胡 鵬， 李成鋼， 陳大兵

(國家電網(wǎng)公司GIS設(shè)備運(yùn)維檢修技術(shù)實驗室(國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院)，江蘇 南京 211103)

·運(yùn)行分析·

電纜GIS終端環(huán)氧套管開裂原因分析及對策研究

胡 鵬， 李成鋼， 陳大兵

(國家電網(wǎng)公司GIS設(shè)備運(yùn)維檢修技術(shù)實驗室(國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院)，江蘇 南京 211103)

針對某變電站主變進(jìn)線電纜GIS終端環(huán)氧套管開裂故障，綜合分析了裂紋宏觀形貌、環(huán)氧樹脂澆注體材料性能和環(huán)氧套管力學(xué)仿真，認(rèn)為產(chǎn)生環(huán)氧套管開裂的根本原因是連接導(dǎo)體和電纜終端安裝偏差間隙過大，環(huán)氧套管法蘭的凹槽處在運(yùn)行中長期處于接近其材料強(qiáng)度極限的應(yīng)力狀態(tài)下，安全裕度不足。據(jù)此，提出了更換整改的建議，確定安裝偏差間隙應(yīng)不大于0.5 mm。

環(huán)氧套管；材料性能；安裝偏差；力學(xué)分析；安全裕度

隨著電氣設(shè)備技術(shù)的進(jìn)步以及制造工藝的提高，氣體絕緣開關(guān)設(shè)備(GIS)在智能變電站建設(shè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用[1]。它將斷路器、互感器、接地開關(guān)、套管、隔離開關(guān)、避雷器以及母線等完全封裝在一個接地的金屬外殼內(nèi)(變壓器除外)，并且將SF6氣體充入其中，作為電氣設(shè)備絕緣和滅弧介質(zhì)[2-4], 將輸電電纜終端安裝在GIS內(nèi)，就是GIS電纜終端[5]。

套管是GIS設(shè)備不可缺少的部件，承擔(dān)著高壓絕緣電負(fù)荷及機(jī)械負(fù)荷(內(nèi)壓、彎矩、扭矩、拉伸或壓縮等)的雙重作用[6,7]。套管內(nèi)充有SF6絕緣氣體，套管貫穿裂紋的產(chǎn)生，會造成SF6氣體的泄露，影響絕緣效果，如未能及時發(fā)現(xiàn)，將擊穿設(shè)備甚至發(fā)生爆炸，對GIS的安全運(yùn)行構(gòu)成巨大威脅[8]。

本文針對某變電站2號主變進(jìn)線電纜GIS終端環(huán)氧套管開裂故障進(jìn)行了詳細(xì)分析，認(rèn)為材料本身對開裂沒有影響，連接導(dǎo)體和電纜終端安裝偏差間隙過大是開裂的根本原因，并據(jù)此，提出了安裝偏差控制對策。

1 故障概述

2016年9月18日，某電力公司運(yùn)維人員發(fā)現(xiàn)110 kV某變電站2號主變進(jìn)線電纜GIS終端漏氣。9月19日上午9點(diǎn)至12點(diǎn)，運(yùn)維單位和廠家共同制定了2號主變進(jìn)線電纜GIS終端拆解方案并進(jìn)行了現(xiàn)場拆解，拆解過程中發(fā)現(xiàn)電纜終端B相環(huán)氧套管澆筑法蘭處存在裂紋，如圖1所示。

據(jù)悉，2016年3月在該相環(huán)氧套管同一位置亦出現(xiàn)過開裂的情況。半年內(nèi)，同一位置的2個不同批次的環(huán)氧套管均出現(xiàn)了開裂，由此，可以初步猜測此處環(huán)氧套管的受力狀態(tài)可能出現(xiàn)問題。

2 裂紋宏觀檢查

環(huán)氧套管開裂處直徑210 mm，裂紋長380 mm，開裂長度約占套管周長58%。在裂紋起源處，裂紋深20 mm，為貫穿性裂紋(如圖2所示)，環(huán)氧套管內(nèi)部環(huán)氧樹脂與鋁合金的接觸面也出現(xiàn)裂紋。

圖1 環(huán)氧套管裂紋局部

圖2 裂紋起源處的貫穿性裂紋

3 環(huán)氧樹脂澆注體性能檢測

為確定環(huán)氧套管材料本身有無問題，根據(jù)GB/T 4472—2011、GB/T 2567—2008、GB/T 1634—2004、GB/T 19466—2004等標(biāo)準(zhǔn)，對開裂的環(huán)氧套管取樣進(jìn)行理化性能、熱性能、機(jī)械性能的檢測，檢測項目包括密度、熱變形溫度、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、抗彎強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度，檢測結(jié)果見表1。

表1 環(huán)氧樹脂澆注體性能檢測結(jié)果

其中，環(huán)氧樹脂澆注體性能指標(biāo)由廠家提供。在檢測結(jié)果中，密度、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、抗彎強(qiáng)度均符合指標(biāo)要求，熱變形溫度[9,10]指標(biāo)要求105～120 ℃，檢測結(jié)果為100 ℃，檢測結(jié)果跟指標(biāo)要求稍有偏差。

由于電纜運(yùn)行溫度不允許超過90 ℃，且測量結(jié)果和指標(biāo)要求相差較小，可以認(rèn)為對環(huán)氧套管的開裂影響不大。因此，可能是環(huán)氧套管受力不合理導(dǎo)致產(chǎn)生開裂。

4 力學(xué)仿真分析

在對B相電纜GIS終端拆解過程中發(fā)現(xiàn)，松開緊固螺栓后，GIS設(shè)備B相連接導(dǎo)體與電纜終端一側(cè)翹起，有1.4 mm左右縫隙。由此可以推斷，當(dāng)連接導(dǎo)體與電纜終端用螺栓進(jìn)行緊固后，此間隙必定會導(dǎo)致環(huán)氧套管承受一定的拉應(yīng)力。為了驗證由于連接導(dǎo)體與電纜終端存在間隙導(dǎo)致的拉應(yīng)力對環(huán)氧套管開裂的影響，對此進(jìn)行了力學(xué)仿真計算。

采用ANSYS分析軟件進(jìn)行建模，單元類型為實體單元Solid186，環(huán)氧樹脂澆注體彈性模量取為5 GPa，泊松比為0.3，鋁合金彈性模量取為71 GPa，泊松比為0.33。模型尺寸與環(huán)氧套管設(shè)計圖紙一致，環(huán)氧套管法蘭凹槽處有圓滑過渡，防止出現(xiàn)應(yīng)力集中，如圖3、圖4所示。

圖3 電纜終端ANSYS模型

圖4 環(huán)氧套管法蘭凹槽處圓滑過渡

設(shè)備運(yùn)行時，GIS套管沒有額外的振動荷載，但因為安裝偏差產(chǎn)生了初始變形使得套管承受了偏心靜力荷載。本文通過加載變形后的位移邊界條件來計算環(huán)氧套管法蘭凹槽開裂處的應(yīng)力。

螺栓緊固后連接導(dǎo)體與電纜終端的變形示意圖如圖5所示(虛線為變形后形狀)。為了準(zhǔn)確計算出模型變形所需加載的位移量，設(shè)電纜終端頂面中心A點(diǎn)在變形后移至A’點(diǎn)，水平側(cè)移量為x，豎直位移為y，頂面偏轉(zhuǎn)角度為θ，由變形量計算示意圖6所示，x=R-Rcosθ，y=579-Rsinθ。

圖5 螺栓緊固前后變形示意圖(虛線為變形后形狀)

圖6 電纜終端變形量計算示意圖

螺栓緊固前，連接導(dǎo)體與電纜終端的夾角為0.9°，那么電纜終端在變形時頂面的偏轉(zhuǎn)角0≤θ≤0.9°，分別取偏轉(zhuǎn)角θ為0.45°，0.6°和0.9°進(jìn)行計算，算出的水平側(cè)移量x分別為2.274 mm，3.032 mm，4.547 mm，豎直位移y分別為0.006 mm，0.011 mm，0.024 mm。分別施加這3種偏轉(zhuǎn)角下的位移邊界條件進(jìn)行計算，以0.9°偏轉(zhuǎn)角下的計算結(jié)果為例，得到的環(huán)氧套管應(yīng)力云圖如圖7、圖8所示，可見在電纜終端環(huán)氧套管受拉側(cè)法蘭凹槽處拉應(yīng)力值突增較大。三種偏轉(zhuǎn)角下環(huán)氧套管法蘭凹槽處的應(yīng)力最大點(diǎn)的拉應(yīng)力值如圖9所示。

圖7 環(huán)氧套管應(yīng)力云圖

圖8 環(huán)氧套管法蘭凹槽處應(yīng)力云圖及應(yīng)力最大點(diǎn)

圖9 三種偏轉(zhuǎn)角下環(huán)氧套管法蘭凹槽處拉應(yīng)力最大值

由上圖可知，環(huán)氧套管法蘭凹槽處的最大拉應(yīng)力與電纜終端頂面變形偏轉(zhuǎn)角基本呈線性關(guān)系，擬合的線性方程為y=80.007x+0.54。

5 開裂原因及對策研究

由前文可知，螺栓緊固前，1.4 mm的安裝偏差可能產(chǎn)生的最大頂面變形偏轉(zhuǎn)角為0.9°，即在環(huán)氧套管法蘭凹槽處產(chǎn)生的拉應(yīng)力最大值可能達(dá)到72.536 MPa，雖然小于材料的實驗抗拉強(qiáng)度80.75 MPa，但安全裕度已嚴(yán)重不足[11]。又因為力學(xué)仿真是在線彈性、材料完全均質(zhì)無缺陷且設(shè)備完全靜止的靜力理想條件下進(jìn)行的，而現(xiàn)實材料的不均勻性會導(dǎo)致部分區(qū)域材料抗拉強(qiáng)度薄弱，因此電纜終端環(huán)氧套管法蘭凹槽處存在較大的開裂風(fēng)險。

環(huán)氧樹脂固化后可能存在內(nèi)應(yīng)力大，脆性大，耐疲勞性、耐濕熱性、抗沖擊韌性差等缺陷[12]。在靜荷載下，脆性材料的安全系數(shù)nb一般取2.5～3[13]?？紤]到設(shè)備運(yùn)行安全要求較高，安全系數(shù)取為3，即環(huán)氧套管法蘭凹槽處最大的許用拉應(yīng)力為26.9 MPa，帶入擬合的線性公式，算出允許的最大偏轉(zhuǎn)角為0.33°，即安裝偏差取為0.5 mm。

因此，在螺栓緊固前應(yīng)先用塞尺測量連接導(dǎo)體和電纜終端間的縫隙寬度，確保縫隙寬度在0.5 mm以內(nèi)才可進(jìn)行螺栓緊固安裝，否則,需要調(diào)整連接導(dǎo)體和電纜終端的相對位置使二者的連接面盡可能持平，再進(jìn)行安裝。

6 結(jié)束語

本文綜合分析了某變電站主變進(jìn)線電纜GIS終端環(huán)氧套管的裂紋形態(tài)、環(huán)氧套管材料性能及其在安裝偏差下的受力狀況，確認(rèn)由于安裝偏差導(dǎo)致的拘束應(yīng)力過大是導(dǎo)致環(huán)氧套管開裂的主要原因，并提出了相應(yīng)的對策：(1) 由于連接導(dǎo)體與電纜終端存在1.4 mm的安裝偏差，電纜終端環(huán)氧套管法蘭凹槽處產(chǎn)生的拉應(yīng)力最大值可達(dá)72.536 MPa，接近環(huán)氧套管的實際抗拉強(qiáng)度，安全裕度嚴(yán)重不足，因此在設(shè)備運(yùn)行時電纜終端環(huán)氧套管法蘭凹槽處發(fā)生了開裂。(2) 建議在安裝時將連接導(dǎo)體與電纜終端的安裝偏差控制在0.5 mm以內(nèi)，可確保在環(huán)氧套管材料性能合格的條件下，不發(fā)生因附加拘束應(yīng)力導(dǎo)致的開裂。

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胡 鵬

胡 鵬(1989 —)，男，安徽安慶人，碩士研究生，從事電力設(shè)備結(jié)構(gòu)力學(xué)分析和狀態(tài)評價專業(yè)工作;

李成鋼(1984 —)，男，浙江紹興人，工程師，從事電力設(shè)備材料性能分析及狀態(tài)評價專業(yè)工作;

陳大兵(1979 —)，男， 湖北大悟人，高級工程師，從事電力設(shè)備檢驗檢測及評估工作。

Cause Analysis and Countermeasure Study of Cracking Accident of Cable GIS Terminal Epoxy Casing

HU Peng, LI Chenggang, CHEN Dabing

(State Grid Laboratory of GIS Operation and Maintenance Technology(State Grid Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute),Nanjing 211103, China)

According to a cracking accident of an incoming cable GIS terminal epoxy casing in a substation main transformer, the macroscopic crack morphology, the material performance and the mechanical simulation of epoxy casing are analyzed in this paper. Thinking that the root cause of epoxy casing cracking is a large installation deviation of the connection conductor and the cable terminal. So that the groove of the epoxy casing flange is operating in a state of stress close to its material strength limit for a long time, and the safety margin is insufficient. Accordingly, replacement recommendations are presented to ensure that the installation deviation should not be greater than 0.5 mm.

epoxy casing; material performance; installation deviation; mechanical analysis；safety margin

2016-10-18；

2016-10-21

國家電網(wǎng)公司總部科技項目(重要電纜通道新型可控運(yùn)維技術(shù)研究)

TM73

A

2096-3203(2017)01-0102-04