文雅欽，吳傳奇，潘章達(dá)，胡 卡，黃衛(wèi)東，楊選超

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430070；2.國網(wǎng)湖北省檢修公司，湖北 武漢 430070；3.國網(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、檢修周期長等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于變電站內(nèi)。盆式絕緣子作為保障母線對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，會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 個間隔15 個盆式絕緣子共計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)場排查情況，15個異常盆式絕緣子中，除1個盆式絕緣子處于一期工程外，其余14個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)備的對比如圖2所示。

圖2 一、二期設(shè)備對比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個孔為通孔，對稱分布，內(nèi)部無金屬螺紋，用于安裝過程中對孔定位；10 個孔為半螺紋孔結(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)場對隔離開關(guān)氣室盆式絕緣子進(jìn)行解體檢修，對開裂盆式絕緣子進(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 開裂檢測試驗

由于盆式絕緣子開裂通常發(fā)生在冬季，推測盆式絕緣子因進(jìn)水結(jié)冰膨脹撐裂，為進(jìn)一步驗證開裂原因，對開裂盆式絕緣子進(jìn)行多項實驗室檢測實驗。

2.1 X射線檢測

對開裂盆式絕緣子進(jìn)行X射線檢測，裂紋兩端（即裂紋位于螺栓孔的端點及裂紋位于密封槽的端點）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射線檢測圖如圖7所示。

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

2.2 低溫實驗

將盆式絕緣子放在恒濕恒溫箱內(nèi)，對盆式絕緣子開展低溫實驗，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驗Fig.8 Low temperature experiment

2.3 通孔內(nèi)注水冰凍模擬實驗

為驗證盆式絕緣子孔內(nèi)積水、結(jié)冰，誘發(fā)裂紋的可能性，于實驗室內(nèi)進(jìn)行了盆式絕緣子通孔內(nèi)注水冰凍模擬試驗。對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，與低溫實驗同步開展。實驗過程中，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)注水冰凍模擬實驗Fig.9 Water injection freezing simulation experiment

模擬實驗結(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，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，會導(dǎo)致盆式絕緣子機(jī)械強(qiáng)度降低，發(fā)生開裂。實驗情況如圖10所示。

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

2.4 絕緣材質(zhì)性能實驗

對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)性能實驗。取5個位置試樣進(jìn)行檢測，包括法蘭周邊4 個試樣、中間金屬嵌件位置1個試樣，如圖11所示。

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

2.4.1 彎曲強(qiáng)度實驗

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，各試樣的實驗結(jié)果均合格。

2.4.2 沖擊強(qiáng)度實驗

根據(jù)《GB/T 1043.1-200 簡支梁沖擊性能的測定》中的試驗方法，對盆式絕緣子的5 個樣點進(jìn)行沖擊強(qiáng)度的檢測，檢測結(jié)果如表2所示。

表1 彎曲強(qiáng)度實驗結(jié)果Table 1 Comparison of 35 kV reactor switching test results

表2 沖擊強(qiáng)度實驗結(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，試樣的平均實驗結(jié)果合格。

2.4.3 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度實驗

根據(jù)《GB/T 19466.2-2004 塑料差示掃描量熱法（DSC）》中的測定方法，對盆式絕緣子的5個樣點進(jìn)行玻璃化轉(zhuǎn)變溫度測定，檢測結(jié)果如表3所示。

表3 玻璃化溫度實驗結(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 ℃。從檢測結(jié)果可以看出，1 至4 號試樣的玻璃化轉(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

根據(jù)聲彈性理論原理，測量盆式絕緣子各螺栓的軸向拉力，現(xiàn)場對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，其測點檢測示意圖如圖12所示。

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

其檢測結(jié)果如表4所示。

表4 盆式絕緣子螺栓軸向拉力檢測結(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，該項檢測結(jié)果可用于評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結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)：

1）檢測結(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)場檢查情況、省內(nèi)外運(yùn)維經(jīng)驗、相關(guān)試驗檢測結(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)計及工藝不合理，易導(dǎo)致螺孔內(nèi)積水、結(jié)冰。該型號產(chǎn)品設(shè)計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)，戶外長時間運(yùn)行后外圈材質(zhì)性能裂化。

通過實驗室檢測實驗結(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，螺栓孔處還將產(chǎn)生附加的疲勞載荷。安裝時的預(yù)緊力及溫度變化時的熱應(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 點原因共同導(dǎo)致了盆式絕緣子裂紋的產(chǎn)生，特別是對于內(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)生將會加劇應(yīng)力集中效應(yīng)，隨著時間的增長，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)試驗檢測結(jié)果，以及開裂原因分析結(jié)果，現(xiàn)提出以下幾點建議：

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)計與工藝。

2）對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、溫差等因素的長時間影響下出現(xiàn)老化、裂化問題。建議采用帶金屬法蘭的盆式絕緣子對盆式絕緣子進(jìn)行保護(hù)。

3）對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。