閆亞剛 劉璐 楊衛(wèi)國(guó) 姚偉 包聯(lián)霜 李忠富

摘 要：運(yùn)行電站反饋結(jié)果顯示，某隔離接地開(kāi)關(guān)觀察窗有裂紋。通過(guò)人、機(jī)、料、法、環(huán)等5個(gè)方面進(jìn)行綜合分析，筆者發(fā)現(xiàn)觀察窗組裝工器具的使用和極限尺寸導(dǎo)致的應(yīng)力集中是造成觀察窗裂紋的原因，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了分析結(jié)果。研究表明，對(duì)觀察窗進(jìn)行設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，可以提高有機(jī)玻璃板強(qiáng)度，減小凸臺(tái)應(yīng)力聚集，進(jìn)一步確保設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：觀察窗;有機(jī)玻璃板;工器具;受力分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TM595 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）09-0050-04

Abstract： The feedback results of the operating power station showed that there was a crack in the observation window of a certain isolation grounding switch. Through a comprehensive analysis of five aspects， including man， machine， material， method and ring， the author found that the use of observation window assembly tools and the stress concentration caused by the limit size were the causes of the observation window cracks， and the analysis results were further verified through experiments. Studies have shown that optimizing the design and structure of the observation window can increase the strength of the plexiglass panel， reduce the stress accumulation of the boss， and further ensure the safe and stable operation of the equipment.

Keywords： observation window;plexiglass panel;tools and instruments;force analysis

氣體絕緣全封閉組合電器（Gas Insulated Substation，GIS）是指把斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、電壓互感器、電流互感器、母線(xiàn)、套管等按電氣主接線(xiàn)的要求，依次連接組合成一個(gè)整體，并且全部封閉于接地的金屬外殼內(nèi)，殼體內(nèi)一般充以0.4～0.6 MPa的絕緣氣體，通常以SF6氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì)。GIS具有結(jié)構(gòu)小型化、安全性好、不受外部環(huán)境影響、安裝周期短、檢修周期長(zhǎng)、安裝調(diào)試容易和滅弧性能優(yōu)秀等特點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，特別是在110 kV及以上的電力系統(tǒng)中，GIS設(shè)備已占主導(dǎo)地位。同時(shí)，GIS零部件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且對(duì)尺寸配合、工藝實(shí)施要求較高，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中難免出現(xiàn)一些問(wèn)題。近期，某電站反饋220 kV GIS隔離、接地開(kāi)關(guān)動(dòng)靜觸頭的觀察窗出現(xiàn)不同程度的裂紋現(xiàn)象，但未發(fā)生漏氣。GIS內(nèi)部充入高壓力的絕緣氣體，一旦觀察窗發(fā)生爆破事故，就會(huì)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行和設(shè)備本身造成重大損失，因此要對(duì)此進(jìn)行研究分析，改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行。

1 觀察窗結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

隔離、接地開(kāi)關(guān)的動(dòng)靜觸頭位于金屬殼體內(nèi)，外部無(wú)法直接觀察到其分合閘狀態(tài)，因此多數(shù)廠家會(huì)在動(dòng)靜觸頭處設(shè)置觀察窗，以便運(yùn)行人員進(jìn)一步確認(rèn)隔離、接地開(kāi)關(guān)的分合閘情況。觀察窗主要由緩沖墊、有機(jī)玻璃板、壓板、緊固螺栓和密封圈組成。有機(jī)玻璃板由壓板固定，用螺栓緊固。密封圈用于密封絕緣氣體。緩沖墊放置于有機(jī)玻璃板與壓板之間，起到緩沖壓力作用，以防止壓板壓力直接作用于有機(jī)玻璃板，導(dǎo)致其破裂，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 觀察窗裂紋原因分析

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的隔離、接地開(kāi)關(guān)觀察窗裂紋事件（見(jiàn)圖2），下面將從人、機(jī)、料、法、環(huán)等5個(gè)方面進(jìn)行綜合分析。具體來(lái)說(shuō)，涉及6種因素，即人員技能、工器具使用、原材料質(zhì)量、裝配工藝過(guò)程、關(guān)鍵零部件尺寸和環(huán)境影響。

2.1 人員技能

經(jīng)調(diào)查，裝配人員參與裝配知識(shí)培訓(xùn)并考試合格后才可以上崗進(jìn)行裝配作業(yè)，裝配班組采用導(dǎo)師帶徒的模式進(jìn)行小組裝配作業(yè)，以便新員工快速掌握裝配技能和積累經(jīng)驗(yàn)。在日常工作中，車(chē)間工藝室定期對(duì)裝配員工進(jìn)行工藝流程指導(dǎo)及質(zhì)量文件培訓(xùn)，提高員工的裝配能力及質(zhì)量意識(shí)，可有效保證觀察窗的組裝質(zhì)量。因此，觀察窗產(chǎn)生裂紋的原因可以排除人員技能因素。

2.2 工器具使用

觀察窗有機(jī)玻璃板裝配緊固螺栓時(shí)用電動(dòng)扳手，此處使用M8 mm的緊固螺栓，力矩要求為16 N·m。如果電動(dòng)扳手擋位選擇不當(dāng)或緊固時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，就會(huì)導(dǎo)致部分觀察窗裝配完成后螺栓力矩過(guò)大，可達(dá)到約30 N·m，廠內(nèi)檢查發(fā)現(xiàn)，個(gè)別觀察窗有機(jī)玻璃板出現(xiàn)細(xì)小裂紋。為進(jìn)一步驗(yàn)證使用電動(dòng)扳手時(shí)力矩過(guò)大對(duì)觀察窗的影響，調(diào)查人員在廠內(nèi)用電動(dòng)扳手選擇大扭矩?fù)跷缓烷L(zhǎng)時(shí)間緊固，發(fā)現(xiàn)個(gè)別觀察窗出現(xiàn)裂紋。隨后改用手動(dòng)扳手按要求的力矩緊固螺栓，未發(fā)現(xiàn)觀察窗有裂紋。因此，工器具使用不當(dāng)，造成M8 mm螺栓力矩偏大，是可能導(dǎo)致觀察窗有機(jī)玻璃板產(chǎn)生微裂紋的因素。

2.3 原材料質(zhì)量

追溯該GIS產(chǎn)品采用的有機(jī)玻璃板生產(chǎn)廠家批次和原材料供貨質(zhì)量檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各批次質(zhì)量檢測(cè)合格。有機(jī)玻璃板廠家提供未成型板材給GIS廠家，隨后GIS廠家進(jìn)一步將其加工成型。因此，觀察窗有機(jī)玻璃板產(chǎn)生裂紋的原因排除原材料及批次質(zhì)量因素。

2.4 裝配工藝過(guò)程

在正常作業(yè)中，觀察窗裝配有嚴(yán)格的工藝要求。首先將有機(jī)玻璃板及壓蓋用酒精擦拭干凈，處理觀察窗處密封面并安裝涂有硅脂的密封圈，將墊圈、有機(jī)玻璃板放到觀察窗蓋的槽中，然后用6個(gè)M8 mm的六角螺栓、彈墊和平墊對(duì)角緊固觀察窗，并校核力矩值（要求16 N·m），合格后做力矩標(biāo)識(shí)。

在裝配過(guò)程中，使用酒精清擦有機(jī)玻璃板，在現(xiàn)場(chǎng)安裝補(bǔ)漆時(shí)，觀察窗有機(jī)玻璃板有可能接觸丙酮。為驗(yàn)證酒精及丙酮清擦是否會(huì)產(chǎn)生有機(jī)玻璃板溶脹，從而導(dǎo)致微裂紋產(chǎn)生，下面對(duì)有機(jī)玻璃板進(jìn)行酒精及丙酮清擦工藝驗(yàn)證試驗(yàn)。驗(yàn)證方法如下：裝配前分別用酒精和丙酮擦拭2件有機(jī)玻璃板，其余步驟按照裝配工藝文件執(zhí)行，裝配完畢靜置48 h后解體觀察，對(duì)比檢查有機(jī)玻璃板是否產(chǎn)生微裂紋。驗(yàn)證結(jié)果顯示，有機(jī)玻璃板用酒精或丙酮擦拭，裝配后靜置48 h，有機(jī)玻璃板均表面完好，未出現(xiàn)異常，可見(jiàn)酒精或丙酮短期內(nèi)不會(huì)對(duì)有機(jī)玻璃板產(chǎn)生影響。因此，有機(jī)玻璃板產(chǎn)生裂紋的原因可以排除裝配工藝因素。

2.5 關(guān)鍵零部件尺寸

2.5.1 有機(jī)玻璃板受力分析。觀察窗的有機(jī)玻璃板是以無(wú)色透明工業(yè)板材（以甲基丙烯酸甲酯為原料聚合而成）為基礎(chǔ)加工成型的。根據(jù)有機(jī)玻璃板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，下面進(jìn)行建模和受力分析。應(yīng)力最大處是有機(jī)玻璃板凸起圓臺(tái)的連接處，應(yīng)力朝層間方向，厚度方向分量較小，如圖3所示。

2.5.2 零部件尺寸公差配合影響分析。觀察窗密封絕緣氣體通過(guò)壓板強(qiáng)壓緩沖墊，作用到有機(jī)玻璃板上，考慮各零部件公差配合積累，極限情況下緩沖墊最大壓縮量為1.5 mm，最小壓縮量為0.8 mm（理論壓縮量1 mm）。壓縮量偏大時(shí)，緩沖墊的回彈力增大，有機(jī)玻璃板承受的壓力增大，易發(fā)生裂紋位置如圖4所示。

為驗(yàn)證緩沖墊壓縮量及凸臺(tái)圓角對(duì)有機(jī)玻璃板裂紋的影響，本研究選取緩沖墊產(chǎn)生最大壓縮量零部件及凸臺(tái)圓角較小的有機(jī)玻璃板進(jìn)行裝配，通過(guò)極限冷熱循環(huán)試驗(yàn)，模擬溫度變化對(duì)有機(jī)玻璃板受力的影響，試驗(yàn)后觀察有機(jī)玻璃板狀態(tài)。試驗(yàn)方法如下：按緩沖墊最大壓縮量挑選零部件裝配5組觀察窗，裝于試驗(yàn)蓋板和筒體上，筒體內(nèi)充SF6氣體0.5 MPa，進(jìn)行兩組試驗(yàn)，其中一組試驗(yàn)溫度為高溫115 ℃到低溫-40 ℃，另一組試驗(yàn)溫度為高溫75 ℃到低溫-40 ℃，各進(jìn)行5輪冷熱循環(huán)試驗(yàn)，溫度變化曲線(xiàn)如圖5所示，試驗(yàn)姿態(tài)如圖6所示。

5輪115～-40 ℃極限試驗(yàn)的結(jié)果如下：在環(huán)境溫度超過(guò)有機(jī)玻璃板材料熱變形溫度（100 ℃左右）時(shí)，有機(jī)玻璃板SF6高壓側(cè)產(chǎn)生嚴(yán)重凹陷，空氣側(cè)嚴(yán)重凸起，圓臺(tái)根部產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，材料拉伸變形情況下產(chǎn)生裂紋，有機(jī)玻璃板與密封圈接觸部位凹陷，如圖7所示。5輪75～-40 ℃極限試驗(yàn)的結(jié)果如下：有機(jī)玻璃板與金屬接觸部分有輕微壓痕，個(gè)別在圓臺(tái)根部產(chǎn)生微小裂紋。綜上，嚴(yán)重變形的拉伸作用驗(yàn)證了有機(jī)玻璃板的應(yīng)力集中部位是凸臺(tái)根部，驗(yàn)證了微裂紋沿層間方向擴(kuò)散，驗(yàn)證了受力分析結(jié)果。因此，凸臺(tái)倒角偏小，同時(shí)零部件尺寸達(dá)到極限公差，使緩沖墊壓縮量變大，有機(jī)玻璃板所受壓緊力變大，凸臺(tái)倒角處在溫差變化中易積聚應(yīng)力，可能導(dǎo)致有機(jī)玻璃板產(chǎn)生裂紋[1-3]。

2.6 環(huán)境影響

該觀察窗結(jié)構(gòu)自1990年開(kāi)始使用，至今約有30萬(wàn)套觀察窗在全球范圍內(nèi)掛網(wǎng)運(yùn)行。氣候區(qū)域包括熱帶、亞熱帶、暖溫帶、中溫帶及寒溫帶。目前反饋的有裂紋的電站分布未見(jiàn)明顯的區(qū)域特點(diǎn)。為進(jìn)一步驗(yàn)證溫差大等環(huán)境因素影響，本研究對(duì)觀察窗進(jìn)行了高溫后的快速冷卻試驗(yàn)，如圖8所示。試驗(yàn)方法如下：將觀察窗裝配加熱到80 ℃，保溫3 h，迅速用20 ℃水沖淋，同批試品進(jìn)行3輪試驗(yàn)，使有機(jī)玻璃板受到激冷作用，激冷結(jié)束后對(duì)比檢查有機(jī)玻璃板是否產(chǎn)生裂紋。驗(yàn)證結(jié)果表明，有機(jī)玻璃板未產(chǎn)生裂紋。因此，排除環(huán)境高溫及驟變對(duì)觀察窗產(chǎn)生裂紋的影響。

2.7 有機(jī)玻璃板裂紋強(qiáng)度驗(yàn)證試驗(yàn)

將現(xiàn)場(chǎng)拆解下來(lái)有裂紋的有機(jī)玻璃板進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)量檢測(cè)，結(jié)果顯示合格。對(duì)15件有機(jī)玻璃板進(jìn)行著色試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，8件有輕微壓痕，2件層間有微裂紋，5件厚度方向存在微裂紋，深度約為2 mm。

挑選5件厚度方向有裂紋的有機(jī)玻璃板進(jìn)行破壞壓力試驗(yàn)，按GIS殼體的破壞壓力進(jìn)行破壞壓力試驗(yàn)，壓力值為1.80 MPa，保壓30 min，未見(jiàn)異常。保壓完成后繼續(xù)加壓，壓力為2.30 MPa時(shí)，殼體下端工裝蓋板變形漏水，觀察窗有機(jī)玻璃板無(wú)異常。因此，現(xiàn)場(chǎng)返回的有機(jī)玻璃板硬度檢測(cè)合格，在厚度方向有少量非貫穿性裂紋。壓力破壞試驗(yàn)證明，即使有機(jī)玻璃板出現(xiàn)少量非貫穿性裂紋，其強(qiáng)度仍能滿(mǎn)足設(shè)備安全運(yùn)行要求。

2.8 原因小結(jié)

綜上所述，造成觀察窗微裂紋的主要原因有兩點(diǎn)：一是工器具使用不當(dāng)，導(dǎo)致觀察窗在裝配過(guò)程中M8 mm螺栓緊固力矩偏大;二是若零部件尺寸達(dá)到極限公差，使緩沖墊壓縮量變大，則有機(jī)玻璃板所受壓緊力變大，有機(jī)玻璃板凸臺(tái)倒角偏小，其易因應(yīng)力積聚而產(chǎn)生裂紋。

3 觀察窗結(jié)構(gòu)改進(jìn)及驗(yàn)證

3.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

下面對(duì)觀察窗進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，將有機(jī)玻璃板凸臺(tái)高度降低，提高強(qiáng)度，加大凸臺(tái)根部圓角過(guò)渡，降低應(yīng)力積聚。裝配時(shí)將凸臺(tái)朝向氣室內(nèi)部，加工面可使密封效果更好。改進(jìn)后，有機(jī)玻璃板內(nèi)應(yīng)力降低30%，強(qiáng)度增加25%。外部增加保護(hù)蓋，進(jìn)一步改善有機(jī)玻璃板的使用環(huán)境[4-5]。改進(jìn)后結(jié)構(gòu)觀察窗裝配示意圖如圖9所示。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

下面針對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行與2.5.2小節(jié)相同的驗(yàn)證試驗(yàn)。115～-40 ℃試驗(yàn)結(jié)束后，有機(jī)玻璃板同樣產(chǎn)生熱變形，密封圈同樣因回彈力作用使有機(jī)玻璃板變形，但未見(jiàn)明顯裂紋。75～-40 ℃試驗(yàn)結(jié)束后，有機(jī)玻璃未出現(xiàn)微裂紋及壓痕。

4 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)觀察窗有機(jī)玻璃板裂紋，本文從人、機(jī)、料、法、環(huán)等5個(gè)方面進(jìn)行綜合分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，工器具使用不當(dāng)和極限尺寸情況下應(yīng)力積聚是造成觀察窗有機(jī)玻璃板裂紋的主要原因。裂紋沿層間方向無(wú)貫穿性，不影響密封性能及整體強(qiáng)度。后續(xù)電站巡檢時(shí)可定期觀察，如有檢修計(jì)劃時(shí)可進(jìn)行升級(jí)改造。同時(shí)，制造廠應(yīng)舉一反三，排查類(lèi)似結(jié)構(gòu)有無(wú)同樣問(wèn)題隱患，及時(shí)改進(jìn)，確保設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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