GIS盆式绝缘子开裂原因分析及处理措施

文雅钦，吴传奇，潘章达，胡 卡，黄卫东，杨选超

（1.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉 430070；2.国网湖北省检修公司，湖北 武汉 430070；3.国网湖北省电力有限公司恩施供电公司，湖北 恩施 445000；4.湖北方源东力电力科学研究有限公司，湖北 武汉 430070）

0 引言

气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）因其占地面积小、运行可靠性高、检修周期长等优点被广泛应用于变电站内。盆式绝缘子作为保障母线对地或相间绝缘及气体密封性的关键部件，一旦发生开裂漏气缺陷需进行更换时，会引起其它间隔或母线停电，大大降低了电网安全稳定运行的可靠性。因此，分析盆式绝缘子开裂原因，提出合理化改善措施，对保障电网安全可靠运行至关重要。

1 GIS盆式绝缘子漏气案例

1.1 案例基本情况

2020年12月，运维人员发现某变电站252 kV GIS某间隔隔离开关A相与母线第四气室之间盆式绝缘子漏气，盆式绝缘子可见清晰裂纹；之后对站内252 kV GIS 设备进行隐患排查，共发现涉及7 个间隔15 个盆式绝缘子共计19处裂纹，其中1处裂纹存在SF6气体泄漏现象；所有开裂设备型号均为同一厂家的ZF9-252型组合电器，分两期投运，一期设备2006年投运，二期设备2008年投运。

根据现场排查情况，15个异常盆式绝缘子中，除1个盆式绝缘子处于一期工程外，其余14个存在裂纹的盆式绝缘子均处于二期工程。盆式绝缘子裂纹主要分布在跨接片和机构安装板附近。所有裂纹均位于母线与隔离开关连接的水平盆式绝缘子处，开裂位置如图1所示。

图1 盆式绝缘子裂纹位置Fig.1 Crack location of basin insulator

两期设备主要区别在于跨接片连接方式与螺栓垫片形式不同，一期设备跨接片通过专用跨接部位连接，并采用的是普通热镀锌平垫和弹垫；二期设备跨接片通过法兰螺栓直连，且采用的是防雨帽垫片，两期设备的对比如图2所示。

图2 一、二期设备对比Fig.2 Equipment comparison chart

1.2 解体检查情况

1.2.1 盆式绝缘子结构

该站252 kV GIS 盆式绝缘子为不带金属法兰结构。盆式绝缘子法兰上共有12 个螺孔，孔内径19 mm，孔深40 mm，采用M16螺杆配套安装，螺杆外径16 mm。其中，2个孔为通孔，对称分布，内部无金属螺纹，用于安装过程中对孔定位；10 个孔为半螺纹孔结构，中间24 mm 部分具有金属螺纹，两端各留8 mm 无螺纹，通孔、螺纹孔分布及结果如图3所示。

图3 盆式绝缘子螺孔分布及结构Fig.3 Distribution and structure of screw holes

1.2.2 盆式绝缘子检查

2021 年1 月，现场对隔离开关气室盆式绝缘子进行解体检修，对开裂盆式绝缘子进行了拆除、更换。检查发现，盆式绝缘子裂纹处于通孔位置，从法兰、螺孔开裂至密封槽，盆式绝缘子其他位置未见异常，其裂纹如图4所示

图4 开裂盆式绝缘子Fig.4 Cracked basin insulator

1.2.3 盆式绝缘子螺栓、防雨帽检查

经检查发现，二期设备跨接片位置的直连螺杆、防雨帽外部普遍存在锈蚀现象，如图5所示。拆除后，跨接片位置螺杆的两端明显锈蚀，螺杆中部普遍存在锌的氧化产物（灰白色），局部存在铁锈，如图6所示。

图5 跨接片直连螺杆、防雨帽外部锈蚀Fig.5 External corrosion of rain cap

图6 法兰螺杆、防雨帽内部情况Fig.6 Internal condition of rain cap

2 开裂检测试验

由于盆式绝缘子开裂通常发生在冬季，推测盆式绝缘子因进水结冰膨胀撑裂，为进一步验证开裂原因，对开裂盆式绝缘子进行多项实验室检测实验。

2.1 X射线检测

对开裂盆式绝缘子进行X射线检测，裂纹两端（即裂纹位于螺栓孔的端点及裂纹位于密封槽的端点）及盆式绝缘子其他位置均未见气孔或夹杂，制造质量满足标准《DL/T1424-2015 电网金属技术监督规程》的要求，初步排除裂纹的产生由制造缺陷而导致，X射线检测图如图7所示。

图7 开裂盆式绝缘子X射线检测Fig.7 X-ray examination

2.2 低温实验

将盆式绝缘子放在恒湿恒温箱内，对盆式绝缘子开展低温实验，如图8 所示。恒湿恒温箱通过调节温湿度来模拟盆式绝缘子户外实际运行环境，由常温阶梯降至-40 ℃，盆式绝缘子未见开裂或其他异常。

图8 开裂盆式绝缘子低温实验Fig.8 Low temperature experiment

2.3 通孔内注水冰冻模拟实验

为验证盆式绝缘子孔内积水、结冰，诱发裂纹的可能性，于实验室内进行了盆式绝缘子通孔内注水冰冻模拟试验。对开裂盆式绝缘子按安装工艺要求装配，在未开裂的通孔内注满4 ml水，与低温实验同步开展。实验过程中，结冰膨胀力量大，可明显看见冰珠从螺栓、螺杆缝隙处挤出，如图9所示。

图9 通孔内注水冰冻模拟实验Fig.9 Water injection freezing simulation experiment

模拟实验结束后，采用力矩扳手重新安装通孔处螺栓，施加力矩小于80 Nm 时，通孔开裂（厂家工艺力矩为90 Nm）。采用微米放大镜进行检查，通孔内表面可见明显微裂纹，判断由结冰膨胀挤压造成，证明了在低温、螺孔进水结冰的情况下，会导致盆式绝缘子机械强度降低，发生开裂。实验情况如图10所示。

图10 通孔内注水冰冻模拟实验结果Fig.10 Experimental results of water injection freezing simulation

2.4 绝缘材质性能实验

对开裂盆式绝缘子开展弯曲强度、摆锤冲击强度、玻璃化转变温度等材质性能实验。取5个位置试样进行检测，包括法兰周边4 个试样、中间金属嵌件位置1个试样，如图11所示。

图11 开裂盆式绝缘子材质性能实验取样位置Fig.11 Sampling position of material performance test

2.4.1 弯曲强度实验

根据《NB/T 42105-2016 高压交流气体绝缘金属封闭开关设备用盆式绝缘子》相关规定要求，弯曲强度应大于等于100 MPa，各试样的实验结果均合格。

2.4.2 冲击强度实验

根据《GB/T 1043.1-200 简支梁冲击性能的测定》中的试验方法，对盆式绝缘子的5 个样点进行冲击强度的检测，检测结果如表2所示。

表1 弯曲强度实验结果Table 1 Comparison of 35 kV reactor switching test results

表2 冲击强度实验结果Table 2 Comparison of 35 kV reactor switching test results

根据《NB/T 42105-2016 高压交流气体绝缘金属封闭开关设备用盆式绝缘子》相关规定要求，冲击强度应≥10 kJ/m2，试样的平均实验结果合格。

2.4.3 玻璃化转变温度实验

根据《GB/T 19466.2-2004 塑料差示扫描量热法（DSC）》中的测定方法，对盆式绝缘子的5个样点进行玻璃化转变温度测定，检测结果如表3所示。

表3 玻璃化温度实验结果Table 3 Comparison of 35 kV reactor switching test results

根据《NB/T 42105-2016 高压交流气体绝缘金属封闭开关设备用盆式绝缘子》相关规定要求，玻璃化转变温度应≥105 ℃。从检测结果可以看出，1 至4 号试样的玻璃化转变温度均低于标准要求，以上试样处于盆式绝缘子法兰周边，其运行环境为SF6气体外；5 号试样的玻璃化转变温度满足标准要求，其运行环境为SF6气体内。

2.4.4 螺栓应力超声波检测

根据声弹性理论原理，测量盆式绝缘子各螺栓的轴向拉力，现场对相邻间隔未开裂的盆式绝缘子A相、B 相与开裂的A 相盆式绝缘子进行螺栓轴向拉力检测，其测点检测示意图如图12所示。

图12 盆式绝缘子螺栓轴向拉力检测示意图Fig.12 Schematic diagram of bolt axial tension detection

其检测结果如表4所示。

表4 盆式绝缘子螺栓轴向拉力检测结果Table 4 Comparison of 35 kV reactor switching test results

螺栓轴向拉力P与螺栓紧固力矩M关系为：

式（1）中，P为螺栓轴向拉力，d2为螺纹中径，λ为螺纹升角，tgλ=t/πd2，f为螺母与被连接件支承面的摩擦系数，ρ为螺旋副的当量摩擦角，R为螺母承力面外半径，r为螺母承力面内半径。

若不考虑法兰、跨接片、机构安装板等不同位置摩擦系数的差异，螺栓轴向拉力P与螺栓紧固力矩M成正比，该项检测结果可用于评估螺栓紧固力矩的分布规律。

根据盆式绝缘子螺栓轴向拉力检测结果，可发现：

1）检测结果差异较大，螺栓轴向拉力最小值仅为40.1 kN，最大值达141.4 kN，相差超过3 倍，说明螺栓力矩分布非常不均匀；

2）3 个盆式绝缘子中，轴向拉力最大的螺栓均位于跨界片位置。

3 原因分析

根据现场检查情况、省内外运维经验、相关试验检测结果，判断该252 kV GIS 盆式绝缘子出现集中性开裂主要由以下原因引起：

1）盆式绝缘子防水结构设计及工艺不合理。

通过解体检查可以看出，盆式绝缘子防水结构设计及工艺不合理，易导致螺孔内积水、结冰。该型号产品设计及工艺上未充分考虑盆式绝缘子螺孔积水问题，盆式绝缘子上的跨接片、防雨帽、机构安装板均未涂覆防水密封胶，在长期户外运行环境影响和不同材质热膨胀系数不一致的影响下，跨接片、防雨帽、机构安装板、法兰之间，贴合紧密度下降，出现缝隙。此外，防雨帽内部橡圈垫存在破损、腐蚀的情况，造成密封效果劣化。雨水渗入盆式绝缘子螺孔内部，由于法兰下端也装有防雨帽，渗入的水分无法轻易排出，造成内部积水，侵蚀盆式绝缘子，甚至在低温环境下结冰膨胀，自内而外挤压盆式绝缘子螺孔，导致盆式绝缘子开裂。

2）盆式绝缘子无金属法兰保护，户外长时间运行后外圈材质性能裂化。

通过实验室检测实验结果发现，盆式绝缘子外圈法兰位置（SF6气体外）和中心金属嵌件位置（SF6气体内）的绝缘材料玻璃化转变温度检测差别巨大。经过12年户外运行后，盆式绝缘子外圈主体材料的主要热转变行为发生明显变化，玻璃化温度下降，低于标准要求7.8 ℃。

玻璃化转变温度是指材料由高弹态转变为玻璃态所对应的温度，是非晶态高分子材料固有的性质，是高分子运动形式转变的宏观体现，直接影响到材料的使用性能和工艺性能。玻璃化转变温度下降后，绝缘件机械强度降低。

3）盆式绝缘子紧固螺栓装配工艺不合格，力矩分布不均匀，导致应力集中。

盆式绝缘子、跨界片、机构安装板均在厂内总装车间装配，根据检测结果发现，螺栓未正确执行力矩预紧，力矩分布不均匀，造成盆式绝缘子部分位置应力集中。此外，预紧力越大，应力越大，在温度变化时，螺栓孔处还将产生附加的疲劳载荷。安装时的预紧力及温度变化时的热应力产生的合应力，可能超过盆式绝缘子螺孔薄弱位置（螺栓孔为凹面，有一定的应力集中效应）的抗拉强度限值。

以上3 点原因共同导致了盆式绝缘子裂纹的产生，特别是对于内部无金属螺纹嵌件加固的通孔，影响更为明显。裂纹一旦产生将会加剧应力集中效应，随着时间的增长，裂纹将逐步扩展，发展至内部密封槽位置后，将导致设备漏气。

4 建议

根据盆式绝缘子相关试验检测结果，以及开裂原因分析结果，现提出以下几点建议：

1）组织主流组合电器生产厂商，研讨形成统一的盆式绝缘子规范化防水密封设计与工艺。

2）对于新建户外组合电器，为了避免绝缘材料直接暴露在外受紫外线、污秽、温差等因素的长时间影响下出现老化、裂化问题。建议采用带金属法兰的盆式绝缘子对盆式绝缘子进行保护。

3）对于新建户外组合电器，如需采用跨接片，户外GIS 罐体上应有专用跨接部门，禁止通过法兰螺栓直连。

4）组合电器安装和检修过程中，盆式绝缘子、绝缘件、法兰对接面等位置的螺栓紧固顺序与扭矩应严格执行厂家工艺文件标准要求，采用力矩扳手等可控工具，避免螺栓预紧力超标。

5）每年冬季寒潮季节前后，对户外组合电器盆式绝缘子进行巡视检查并拍照记录，观察是否存在裂纹。对开裂的盆式绝缘子，加强气压监视，密切关注气室压力变化，定期开展SF6红外检漏、局部放电带电检测。