Welche möglichen Ursachen können zu Rissbildungen in CT-Klemmblöcken innerhalb von GIS-Geräten führen?
Gas - isolierte Schaltanlagen (GIS), oft auch als “SF6-kombinierte elektrische Anlage” bezeichnet, werden in Stromnetzen aufgrund ihrer hohen Zuverlässigkeit, geringen Platzbedarfs, niedrigen Geräuschentwicklung und geringen Verluste weit verbreitet eingesetzt. Sie umschließen Hochspannungseinrichtungen wie Schaltgeräte, schnelle Erdungsleitern, Stromwandler und Leiterplatten in einer mit SF6 Gas gefüllten, geerdeten Metallhülle. Jedes Gerät befindet sich in einem separaten Gasraum mit unterschiedlichem Druck. Der CT-Anschlussblock teilt die Gaskammern, verbindet die Komponenten und erleichtert die Wartung. In einer Umspannanlage wurde festgestellt, dass der Druck in der 750kV GIS CT-Gaskammer täglich um etwa 0,05MPa sank, was auch nach dem Nachfüllen des Gases anhielt. Daher analysierten wir den Ausfall des CT-Anschlussblocks.
1 Übersicht und Rissanalyse des Anschlussblocks
1.1 Übersicht
Der Anschlussblock wurde am 23. Juni 2017 in Betrieb genommen, zeigte am 6. November 2021 ein Gasleck und hatte am 8. November 2021 Risse. Die flache Seite ist die CT-Seite, die konvexe Seite ist die nicht-CT-Seite, mit 12 äußeren Gewindebohrungen. Die CT-Seite hat drei Kreise gleichmäßig verteilter gelber Kupferanschlussstifte (1, 8, 15 pro Kreis von innen); der äußerste Kreis der nicht-CT-Seite hat 15 Stifte (A1-A5, B1-B5, C1-C5 im Uhrzeigersinn), die in den mittleren Kreisen der CT-Seite entsprechen.
1.2 Makroskopische Prüfung
Auf der konvexen Seite wurde ein etwa 30 cm langer Riss an der erhöhten Kante entdeckt, der in zwei Abschnitte geteilt war: einen breiten, langen Riss (A1-B1) und einen schmalen, kurzen Riss (C5-A1, kaum sichtbar). Eine Penetrantprüfung folgte, um weitere Risse zu überprüfen.
1.3 Penetrantprüfung
Die Penetrantprüfung wurde auf beiden Seiten des Anschlussblocks durchgeführt:
Konvexe Seite: Zwei Risse wurden gefunden, die in Morphologie und Länge (240mm und 60mm) mit der makroskopischen Prüfung übereinstimmten. Der kurze Riss wurde nach der Prüfung deutlicher, es wurden keine weiteren Risse festgestellt.
Flache Seite: Zwei Risse unterschiedlicher Länge (ungefähr 20mm und 8mm) wurden am inneren Dichtungsring gefunden. Sie durchdrangen nicht, der Abstand zwischen den Enden betrug etwa 20mm.
1.4 Bruchflächenuntersuchung
Ein Schnitt aus A4 zeigte durchgehende Risse auf der nicht-CT-Seite und nicht-durchgehende Risse auf der CT-Seite. Quadratische leitfähige Platten und sechskantige Muttern im Inneren hatten strukturelle plötzliche Veränderungen, mit Rückseepenetrant (Lücken zwischen Metalleinsätzen und Epoxidharz). Feine Risse (30° zur Achse des Anschlussblocks) und ungleichmäßige, gepunktete Kontaktflächen (mit 45°-geneigten Rissen) wurden beobachtet.
1.5 Kraftberechnung
Mit dem vom Hersteller vorgesehenen Bolzendrehmoment von 25Nm und unter Verwendung von T = kFd ((k = 0.15), ergab sich eine vertikale Vorbelastung des einzelnen Bolzens von 13,9kN. Bei der Simulation der maximalen Vorbelastung (M12-Bolzen, 50cm-Schlüssel) ergab sich ein Drehmoment von 220Nm (44Nm bei einem 10cm-Hebelarm), was die Vorbelastung auf 24,4kN (1,76× Standard) erhöhte. Der 30°-geneigte, 31,78mm lange Bruch hatte eine 10,78mm lange unterbrochene Verbindung (Erhöhung des Harzspannungszustands). Übermäßige Vorbelastung und Spannungskonzentration führten zur Initiation und Fortpflanzung von Rissen im Harz.
2 Ursachen für Risse
Übermäßiger Biegespannung an der unterbrochenen Sitzstruktur (Kantenbolzenloch-Terminalpost) führte zu durchgehenden Rissen. Falsche Werkzeuge oder Überdrehen führten zu übermäßiger Bolzenvorbelastung. Der Gasdruck auf der CT-Seite verstärkte den Biegespannungszustand. Schwache Metall-Harz-Bindung (Lücken) reduzierte den tragenden Querschnitt und führte zu Spannungskonzentration. Diese Faktoren zusammen führten zum Riss des Anschlussblocks und zum Gasleck.
3 Präventive Maßnahmen
Verwenden Sie Drehmomentschlüssel gemäß den Herstellerangaben, um Überdrehen zu vermeiden. Befolgen Sie die Gasfüllprozesse, um Druckunterschiede zu verhindern. Optimieren Sie das Design/Guss des Anschlussblocks, um spannungsbildende Lücken/scharfe Einsätze zu vermeiden. Stärken Sie die Qualitätskontrollen, um fehlerhafte Produkte abzulehnen.
4 Schlussfolgerung
Das Auftreten von Rissen im CT-Anschlussblock in SF6-Anlagen resultierte aus falscher Bolzenbefestigung (übermäßige Vorbelastung). Die vorgeschlagenen Maßnahmen dienen anderen Stromnutzern als Leitfaden.
