 電阻斷口計(jì)算模型

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),10.9級M12螺栓預(yù)緊扭矩設(shè)置為55 N·m,而預(yù)緊力與擰緊扭矩關(guān)系為

T=0.2×Qp×d

(1)

式中:T為擰緊力矩;Qp為預(yù)緊力;d為螺栓的等效直徑。

為模擬在沖擊力及預(yù)緊力作用下的螺栓承載能力,用2個(gè)載荷步進(jìn)行計(jì)算。在載荷步1中,對螺栓施加預(yù)緊力為22 917 N;載荷步2中,鎖定載荷步1施加的螺栓預(yù)緊力,并施加電阻斷口在合閘過程中受到最大沖擊力為10 956 N。螺栓仿真計(jì)算等效應(yīng)力分布云圖詳見圖10。

圖10 螺栓等效應(yīng)力分布云圖

由圖10可知,長M12螺栓的最大等效應(yīng)力值為526.67 MPa,出現(xiàn)在螺柱與螺帽連接的圓角部位附近,短M12螺栓最大等效應(yīng)力值為354.54 MPa,出現(xiàn)在螺柱與螺帽連接的圓角部位附近。上述4個(gè)10.9級螺栓仿真計(jì)算等效應(yīng)力值均小于材料屈服強(qiáng)度749 MPa［19］,滿足材料強(qiáng)度要求。

誘發(fā)螺栓發(fā)生疲勞斷裂的原因大致有2個(gè)方面［20］:螺栓本身存在制造缺陷,如材料裂紋、加工缺陷、熱處理裂紋等;另外,裝配過程中螺栓緊固不良,在使用過程中受到振動沖擊導(dǎo)致螺栓松動引起疲勞斷裂［21-22］。

通過對合閘電阻結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算結(jié)果分析表明:電阻斷口螺栓連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求,排除制造缺陷和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等方面因素。

4 真型樣機(jī)試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證斷路器合閘電阻斷口設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性,同步驗(yàn)證裝配過程中緊固不良對螺栓松動的影響,利用真型樣機(jī)對合閘電阻緊固螺釘在不同緊固方式下進(jìn)行機(jī)械操作試驗(yàn)。

真型樣機(jī)采用3種不同螺栓緊固方式分別進(jìn)行機(jī)械操作試驗(yàn),除采用不同螺栓緊固方式外真型樣機(jī)的結(jié)構(gòu)及外界條件每次試驗(yàn)均保持一致。具體3種螺栓緊固方式見表3。

表3 3種螺栓緊固方式

4.1 方式1真型樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

將4個(gè)M12螺栓按照緊固工藝要求55 N·m力矩值進(jìn)行緊固,但是4個(gè)螺栓表面均不涂抹鎖緊劑進(jìn)行1000次操作。操作完成后開蓋檢查,斷口電阻觸頭螺釘緊固狀態(tài)無松動、無異常。

4.2 方式2真型樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

將4個(gè)M12螺栓按照40 N·m力矩值進(jìn)行緊固,4個(gè)螺栓表面均涂抹鎖緊劑進(jìn)行2000次操作。操作完成后開蓋檢查,斷口電阻觸頭螺釘緊固狀態(tài)無松動、無異常。

4.3 方式3真型樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

將4個(gè)M12螺栓按照40 N·m力矩值進(jìn)行緊固,4個(gè)螺栓表面均不涂抹鎖緊劑進(jìn)行操作。操作至200次,開蓋檢查發(fā)現(xiàn)其中1個(gè)M12螺釘輕微松動,其他螺釘未見異常;繼續(xù)操作至300次,開蓋檢查發(fā)現(xiàn)4個(gè)螺釘均存在不同程度的松動情況。具體試驗(yàn)結(jié)果見圖11。

圖11 試驗(yàn)結(jié)果

上述3種螺栓緊固方式可以驗(yàn)證說明如下。

a.電阻觸頭螺栓在緊固力矩符合要求的前提下,即便不涂鎖緊劑,也不會造成螺栓松脫現(xiàn)象。

b.電阻觸頭螺栓在緊固力矩不滿足要求,螺栓表面涂鎖緊劑,操作2000次也未發(fā)生松動,說明鎖緊劑起到輔助加強(qiáng)作用。

c.電阻觸頭螺栓緊固力矩不符合要求,操作200次就會發(fā)生松動,300次后明顯加劇,說明緊固力矩起到主要作用。

綜合上述各項(xiàng)檢測、仿真計(jì)算和真型樣機(jī)試驗(yàn)表明:造成本次斷路器合閘電阻故障的原因?yàn)殡娮栌|頭螺栓在裝配時(shí)未按照工藝要求的力矩值進(jìn)行緊固,也未涂抹鎖緊劑,電阻觸頭螺栓在多次分合閘操作過程中逐漸松動,此時(shí)螺栓承受較大的彎曲、沖擊等交變應(yīng)力,最后引起螺栓疲勞斷裂,并最終導(dǎo)致動觸頭脫落。

5 結(jié)論

a.螺栓試驗(yàn)檢測表明:斷裂螺栓的化學(xué)成分符合要求,金相組織正常,熱處理工藝規(guī)范,硬度值符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求,排除螺栓本身存在制造缺陷的可能。

b.對合閘電阻結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析計(jì)算,4個(gè)10.9級螺栓的等效應(yīng)力值均小于材料屈服強(qiáng)度,并具有較大安全裕度,滿足材料強(qiáng)度要求。

c.通過對比3種不同螺栓緊固方式試驗(yàn)結(jié)果可知,螺栓緊固力矩值起到主要防松作用,鎖緊劑起到輔助加強(qiáng)作用。