GIS断路器合闸电阻螺栓断裂分析

高 洋,陈 宇,王 意,赵俊卿

(新东北电气集团高压开关有限公司,辽宁 沈阳 110025)

0 引言

高压交流断路器是能够关合、承载和开断正常回路条件下的负荷电流,同时也能够关合,并在规定时间内承载和开断异常回路条件(如短路条件、失步条件)下的故障电流的机械开关装置［1］。近年来,随着超高压、特高压的快速发展,363 kV及以上线路上断路器装设合闸电阻开关设备被广泛应用［2-3］。其工作原理是利用合闸电阻吸收电网中的部分电能并转化成热能,以达到削弱电磁振荡、限制过电压的目的［4］。合闸电阻工作时流过的电流较小(500～1600 A),而且持续时间较短,因此设备厂家设计采用简单的对接式触头。此类装置的工作可靠性受零部件加工精度、装配工艺、零部件材质强度等因素的影响较大。同时,断路器分合闸操作过程中合闸电阻既要承受合闸冲击力,又要承受交直流混合电压的作用,合闸电阻故障率较高,降低了断路器的安全性［5-14］。现阶段,国内外关于断路器合闸电阻设计的文献较少［15］,因此开展断路器用合闸电阻故障分析对其结构设计及工作可靠性具有重要意义［16］。

本文针对一起GIS设备断路器用合闸电阻动触头紧固螺栓松脱断裂引起的断路器机械特性测试结果异常问题,通过断路器解体检查、断裂螺栓材质检测分析、合闸电阻结构有限元仿真分析和真型试验等多项工作,找出发生故障的主要原因,防止此类事故再次发生。

1 概述

某变电站年度检修期间断路器进行机械特性测试时,发现C相合闸电阻及预投入时间测试结果异常,此时断路器操作总次数约400次。

对返厂的故障断路器C相进行开盖检查,发现罐内一个断口的合闸电阻动触头掉落,2个M12螺栓脱落,另外2个螺栓断裂,4个螺栓螺纹表面均没有涂锁紧剂痕迹,证明产品在装配过程中没有按照装配工艺要求对此处螺栓表面进行涂抹锁紧剂,具体见图1和图2。

图1 断裂的M12螺栓

图2 M12螺栓

2 螺栓试验检测

2.1 宏观检测

首先对4个螺栓进行宏观检测,未断裂螺栓除部分螺纹变形外,无其他明显损伤,另2个螺栓已经完全断裂。4个螺栓的螺纹表面均未发现蓝色锁紧剂残留痕迹,证明这4个螺栓在装配过程中均未涂抹锁紧剂。

在体视显微镜下对2个断裂螺栓进行断口宏观分析,结果表明:断裂螺栓的断口形貌可分为裂纹源区、疲劳扩展区和最后瞬断区3个区域［17-18］,螺栓宏观断裂机制为疲劳断裂,断口宏观形貌如图3所示。

图3 断裂螺栓断口表面

2.2 成分检测

4个螺栓强度等级均为10.9级。其中,断裂螺栓规格为M12,螺栓材料为20MnTiB,属于低合金结构用钢,主要合金元素是C、Si、Mn。表1列出国家标准GB/T 3077—2015《合金结构钢》中对20MnTiB低合金钢的化学成分标准要求和断裂螺栓化学成分分析结果,检测结果符合标准要求。

表1 化学成分检测结果 单位:%

2.3 硬度检测

对断裂的2个螺栓硬度进行检测,结果列于表2中。2个螺栓的显微维氏硬度平均为331～349 HV,不同区域的硬度较为均匀。根据GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》要求,10.9级螺栓的显微维氏硬度要求为320～380 HV,检测结果符合标准要求。

表2 螺栓硬度检测结果 单位:HV

2.4 金相检测

从2个断裂螺栓的金相组织来看,螺栓的热处理工艺应该淬火后回火处理,即调质处理,符合螺栓热处理规范,见图4。同时,对2个断裂螺栓螺纹的表面脱碳情况和脱碳层深度进行检查,见图5。经过测量,2个断裂螺栓的螺纹未脱碳层高度大于外螺纹牙型高度2/3,且螺纹的全脱碳层深度均小于0.015 mm,符合GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》中对于10.9级螺栓的要求。

图4 断裂螺栓金相检测结果

图5 断裂螺栓螺牙检测结果

2.5 扫描电镜检测

对断裂的2个螺栓断面进行微观检测,扫描电镜检测结果见图6。由图6可知,微观形貌为韧窝和撕裂棱,为典型的韧性断裂特征,证明螺栓具有良好的韧性。

图6 扫描电镜检测结果

根据各项检测结果可知,断裂螺栓的化学成分符合要求,金相组织正常,热处理工艺规范,硬度值符合国家标准的要求,排除螺栓本身存在制造缺陷的可能。

3 合闸电阻运动特性仿真分析

3.1 合闸过程最大冲击力计算

断路器合闸电阻置于断路器灭弧室内,合闸电阻与主断口并联。断路器操动机构操动主断口与电阻断口同步合闸、分闸运动。电阻断口的开距短于主断口,实现提前主断口8～11 ms合闸的要求,相比主断口具有先合先分的特点。

此种结构电阻动触头侧设计方式采用悬臂梁结构,动触头与压气缸连接处采用止口连接方式,该设计方式确保电阻断口在合闸过程中动触头与静触头碰撞瞬间产生的较大剪切力不会作用到螺栓上。

以断路器主灭弧室单元实测合闸时间-行程曲线为边界条件,采用ADAMS多体动力学软件对电阻断口进行建模分析,见图7。通过仿真计算得到电阻断口在合闸过程中受到最大冲击力F=10 956 N,仿真计算结果见图8。

3.2 电阻断口螺栓连接结构仿真分析

为分析电阻断口螺栓连接结构强度是否满足设计要求,基于螺栓联接基本理论,分析在给定预紧力矩和冲击载荷条件下螺栓的受力情况。

简化的计算模型利用Creo软件建立并导入ANSYS Workbench软件中进行强度计算。仿真分析时螺栓采用实体单元模拟,螺栓等效直径按照对应的应力截面积进行模拟计算,具体仿真计算模型如图9所示。

图9 电阻断口计算模型

根据行业标准,10.9级M12螺栓预紧扭矩设置为55 N·m,而预紧力与拧紧扭矩关系为

T=0.2×Qp×d

(1)

式中:T为拧紧力矩;Qp为预紧力;d为螺栓的等效直径。

为模拟在冲击力及预紧力作用下的螺栓承载能力,用2个载荷步进行计算。在载荷步1中,对螺栓施加预紧力为22 917 N;载荷步2中,锁定载荷步1施加的螺栓预紧力,并施加电阻断口在合闸过程中受到最大冲击力为10 956 N。螺栓仿真计算等效应力分布云图详见图10。

图10 螺栓等效应力分布云图

由图10可知,长M12螺栓的最大等效应力值为526.67 MPa,出现在螺柱与螺帽连接的圆角部位附近,短M12螺栓最大等效应力值为354.54 MPa,出现在螺柱与螺帽连接的圆角部位附近。上述4个10.9级螺栓仿真计算等效应力值均小于材料屈服强度749 MPa［19］,满足材料强度要求。

诱发螺栓发生疲劳断裂的原因大致有2个方面［20］:螺栓本身存在制造缺陷,如材料裂纹、加工缺陷、热处理裂纹等;另外,装配过程中螺栓紧固不良,在使用过程中受到振动冲击导致螺栓松动引起疲劳断裂［21-22］。

通过对合闸电阻结构仿真计算结果分析表明:电阻断口螺栓连接结构设计满足强度要求,排除制造缺陷和结构设计不合理等方面因素。

4 真型样机试验

为进一步验证断路器合闸电阻断口设计结构的合理性,同步验证装配过程中紧固不良对螺栓松动的影响,利用真型样机对合闸电阻紧固螺钉在不同紧固方式下进行机械操作试验。

真型样机采用3种不同螺栓紧固方式分别进行机械操作试验,除采用不同螺栓紧固方式外真型样机的结构及外界条件每次试验均保持一致。具体3种螺栓紧固方式见表3。

表3 3种螺栓紧固方式

4.1 方式1真型样机试验结果

将4个M12螺栓按照紧固工艺要求55 N·m力矩值进行紧固,但是4个螺栓表面均不涂抹锁紧剂进行1000次操作。操作完成后开盖检查,断口电阻触头螺钉紧固状态无松动、无异常。

4.2 方式2真型样机试验结果

将4个M12螺栓按照40 N·m力矩值进行紧固,4个螺栓表面均涂抹锁紧剂进行2000次操作。操作完成后开盖检查,断口电阻触头螺钉紧固状态无松动、无异常。

4.3 方式3真型样机试验结果

将4个M12螺栓按照40 N·m力矩值进行紧固,4个螺栓表面均不涂抹锁紧剂进行操作。操作至200次,开盖检查发现其中1个M12螺钉轻微松动,其他螺钉未见异常;继续操作至300次,开盖检查发现4个螺钉均存在不同程度的松动情况。具体试验结果见图11。

图11 试验结果

上述3种螺栓紧固方式可以验证说明如下。

a.电阻触头螺栓在紧固力矩符合要求的前提下,即便不涂锁紧剂,也不会造成螺栓松脱现象。

b.电阻触头螺栓在紧固力矩不满足要求,螺栓表面涂锁紧剂,操作2000次也未发生松动,说明锁紧剂起到辅助加强作用。

c.电阻触头螺栓紧固力矩不符合要求,操作200次就会发生松动,300次后明显加剧,说明紧固力矩起到主要作用。

综合上述各项检测、仿真计算和真型样机试验表明:造成本次断路器合闸电阻故障的原因为电阻触头螺栓在装配时未按照工艺要求的力矩值进行紧固,也未涂抹锁紧剂,电阻触头螺栓在多次分合闸操作过程中逐渐松动,此时螺栓承受较大的弯曲、冲击等交变应力,最后引起螺栓疲劳断裂,并最终导致动触头脱落。

5 结论

a.螺栓试验检测表明:断裂螺栓的化学成分符合要求,金相组织正常,热处理工艺规范,硬度值符合国家标准要求,排除螺栓本身存在制造缺陷的可能。

b.对合闸电阻结构进行有限元分析计算,4个10.9级螺栓的等效应力值均小于材料屈服强度,并具有较大安全裕度,满足材料强度要求。

c.通过对比3种不同螺栓紧固方式试验结果可知,螺栓紧固力矩值起到主要防松作用,锁紧剂起到辅助加强作用。