文雅欽，吳傳奇，潘章達(dá)，胡 卡，黃衛(wèi)東，楊選超

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430070；2.國(guó)網(wǎng)湖北省檢修公司，湖北 武漢 430070；3.國(guó)網(wǎng)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(xué)研究有限公司，湖北 武漢 430070）

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）因其占地面積小、運(yùn)行可靠性高、檢修周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于變電站內(nèi)。盆式絕緣子作為保障母線對(duì)地或相間絕緣及氣體密封性的關(guān)鍵部件，一旦發(fā)生開裂漏氣缺陷需進(jìn)行更換時(shí)，會(huì)引起其它間隔或母線停電，大大降低了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)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(duì)保障電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行至關(guān)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(yùn)維人員發(fā)現(xiàn)某變電站252 kV GIS某間隔隔離開關(guān)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(duì)站內(nèi)252 kV GIS 設(shè)備進(jìn)行隱患排查，共發(fā)現(xiàn)涉及7 個(gè)間隔15 個(gè)盆式絕緣子共計(jì)19處裂紋，其中1處裂紋存在SF6氣體泄漏現(xiàn)象；所有開裂設(shè)備型號(hào)均為同一廠家的ZF9-252型組合電器，分兩期投運(yùn)，一期設(shè)備2006年投運(yùn)，二期設(shè)備2008年投運(yùn)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)排查情況，15個(gè)異常盆式絕緣子中，除1個(gè)盆式絕緣子處于一期工程外，其余14個(gè)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(jī)構(gòu)安裝板附近。所有裂紋均位于母線與隔離開關(guān)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(shè)備主要區(qū)別在于跨接片連接方式與螺栓墊片形式不同，一期設(shè)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(shè)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(shè)備的對(duì)比如圖2所示。

圖2 一、二期設(shè)備對(duì)比Fig.2 Equipment comparison chart

1.2 解體檢查情況

1.2.1 盆式絕緣子結(jié)構(gòu)

該站252 kV GIS 盆式絕緣子為不帶金屬法蘭結(jié)構(gòu)。盆式絕緣子法蘭上共有12 個(gè)螺孔，孔內(nèi)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(gè)孔為通孔，對(duì)稱分布，內(nèi)部無金屬螺紋，用于安裝過程中對(duì)孔定位；10 個(gè)孔為半螺紋孔結(jié)構(gòu)，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(jié)果如圖3所示。

圖3 盆式絕緣子螺孔分布及結(jié)構(gòu)Fig.3 Distribution and structure of screw holes

1.2.2 盆式絕緣子檢查

2021 年1 月，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)隔離開關(guān)氣室盆式絕緣子進(jìn)行解體檢修，對(duì)開裂盆式絕緣子進(jìn)行了拆除、更換。檢查發(fā)現(xiàn)，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(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，二期設(shè)備跨接片位置的直連螺桿、防雨帽外部普遍存在銹蝕現(xiàn)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(chǎn)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(nèi)部情況Fig.6 Internal condition of rain cap

2 開裂檢測(cè)試驗(yàn)

由于盆式絕緣子開裂通常發(fā)生在冬季，推測(cè)盆式絕緣子因進(jìn)水結(jié)冰膨脹撐裂，為進(jìn)一步驗(yàn)證開裂原因，對(duì)開裂盆式絕緣子進(jìn)行多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

2.1 X射線檢測(cè)

對(duì)開裂盆式絕緣子進(jìn)行X射線檢測(cè)，裂紋兩端（即裂紋位于螺栓孔的端點(diǎn)及裂紋位于密封槽的端點(diǎn)）及盆式絕緣子其他位置均未見氣孔或夾雜，制造質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)《DL/T1424-2015 電網(wǎng)金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》的要求，初步排除裂紋的產(chǎn)生由制造缺陷而導(dǎo)致，X射線檢測(cè)圖如圖7所示。

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

2.2 低溫實(shí)驗(yàn)

將盆式絕緣子放在恒濕恒溫箱內(nèi)，對(duì)盆式絕緣子開展低溫實(shí)驗(yàn)，如圖8 所示。恒濕恒溫箱通過調(diào)節(jié)溫濕度來模擬盆式絕緣子戶外實(shí)際運(yùn)行環(huán)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(shí)驗(yàn)Fig.8 Low temperature experiment

2.3 通孔內(nèi)注水冰凍模擬實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證盆式絕緣子孔內(nèi)積水、結(jié)冰，誘發(fā)裂紋的可能性，于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了盆式絕緣子通孔內(nèi)注水冰凍模擬試驗(yàn)。對(duì)開裂盆式絕緣子按安裝工藝要求裝配，在未開裂的通孔內(nèi)注滿4 ml水，與低溫實(shí)驗(yàn)同步開展。實(shí)驗(yàn)過程中，結(jié)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(nèi)注水冰凍模擬實(shí)驗(yàn)Fig.9 Water injection freezing simulation experiment

模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)，通孔開裂（廠家工藝力矩為90 Nm）。采用微米放大鏡進(jìn)行檢查，通孔內(nèi)表面可見明顯微裂紋，判斷由結(jié)冰膨脹擠壓造成，證明了在低溫、螺孔進(jìn)水結(jié)冰的情況下，會(huì)導(dǎo)致盆式絕緣子機(jī)械強(qiáng)度降低，發(fā)生開裂。實(shí)驗(yàn)情況如圖10所示。

圖10 通孔內(nèi)注水冰凍模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Experimental results of water injection freezing simulation

2.4 絕緣材質(zhì)性能實(shí)驗(yàn)

對(duì)開裂盆式絕緣子開展彎曲強(qiáng)度、擺錘沖擊強(qiáng)度、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等材質(zhì)性能實(shí)驗(yàn)。取5個(gè)位置試樣進(jìn)行檢測(cè)，包括法蘭周邊4 個(gè)試樣、中間金屬嵌件位置1個(gè)試樣，如圖11所示。

圖11 開裂盆式絕緣子材質(zhì)性能實(shí)驗(yàn)取樣位置Fig.11 Sampling position of material performance test

2.4.1 彎曲強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

根據(jù)《NB/T 42105-2016 高壓交流氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備用盆式絕緣子》相關(guān)規(guī)定要求，彎曲強(qiáng)度應(yīng)大于等于100 MPa，各試樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均合格。

2.4.2 沖擊強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

根據(jù)《GB/T 1043.1-200 簡(jiǎn)支梁沖擊性能的測(cè)定》中的試驗(yàn)方法，對(duì)盆式絕緣子的5 個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行沖擊強(qiáng)度的檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表1 彎曲強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Comparison of 35 kV reactor switching test results

表2 沖擊強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Comparison of 35 kV reactor switching test results

根據(jù)《NB/T 42105-2016 高壓交流氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備用盆式絕緣子》相關(guān)規(guī)定要求，沖擊強(qiáng)度應(yīng)≥10 kJ/m2，試樣的平均實(shí)驗(yàn)結(jié)果合格。

2.4.3 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度實(shí)驗(yàn)

根據(jù)《GB/T 19466.2-2004 塑料差示掃描量熱法（DSC）》中的測(cè)定方法，對(duì)盆式絕緣子的5個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行玻璃化轉(zhuǎn)變溫度測(cè)定，檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 玻璃化溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Comparison of 35 kV reactor switching test results

根據(jù)《NB/T 42105-2016 高壓交流氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備用盆式絕緣子》相關(guān)規(guī)定要求，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度應(yīng)≥105 ℃。從檢測(cè)結(jié)果可以看出，1 至4 號(hào)試樣的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度均低于標(biāo)準(zhǔn)要求，以上試樣處于盆式絕緣子法蘭周邊，其運(yùn)行環(huán)境為SF6氣體外；5 號(hào)試樣的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，其運(yùn)行環(huán)境為SF6氣體內(nèi)。

2.4.4 螺栓應(yīng)力超聲波檢測(cè)

根據(jù)聲彈性理論原理，測(cè)量盆式絕緣子各螺栓的軸向拉力，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)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(jìn)行螺栓軸向拉力檢測(cè)，其測(cè)點(diǎn)檢測(cè)示意圖如圖12所示。

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

其檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

表4 盆式絕緣子螺栓軸向拉力檢測(cè)結(jié)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(guān)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(shù)，ρ為螺旋副的當(dāng)量摩擦角，R為螺母承力面外半徑，r為螺母承力面內(nèi)半徑。

若不考慮法蘭、跨接片、機(jī)構(gòu)安裝板等不同位置摩擦系數(shù)的差異，螺栓軸向拉力P與螺栓緊固力矩M成正比，該項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果可用于評(píng)估螺栓緊固力矩的分布規(guī)律。

根據(jù)盆式絕緣子螺栓軸向拉力檢測(cè)結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)：

1）檢測(cè)結(jié)果差異較大，螺栓軸向拉力最小值僅為40.1 kN，最大值達(dá)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(gè)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查情況、省內(nèi)外運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)、相關(guān)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，判斷該252 kV GIS 盆式絕緣子出現(xiàn)集中性開裂主要由以下原因引起：

1）盆式絕緣子防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝不合理。

通過解體檢查可以看出，盆式絕緣子防水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝不合理，易導(dǎo)致螺孔內(nèi)積水、結(jié)冰。該型號(hào)產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)安裝板均未涂覆防水密封膠，在長(zhǎng)期戶外運(yùn)行環(huán)境影響和不同材質(zhì)熱膨脹系數(shù)不一致的影響下，跨接片、防雨帽、機(jī)構(gòu)安裝板、法蘭之間，貼合緊密度下降，出現(xiàn)縫隙。此外，防雨帽內(nèi)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(nèi)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(nèi)部積水，侵蝕盆式絕緣子，甚至在低溫環(huán)境下結(jié)冰膨脹，自內(nèi)而外擠壓盆式絕緣子螺孔，導(dǎo)致盆式絕緣子開裂。

2）盆式絕緣子無金屬法蘭保護(hù)，戶外長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后外圈材質(zhì)性能裂化。

通過實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，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(nèi)）的絕緣材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度檢測(cè)差別巨大。經(jīng)過12年戶外運(yùn)行后，盆式絕緣子外圈主體材料的主要熱轉(zhuǎn)變行為發(fā)生明顯變化，玻璃化溫度下降，低于標(biāo)準(zhǔn)要求7.8 ℃。

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是指材料由高彈態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)所對(duì)應(yīng)的溫度，是非晶態(tài)高分子材料固有的性質(zhì)，是高分子運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)變的宏觀體現(xiàn)，直接影響到材料的使用性能和工藝性能。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度下降后，絕緣件機(jī)械強(qiáng)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(dǎo)致應(yīng)力集中。

盆式絕緣子、跨界片、機(jī)構(gòu)安裝板均在廠內(nèi)總裝車間裝配，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，螺栓未正確執(zhí)行力矩預(yù)緊，力矩分布不均勻，造成盆式絕緣子部分位置應(yīng)力集中。此外，預(yù)緊力越大，應(yīng)力越大，在溫度變化時(shí)，螺栓孔處還將產(chǎn)生附加的疲勞載荷。安裝時(shí)的預(yù)緊力及溫度變化時(shí)的熱應(yīng)力產(chǎn)生的合應(yīng)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(yīng)力集中效應(yīng)）的抗拉強(qiáng)度限值。

以上3 點(diǎn)原因共同導(dǎo)致了盆式絕緣子裂紋的產(chǎn)生，特別是對(duì)于內(nèi)部無金屬螺紋嵌件加固的通孔，影響更為明顯。裂紋一旦產(chǎn)生將會(huì)加劇應(yīng)力集中效應(yīng)，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，裂紋將逐步擴(kuò)展，發(fā)展至內(nèi)部密封槽位置后，將導(dǎo)致設(shè)備漏氣。

4 建議

根據(jù)盆式絕緣子相關(guān)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，以及開裂原因分析結(jié)果，現(xiàn)提出以下幾點(diǎn)建議：

1）組織主流組合電器生產(chǎn)廠商，研討形成統(tǒng)一的盆式絕緣子規(guī)范化防水密封設(shè)計(jì)與工藝。

2）對(duì)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(zhǎng)時(shí)間影響下出現(xiàn)老化、裂化問題。建議采用帶金屬法蘭的盆式絕緣子對(duì)盆式絕緣子進(jìn)行保護(hù)。

3）對(duì)于新建戶外組合電器，如需采用跨接片，戶外GIS 罐體上應(yīng)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(duì)接面等位置的螺栓緊固順序與扭矩應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行廠家工藝文件標(biāo)準(zhǔn)要求，采用力矩扳手等可控工具，避免螺栓預(yù)緊力超標(biāo)。

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