一起GIS观察窗裂纹事故分析

闫亚刚 刘璐 杨卫国 姚伟 包联霜 李忠富

摘 要：运行电站反馈结果显示，某隔离接地开关观察窗有裂纹。通过人、机、料、法、环等5个方面进行综合分析，笔者发现观察窗组装工器具的使用和极限尺寸导致的应力集中是造成观察窗裂纹的原因，并通过试验进一步验证了分析结果。研究表明，对观察窗进行设计结构优化，可以提高有机玻璃板强度，减小凸台应力聚集，进一步确保设备安全稳定运行。

关键词：观察窗;有机玻璃板;工器具;受力分析

中图分类号：TM595 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）09-0050-04

Abstract： The feedback results of the operating power station showed that there was a crack in the observation window of a certain isolation grounding switch. Through a comprehensive analysis of five aspects， including man， machine， material， method and ring， the author found that the use of observation window assembly tools and the stress concentration caused by the limit size were the causes of the observation window cracks， and the analysis results were further verified through experiments. Studies have shown that optimizing the design and structure of the observation window can increase the strength of the plexiglass panel， reduce the stress accumulation of the boss， and further ensure the safe and stable operation of the equipment.

Keywords： observation window;plexiglass panel;tools and instruments;force analysis

氣体绝缘全封闭组合电器（Gas Insulated Substation，GIS）是指把断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、母线、套管等按电气主接线的要求，依次连接组合成一个整体，并且全部封闭于接地的金属外壳内，壳体内一般充以0.4～0.6 MPa的绝缘气体，通常以SF6气体作为绝缘和灭弧介质。GIS具有结构小型化、安全性好、不受外部环境影响、安装周期短、检修周期长、安装调试容易和灭弧性能优秀等特点，在电力系统中得到广泛的应用，特别是在110 kV及以上的电力系统中，GIS设备已占主导地位。同时，GIS零部件多，结构复杂，而且对尺寸配合、工艺实施要求较高，设备运行过程中难免出现一些问题。近期，某电站反馈220 kV GIS隔离、接地开关动静触头的观察窗出现不同程度的裂纹现象，但未发生漏气。GIS内部充入高压力的绝缘气体，一旦观察窗发生爆破事故，就会对电网运行和设备本身造成重大损失，因此要对此进行研究分析，改进结构设计，确保电网安全可靠运行。

1 观察窗结构简述

隔离、接地开关的动静触头位于金属壳体内，外部无法直接观察到其分合闸状态，因此多数厂家会在动静触头处设置观察窗，以便运行人员进一步确认隔离、接地开关的分合闸情况。观察窗主要由缓冲垫、有机玻璃板、压板、紧固螺栓和密封圈组成。有机玻璃板由压板固定，用螺栓紧固。密封圈用于密封绝缘气体。缓冲垫放置于有机玻璃板与压板之间，起到缓冲压力作用，以防止压板压力直接作用于有机玻璃板，导致其破裂，具体结构如图1所示。

2 观察窗裂纹原因分析

针对现场发生的隔离、接地开关观察窗裂纹事件（见图2），下面将从人、机、料、法、环等5个方面进行综合分析。具体来说，涉及6种因素，即人员技能、工器具使用、原材料质量、装配工艺过程、关键零部件尺寸和环境影响。

2.1 人员技能

经调查，装配人员参与装配知识培训并考试合格后才可以上岗进行装配作业，装配班组采用导师带徒的模式进行小组装配作业，以便新员工快速掌握装配技能和积累经验。在日常工作中，车间工艺室定期对装配员工进行工艺流程指导及质量文件培训，提高员工的装配能力及质量意识，可有效保证观察窗的组装质量。因此，观察窗产生裂纹的原因可以排除人员技能因素。

2.2 工器具使用

观察窗有机玻璃板装配紧固螺栓时用电动扳手，此处使用M8 mm的紧固螺栓，力矩要求为16 N·m。如果电动扳手挡位选择不当或紧固时间过长，就会导致部分观察窗装配完成后螺栓力矩过大，可达到约30 N·m，厂内检查发现，个别观察窗有机玻璃板出现细小裂纹。为进一步验证使用电动扳手时力矩过大对观察窗的影响，调查人员在厂内用电动扳手选择大扭矩挡位和长时间紧固，发现个别观察窗出现裂纹。随后改用手动扳手按要求的力矩紧固螺栓，未发现观察窗有裂纹。因此，工器具使用不当，造成M8 mm螺栓力矩偏大，是可能导致观察窗有机玻璃板产生微裂纹的因素。

2.3 原材料质量

追溯该GIS产品采用的有机玻璃板生产厂家批次和原材料供货质量检测，结果发现，各批次质量检测合格。有机玻璃板厂家提供未成型板材给GIS厂家，随后GIS厂家进一步将其加工成型。因此，观察窗有机玻璃板产生裂纹的原因排除原材料及批次质量因素。

2.4 装配工艺过程

在正常作业中，观察窗装配有严格的工艺要求。首先将有机玻璃板及压盖用酒精擦拭干净，处理观察窗处密封面并安装涂有硅脂的密封圈，将垫圈、有机玻璃板放到观察窗盖的槽中，然后用6个M8 mm的六角螺栓、弹垫和平垫对角紧固观察窗，并校核力矩值（要求16 N·m），合格后做力矩标识。

在装配过程中，使用酒精清擦有机玻璃板，在现场安装补漆时，观察窗有机玻璃板有可能接触丙酮。为验证酒精及丙酮清擦是否会产生有机玻璃板溶胀，从而导致微裂纹产生，下面对有机玻璃板进行酒精及丙酮清擦工艺验证试验。验证方法如下：装配前分别用酒精和丙酮擦拭2件有机玻璃板，其余步骤按照装配工艺文件执行，装配完毕静置48 h后解体观察，对比检查有机玻璃板是否产生微裂纹。验证结果显示，有機玻璃板用酒精或丙酮擦拭，装配后静置48 h，有机玻璃板均表面完好，未出现异常，可见酒精或丙酮短期内不会对有机玻璃板产生影响。因此，有机玻璃板产生裂纹的原因可以排除装配工艺因素。

2.5 关键零部件尺寸

2.5.1 有机玻璃板受力分析。观察窗的有机玻璃板是以无色透明工业板材（以甲基丙烯酸甲酯为原料聚合而成）为基础加工成型的。根据有机玻璃板结构设计，下面进行建模和受力分析。应力最大处是有机玻璃板凸起圆台的连接处，应力朝层间方向，厚度方向分量较小，如图3所示。

2.5.2 零部件尺寸公差配合影响分析。观察窗密封绝缘气体通过压板强压缓冲垫，作用到有机玻璃板上，考虑各零部件公差配合积累，极限情况下缓冲垫最大压缩量为1.5 mm，最小压缩量为0.8 mm（理论压缩量1 mm）。压缩量偏大时，缓冲垫的回弹力增大，有机玻璃板承受的压力增大，易发生裂纹位置如图4所示。

为验证缓冲垫压缩量及凸台圆角对有机玻璃板裂纹的影响，本研究选取缓冲垫产生最大压缩量零部件及凸台圆角较小的有机玻璃板进行装配，通过极限冷热循环试验，模拟温度变化对有机玻璃板受力的影响，试验后观察有机玻璃板状态。试验方法如下：按缓冲垫最大压缩量挑选零部件装配5组观察窗，装于试验盖板和筒体上，筒体内充SF6气体0.5 MPa，进行两组试验，其中一组试验温度为高温115 ℃到低温-40 ℃，另一组试验温度为高温75 ℃到低温-40 ℃，各进行5轮冷热循环试验，温度变化曲线如图5所示，试验姿态如图6所示。

5轮115～-40 ℃极限试验的结果如下：在环境温度超过有机玻璃板材料热变形温度（100 ℃左右）时，有机玻璃板SF6高压侧产生严重凹陷，空气侧严重凸起，圆台根部产生收缩现象，材料拉伸变形情况下产生裂纹，有机玻璃板与密封圈接触部位凹陷，如图7所示。5轮75～-40 ℃极限试验的结果如下：有机玻璃板与金属接触部分有轻微压痕，个别在圆台根部产生微小裂纹。综上，严重变形的拉伸作用验证了有机玻璃板的应力集中部位是凸台根部，验证了微裂纹沿层间方向扩散，验证了受力分析结果。因此，凸台倒角偏小，同时零部件尺寸达到极限公差，使缓冲垫压缩量变大，有机玻璃板所受压紧力变大，凸台倒角处在温差变化中易积聚应力，可能导致有机玻璃板产生裂纹[1-3]。

2.6 环境影响

该观察窗结构自1990年开始使用，至今约有30万套观察窗在全球范围内挂网运行。气候区域包括热带、亚热带、暖温带、中温带及寒温带。目前反馈的有裂纹的电站分布未见明显的区域特点。为进一步验证温差大等环境因素影响，本研究对观察窗进行了高温后的快速冷却试验，如图8所示。试验方法如下：将观察窗装配加热到80 ℃，保温3 h，迅速用20 ℃水冲淋，同批试品进行3轮试验，使有机玻璃板受到激冷作用，激冷结束后对比检查有机玻璃板是否产生裂纹。验证结果表明，有机玻璃板未产生裂纹。因此，排除环境高温及骤变对观察窗产生裂纹的影响。

2.7 有机玻璃板裂纹强度验证试验

将现场拆解下来有裂纹的有机玻璃板进行强度计量检测，结果显示合格。对15件有机玻璃板进行着色试验，结果发现，8件有轻微压痕，2件层间有微裂纹，5件厚度方向存在微裂纹，深度约为2 mm。

挑选5件厚度方向有裂纹的有机玻璃板进行破坏压力试验，按GIS壳体的破坏压力进行破坏压力试验，压力值为1.80 MPa，保压30 min，未见异常。保压完成后继续加压，压力为2.30 MPa时，壳体下端工装盖板变形漏水，观察窗有机玻璃板无异常。因此，现场返回的有机玻璃板硬度检测合格，在厚度方向有少量非贯穿性裂纹。压力破坏试验证明，即使有机玻璃板出现少量非贯穿性裂纹，其强度仍能满足设备安全运行要求。

2.8 原因小结

综上所述，造成观察窗微裂纹的主要原因有两点：一是工器具使用不当，导致观察窗在装配过程中M8 mm螺栓紧固力矩偏大;二是若零部件尺寸达到极限公差，使缓冲垫压缩量变大，则有机玻璃板所受压紧力变大，有机玻璃板凸台倒角偏小，其易因应力积聚而产生裂纹。

3 观察窗结构改进及验证

3.1 结构改进

下面对观察窗进行结构优化改进，将有机玻璃板凸台高度降低，提高强度，加大凸台根部圆角过渡，降低应力积聚。装配时将凸台朝向气室内部，加工面可使密封效果更好。改进后，有机玻璃板内应力降低30%，强度增加25%。外部增加保护盖，进一步改善有机玻璃板的使用环境[4-5]。改进后结构观察窗装配示意图如图9所示。

3.2 试验验证

下面针对优化后的结构进行与2.5.2小节相同的验证试验。115～-40 ℃试验结束后，有机玻璃板同样产生热变形，密封圈同样因回弹力作用使有机玻璃板变形，但未见明显裂纹。75～-40 ℃试验结束后，有机玻璃未出现微裂纹及压痕。

4 结论

针对现场观察窗有机玻璃板裂纹，本文从人、机、料、法、环等5个方面进行综合分析和试验验证，结果发现，工器具使用不当和极限尺寸情况下应力积聚是造成观察窗有机玻璃板裂纹的主要原因。裂纹沿层间方向无贯穿性，不影响密封性能及整体强度。后续电站巡检时可定期观察，如有检修计划时可进行升级改造。同时，制造厂应举一反三，排查类似结构有无同样问题隐患，及时改进，确保设备安全稳定运行。

参考文献：

[1]易慧，黄小彬，陈锦祥.220 kV GIS刀闸异常缺陷分析及应对措施[J].电力安全技术，2016（1）：51-54.

[2]曾林.利用电流分析可靠判断GIS设备刀闸位置方法研究[J].电工技术，2015（1）：17-19.

[3]刘海涛.GIS刀闸分合闸到位确认改进措施[J].硅谷，2014（24）：190-191.

[4]赵现平.GIS设备绝缘性能检测技术[J].云南电力技术，2006（4）：9-10.

[5]张永跃.变压器的现场局部放电试验[J].电网技术，1997（3）：34-38.