高 洋,陳 宇,王 意,趙俊卿

(新東北電氣集團高壓開關(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荷電流,同時也能夠關(guān)合,并在規(guī)定時間內(nèi)承載和開斷異?；芈窏l件(如短路條件、失步條件)下的故障電流的機械開關(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,以達到削弱電磁振蕩、限制過電壓的目的［4］。合閘電阻工作時流過的電流較小(500～1600 A),而且持續(xù)時間較短,因此設(shè)備廠家設(shè)計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)強度等因素的影響較大。同時,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］?，F(xiàn)階段,國內(nèi)外關(guān)于斷路器合閘電阻設(shè)計的文獻較少［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等多項工作,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行機械特性測試時,發(fā)現(xiàn)C相合閘電阻及預(yù)投入時間測試結(jié)果異常,此時斷路器操作總次數(shù)約400次。

對返廠的故障斷路器C相進行開蓋檢查,發(fā)現(xiàn)罐內(nèi)一個斷口的合閘電阻動觸頭掉落,2個M12螺栓脫落,另外2個螺栓斷裂,4個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 螺栓試驗檢測

2.1 宏觀檢測

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

在體視顯微鏡下對2個斷裂螺栓進行斷口宏觀分析,結(jié)果表明:斷裂螺栓的斷口形貌可分為裂紋源區(qū)、疲勞擴展區(qū)和最后瞬斷區(qū)3個區(qū)域［17-18］,螺栓宏觀斷裂機制為疲勞斷裂,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個螺栓強度等級均為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列出國家標準GB/T 3077—2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》中對20MnTiB低合金鋼的化學(xué)成分標準要求和斷裂螺栓化學(xué)成分分析結(jié)果,檢測結(jié)果符合標準要求。

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個螺栓硬度進行檢測,結(jié)果列于表2中。2個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)果符合標準要求。

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,對2個斷裂螺栓螺紋的表面脫碳情況和脫碳層深度進行檢查,見圖5。經(jīng)過測量,2個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個螺栓斷面進行微觀檢測,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,硬度值符合國家標準的要求,排除螺栓本身存在制造缺陷的可能。

3 合閘電阻運動特性仿真分析

3.1 合閘過程最大沖擊力計算

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)。斷路器操動機構(gòu)操動主斷口與電阻斷口同步合閘、分閘運動。電阻斷口的開距短于主斷口,實現(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。

此種結(jié)構(gòu)電阻動觸頭側(cè)設(shè)計方式采用懸臂梁結(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測合閘時間-行程曲線為邊界條件,采用ADAMS多體動力學(xué)軟件對電阻斷口進行建模分析,見圖7。通過仿真計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)強度是否滿足設(shè)計要求,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。

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

圖9 電阻斷口計算模型

根據(jù)行業(yè)標準,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個載荷步進行計算。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10.9級螺栓仿真計算等效應(yīng)力值均小于材料屈服強度749 MPa［19］,滿足材料強度要求。

誘發(fā)螺栓發(fā)生疲勞斷裂的原因大致有2個方面［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)仿真計算結(jié)果分析表明:電阻斷口螺栓連接結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足強度要求,排除制造缺陷和結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理等方面因素。

4 真型樣機試驗

為進一步驗證斷路器合閘電阻斷口設(shè)計結(jié)構(gòu)的合理性,同步驗證裝配過程中緊固不良對螺栓松動的影響,利用真型樣機對合閘電阻緊固螺釘在不同緊固方式下進行機械操作試驗。

真型樣機采用3種不同螺栓緊固方式分別進行機械操作試驗,除采用不同螺栓緊固方式外真型樣機的結(jié)構(gòu)及外界條件每次試驗均保持一致。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真型樣機試驗結(jié)果

將4個M12螺栓按照緊固工藝要求55 N·m力矩值進行緊固,但是4個螺栓表面均不涂抹鎖緊劑進行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真型樣機試驗結(jié)果

將4個M12螺栓按照40 N·m力矩值進行緊固,4個螺栓表面均涂抹鎖緊劑進行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真型樣機試驗結(jié)果

將4個M12螺栓按照40 N·m力矩值進行緊固,4個螺栓表面均不涂抹鎖緊劑進行操作。操作至200次,開蓋檢查發(fā)現(xiàn)其中1個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個螺釘均存在不同程度的松動情況。具體試驗結(jié)果見圖11。

圖11 試驗結(jié)果

上述3種螺栓緊固方式可以驗證說明如下。

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。

綜合上述各項檢測、仿真計算和真型樣機試驗表明:造成本次斷路器合閘電阻故障的原因為電阻觸頭螺栓在裝配時未按照工藝要求的力矩值進行緊固,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,硬度值符合國家標準要求,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)進行有限元分析計算,4個10.9級螺栓的等效應(yīng)力值均小于材料屈服強度,并具有較大安全裕度,滿足材料強度要求。

c.通過對比3種不同螺栓緊固方式試驗結(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作用。