GIS设备中CT接线座开裂失效分析

周延科，张素慧，李 军，张兆钰，赵朝友

(1.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃电力科学研究院技术中心有限公司，甘肃 兰州 730070)

0 引言

气体绝缘金属封闭开关设备(gas-insulated switchgear，GIS)简称为“SF6组合电器”，具备可靠性高、占地面积小、噪声低和损耗低等优点，被广泛应用于电力系统当中。它将断路器、快速接地开关、互感器、母线等多种高压电器组合封闭在具有一定压力的SF6气体的接地金属壳体内[1-3]。上述高压电器分别处于不同的气室中，各气室具有不同的气体压力。CT接线座在其中起到分割气室、连接两侧电气元件的作用，同时方便各元件的检修，具有十分重要的作用[4-5]。下面对一起GIS设备中CT接线座开裂失效进行分析。某换流站通过监控后台巡视跟踪记录发现，750 kV GIS中有一CT气室压力每日下降约0.05 MPa，补气后持续观察检测，气室压力仍持续降低，故对该气室CT接线座开展相关分析。

1 接线座概况及开裂分析

1.1 概况

该接线座于2017-06-23正式投运，2021-11-06发现漏气情况，2021-11-08检查时发现裂纹。接线座实物如图1所示，平面为CT侧，凸面为非CT侧，外缘有12个螺纹孔。CT侧有三圈等距浇铸的黄色铜制柱式螺纹接线端子，数量由内向外每圈分别为1，8，15个；非CT侧最外圈有15个接线端子，沿着凸起的边缘逆时针排列，依次为A1～A5，B1～B5，C1～C5，中间两圈接线端子与CT侧数量相同，位置对应。

图1 接线座实物

1.2 宏观检查

通过对该接线座进行宏观检查，发现其凸面侧存在总长约为30 cm的裂纹，裂纹位于凸起部分边缘的转折处，分为2段，其中长裂纹在位于A1到B1接线端子之间，开口较宽；短裂纹位于C5到A1接线端子之间，裂纹开口较小，肉眼观察不明显。为判断是否存在其他裂纹，故进一步进行渗透检测。

1.3 渗透检测

对接线座两面进行渗透检测，如图2所示。从图2 (a)可知，凸面侧存在2条裂纹，形貌及长度和宏观检查结果基本相同，长度分别为240 mm和60 mm，短裂纹经渗透检测后明显可见，其他位置未发现裂纹。对平面侧表面进行渗透检测，在内侧密封圈位置发现两条长度不一的裂纹，其长度分别约为20 mm和8 mm，两条裂纹未贯通，端部相距约为20 mm，如图2 (b)所示。

图2 裂纹渗透检测结果

从渗透检测结果可知，裂纹具有贯穿性，由于两侧气室压力不同，导致一侧气室的SF6气体向另一气室泄露。

1.4 断裂面检查

为进一步观察接线座内部缺陷情况，将接线座从A4接线端子边缘截取一段。截取部位非CT侧为贯穿性裂纹，CT侧则为非贯穿性裂纹。观察可知，接线座内部嵌有方形导电片和六角螺帽，两者在结构设计上存在突变。此外，方形导电片和六角螺帽周围出现渗透液回渗现象，说明金属嵌件与环氧树脂之间存在缝隙。方形导电片和六角螺帽周围可观察到多处细小裂纹，整个断面与接线座轴线夹角约为30°。

观察接线座方形导电片和六角螺帽微观形貌，金属嵌件与环氧树脂接触面凹凸不平，且存在细小裂纹，裂纹方向与接线端子轴向平行或呈45°夹角。除此之外，接触面上存在较多黑色或黄色斑点、色泽较深。

1.5 受力计算

按厂商提供的数据，该接线座周边紧固螺栓的紧固力矩为25 Nm，通过螺栓预紧力计算公式：

其中，T为拧紧力矩，F为预紧力，d为螺栓直径，k为拧紧力矩系数，此处取0.15。计算可得，接线座单个螺栓孔上所受的垂直预紧力为13.9 kN。为了模拟螺栓紧固过程中最大可能的预紧力，采用M12的螺栓及长度50 cm的扭矩扳手进行模拟试验，当全力拧紧螺栓时，扭矩可达220 Nm。如以力臂长约10 cm的18号普通扳手为例进行折算，可达到的紧固力矩为44 Nm。此时，接线座单个螺栓孔上所受的垂直预紧力为24.4 kN，受力如图3所示，由此证明，在工作人员全力拧紧的前提下，螺栓的预紧力有可能远超厂家规定的标准预紧力(达到其的1.76倍)。

图3 接线座受力示意

断面倾斜角度约为30°，断裂面长度约为31.78 mm，接线座中间螺帽和导电片与树脂材料结合面存在斑点及凹凸不平的连接不紧密特征，此不连续长度约为10.78 mm，造成局部区域承载截面会有减少，树脂材料所承受的应力大幅增加，在过大的预紧力及结构不连续形成应力集中的影响下，使得裂纹在树脂材料应力集中部位萌生并扩展，最终导致贯穿性开裂。

2 接线座开裂原因

1) 造成接线座贯穿性裂纹的主要原因是边缘螺栓孔与接线端子之间座体结构不连续部位承受过大的弯曲应力。

2) 经过模拟试验，螺栓紧固过程中，如采用不当的紧固工具或用力过大，会造成紧固螺栓预紧力超标。

3) 在接线座CT侧腔体内部绝缘气体压力的作用下，会造成接线座结构不连续部位弯曲应力的叠加。

4) 接线座内部金属导电嵌件与树脂材料结合不紧密，存在间隙，会造成承载截面减少和局部应力集中。

5) 在上述综合因素的共同作用下，造成接线座台阶根部、内部嵌件、密封圈槽间形成开裂，引起绝缘气体泄漏。

3 防范措施

1) 在进行接线座安装时，按照厂家规定的标准力矩要求，使用力矩扳手安装，避免出现紧固力超标现象。

2) 按照厂家规定的工艺流程及要求进行CT侧及非CT侧绝缘气体介质的充装，防止接线座两侧产生过大压差。

3) 优化接线座设计及树脂浇铸工艺，避免在接线座内部出现不连续间隙、嵌件尖角等引起应力集中及影响承载截面的情况发生。

4) 加强接线座等设备产品的质量验收工作，防止采用问题产品。

4 结束语

针对SF6组合电器CT接线座开裂进行检查分析检测计算，找出接线座开裂是由于螺栓紧固过程中，采用不当的紧固工具或用力过大，造成紧固螺栓预紧力超标等原因导致的。提出的防范措施可供其他电力用户参考。