【摘 要】为了解500kV某变电站500kV H-GIS设备的内部导位销断裂诱因，基于对导位销的受力分析，对机构进行初步强度计算与验证，结合机械的工程材料分析，设备运输等方面考虑，认为导致导位销断裂的原因是设备结构在设计过程中存在考虑不全面，导位销存在抗疲劳强度不足的缺陷。有针对性地提出可行的结构解决方案，为设备的质量检验提供一定的参考作用。
【关键词】导位销；剪切应力；螺栓
1、引言
机械传动在一次设备中的应用无处不在。大多数的机械传动设计在实际应用中是切实可行的。但是也有一些由于加工工艺的选择问题、机构设计的问题导致某些关键部位的零件容易发生磨损，甚至失去效用，更加严重的是造成事故跳闸，影响电网的稳定运行，造成经济损失，给社会带来负面影响。由于负荷中心城市土地价格持续上涨，征地问题越来越困难，而在广东，随着500kV变电站的增加，常规敞开式开关设备(AIS)已经有逐渐被气体绝缘金属全封闭开关设备(GIS)所取代的趋势。但是，气体绝缘金属全封闭开关设备(GIS)又因为价格昂贵，故障后短时间难以修复且扩建困难的原因未能大量投入。在这种情况下，一种介于GIS和AIS之间的高压开关设备：H-GIS（Hybrid Gas InsulatedSwitchgear)便出现了。它因为母线不装于SF6气室，所以具有安装及维护检修方便，占地相对较小、运行可靠，成本较经济等优点。广泛应用于新建500kV变电站，其中500kV某变电站就有10台进口H-GIS断路器，其中在500kV某站投产前验收时，发现其产品内部导位销不同程度的存在裂纹、甚至断裂现象。现分析及处理如下：
2、缺陷分析
厂方对变电站内500kVH-GIS设备进行开箱检查。对其内部导位销取出检查，结果500kV10台断路器中，20%的导位销存在缺陷。部分断面图见图1。
由图1初步分析，导体通过单单一个导位销支撑，受力集中于导位销的退刀槽位置，直径约为14mm(图2所示位置),应力集中比较严重。再通过排除法判断导致导位销断裂的基本原因，首先检查导位销是否松动，结果导位销的划线并无明显偏移，证明无松动，
结合现场检查，运输过程中冲击记录仪数据(最大2G)及验收记录显示，运输冲击可能性很小；根据对导位销的尺寸、硬度测量(见表3)，可排除部件问题；开箱检查导位销的预紧力及装配没有发现问题；因此只剩下设计上的错误，由图1可知，导位销连接的导电体悬空部分大约3.3米，悬空跨度较大。当操作试验时容易产生应力集中现象，经过较少次数的操作后可能发生疲劳断裂现象。现就导位销所受剪切应力情况进行粗略验算。
载荷重量大约50kg，为方便计算，导体按均匀负载计算。受力面取最薄弱的导位销退刀槽截面。根据受力分析如图3：
m=50kg ；g=10N/kg ；G=mg=50×10=500(N)
Tmax=K×Q/A=1.3×Q/(π×D^2/4)=1.3×250/(3.14×(0.014×0.014/4))=2.11(MPa)
因此材料的剪应力至少应满足2.11MPa
注：m为载荷质量；g为重力加速度，方便计算取g=10N/kg；G为载荷重力；F为支持力；
Q为剪切力：
Tmax为最大剪切应力；A为导位销退刀槽面积；D为导位销退刀槽直径；K为安全系数，取K=1.3；
表1 螺栓、螺钉和双头螺柱的机械性能等级（GB3098.1-82）
机械性能等级3.64.64.85.65.86.88.89.810.912.9
≤M16>M16
最小抗拉强度极限B min
(N/mm2)33040042050052060080083090010401220
最小屈服极限Smin或0.2min
(N/mm2)1902403403004204806406607209401100
最低硬度HBSmin90109113134140181232248269312365
注：①8.8级中≤M16、>M16一栏，对钢结构的螺栓分别改为≤M12和>M12。
②紧定螺钉的性能等级与螺钉不同，此表未列入。
表2 螺栓联接的许用剪应力[]和许用挤压应力[p] N/mm2
许用剪应力[]许用挤压应力[p]
被联接件为钢被联接件为铸铁
静载荷0.4S0.8S(0.40.5) B
变载荷(0.20.3) S(0.50.6) S(0.30.4) B
注：B为钢材的屈服极限，N/mm2；B为铸铁的抗拉强度极限，N/mm2。
表3 500kV某站5043断路器B、C相导位销硬度测试报告
测试相别前端后端
5043 B 相HB253255
5043 C 相HB257242
正常值为HB220-260
根据表1、表2，及厂方的材料硬度报告(表3)，当螺栓受振动时，按变载荷计算，即：
许用剪应力[τ]= 0.3×σs=0.3×660=192(N/mm2)=1.98(MPa)
因此：原螺栓的最大剪切应力2.11Mpa>许剪应力1.98MPa.不能满足可靠性要求。
另外，从导位销的结构组成来判断其性能，如表4所示，导位销的材料为SCM435，根据其成分相当于国标的35CrMo或42CrMo.
表4 500kV某站5043断路器B、C相导位销组成成分表
测试项目成分(%)
CSiMnPSNiCrMo
5043 B相0.350.280.720.0130.0150.0311.010.18
5043 C相0.350.280.710.0140.0140.0311.010.17
SCM4350.33-0.380.15-0.350.6-0.9<0.03<0.03<0.250.9-1.20.15-0.3
由上表可以看出，SCM435属于中碳合金钢，结合其硬度，判断该材料属于调质钢，在经过热处理之后，具备一定的硬度、强度基础上仍保持较好的塑性、韧性。广泛应用于轴类机构上。因此其选材没有错误。
3、解决方法
减少或避免附加应力、减少应力集中。
当被联接件、螺母或螺栓头部的支撑面粗糙被联接件因刚度不够而弯曲、钩头螺栓以及装配不良等都会使螺栓中产生附加弯曲应力。对此，应从结构或工艺上采取措施，如规定螺纹紧固件与联接件支撑面的加工精度和要求；在粗糙表面上彩需经切削加工的凸台（图4-a）或沉头座（图4-b）；采用球面垫圈（图4-c）或斜垫圈（图4-d）等。
螺栓上的螺纹（特别是螺纹的收尾）、螺栓头和螺栓杆的过渡处以及螺栓横截面面积发生变化的部位都会产生应力集中。为减少应力集中，可采用较大的圆角（图4-e）和卸载结构（图4-f）等措施。
最终，经过讨论决定，加强导体联接部分结构，具体修改如图5所示：
由图5可知，导体的支撑面由原来依靠导位销的端面，更改成依靠屏蔽罩的端面支撑，(图中红线部分)，支撑面大大增加，机构的刚度有较好的改善，相同条件下所承受的剪切应力就小得多。因此，这个结构能够较好地解决操作过程中所带来的应力集中问题。
结束语
500kVH-GIS设备的厂家在设计时应当全面考虑，不单单设备的电气性能需要满足，设备的机械性能、机械结构的合理性也应当慎重考虑，应当做好设备出厂前的强度试验，防止类似情况的再次发生。作为验收单位应当全面做好试验记录，对厂家的设备性能提出抗疲劳要求，确保设备的可靠运行。
参考文献
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[2] 濮良贵,纪名刚.西北工业大学机械原理及机械零件教研室,机械设计(第七版)[J].北京高等教育出版社，2001
[3] 梁耀能.机械工程材料[M].广州华南理工大学出版社，2002.2
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