10 kV開關柜接地閘刀限位器失效的原因分析

湯金興， 范 明，張 杰， 沈中元，彭明法

（1.國網浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033；2.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014)

10 kV開關柜接地閘刀限位器失效的原因分析

湯金興1， 范 明1，張 杰2， 沈中元1，彭明法1

（1.國網浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033；2.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014)

對某變電站內10 kV中置式開關柜的接地閘刀限位器碎裂樣品進行宏觀檢驗和成分光譜分析，綜合檢驗結果表明，損壞的限位器制造工藝粗糙、鋁的含量偏低，是導致該鋁鑄件在十多年的運行后變脆破裂的根本原因，并據此提出了相應的改進措施。

接地閘刀；地刀限位器；傳動機構；失效

某變電站核對10 kV間隔接地閘刀信號過程中，發現后臺信號與實際位置不對應，現場檢查發現，該接地閘刀的限位器已嚴重碎裂，進一步對該站其他35個配有接地閘刀的10 kV開關柜間隔進行檢查，發現有26個間隔的接地閘刀限位器有明顯碎裂現象。

這26個間隔開關柜均為某制造廠2001年的產品，另外9個未發現損壞的則為2005年的產品。限位器在接地閘刀分合閘操作過程中，用以限制操作至終點的位置，防止操作越位，且同時起固定傳動桿的作用，一般為鋁塊鑄件。

1 檢驗結果及其分析

1.1 限位器失效狀況

現場檢查失效的限位器碎裂狀況見圖1，限位器的碎裂導致運行人員無法進行正常分合接地閘刀操作，并且使得接地閘刀傳動桿上的輔助接點切換不正常，導致后臺信號與實際位置不對應。此類故障的發生可能造成工作人員誤判斷接地閘刀的實際位置，并可能導致嚴重的誤操作事故[1]。應對失效樣品進行宏觀檢查、成分光譜分析等檢驗，進而對限位器碎裂的原因進行分析。

圖1 限位器碎裂前與碎裂后形狀

1.2 宏觀檢驗

宏觀檢查也稱為低倍檢查，即利用肉眼、低倍放大鏡或顯微鏡觀察金屬材料內部組織及缺陷的檢驗。

限位器碎成多塊，外表幾乎沒有變形，圖2是限位器碎裂塊的宏觀分析照片。在某些斷口處可見明顯宏觀裂紋，斷口粗糙，有明顯脆性斷口特征。

1.3 材質成分光譜分析

向廠家咨詢材質成分如表1所示，相對于標準值，Cu含量偏低，Pb和Cd含量偏高。廠家認為限位器碎裂的主要原因是銅含量偏低。

委托國網浙江省電力公司電力科學研究院采用DS-8000分析儀，對未斷裂的鋁塊、新材料替換件以及斷裂的鋁塊分別進行了分析，試驗分析結果如表2所示。

圖2 限位器碎裂塊的宏觀形貌

表1 廠家提供的限位器材質成分 %

表2 限位器成分光譜分析結果 %

由試驗分析結果可知：碎裂限位器鑄件的主要成分為Zn，含量為86.39%～92.27%，在未碎裂和新的限位器中都含有Al成分，含量為7.9%～9.82%，而碎裂的鋁塊則不含Al成分。同元件不同批次產品材質存在重大差異，據此進一步要求廠家提供元件材質牌號。根據設計圖紙顯示該材質設計牌號為AlSi12，按照GB/T 1173-1995《鑄造鋁合金》，AlSi12合金代號為ZL102，Si含量約10.5%～13.5%，Al含量應為85%～87%。很明顯，成分分析結果表明送樣不符合AlSi12要求。

根據相關文獻資料[2]，鋁在鋅合金中的含量對合金的機械性能影響如下：當鋁的含量小于10%時，隨著鋁含量的提高，合金的抗拉力強度、伸長率、硬度等指標都有逐步提高；當鋁含量大于6%時隨著含量提高這些指標提升尤為明顯，如圖3—5所示。從表2中可以看出，碎裂的限位塊中幾乎不含鋁，未碎的限位塊中鋁含量為7.9%～9.8%，正說明了隨著鋁含量的增加，限位塊的機械性能有所提高。經查閱相關文獻[3]，廠家設計的牌號為ZL102的鋁材，其拉伸試驗伸長率為4%，而鋅合金該指標一般≤1.2%，也即廠家用延展性差的鋅合金代替了設計的鋁合金，使得限位塊力學性能不能滿足設計要求，這是導致限位塊碎裂的主要原因之一。

圖3 鋁含量對抗拉強度的影響

圖4 鋁含量對硬度的影響

圖5 鋁含量對伸長率的影響

2 限位器的作用及碎裂原因分析

2.1 限位器的作用

10 kV接地閘刀傳動機構如圖6所示，其傳動連桿上裝有2個扇形片，當進行分合閘操作時，通過輔助接點扇形片的上下兩觸點，接通接地閘刀的輔助接點回路，將實際位置信號通過輔助回路傳至監控后臺及保護測控裝置[4]。

目前接地閘刀普遍采用手動分合閘操作，限位器的作用有：

（1）對接地閘刀的傳動桿起到固定作用。

（2）通過傳動桿上扇形片的物理位移，接點接通或斷開接地閘刀輔助觸點。

（3）限制分合閘至終點時的位置，以防損壞部件及輔助回路。

（4）通過傳動桿帶動開關柜下柜門機械傳動，實現分閘時閉鎖下柜門，合閘時解鎖下柜門[5]。

2.2 限位器碎裂原因分析

限位器受力過大不均可能導致限位器模塊碎裂。在接地閘刀分合閘操作過程中，當操作至終點位置時，限位器的限位塊將受到傳動機構一個沖擊力。在長期的操作過程中，限位器永久性累積損傷（金屬疲勞），經過一定次數后產生裂紋或斷裂。通過對正常接地操作、操作方法等情況進行分析，且現場損壞的限位器并無明顯的變形，據此認為受力過大不均并非是引起限位器碎裂的主要原因。

碎裂限位器經檢測，Al含量約0～9.82%，Si約0.003%，主要成分為 Zn，含量約85.36%～92.27%。按照GB/T 1173-1995《鑄造鋁合金》，AlSi12合金代號為 ZL102，Si含量約 10.5%～13.5%，Al含量應在85%～87%。很明顯，送樣不符合AlSi12要求。

限位器逐漸碎成多塊（見圖1），幾乎沒有變形，有的斷口附近有宏觀裂紋（見圖2），斷口粗糙，有明顯脆性斷口特征。分析認為錯用脆性材料Zn代替Al是鑄件斷裂的主要原因。

圖6 接地閘刀傳動機構

3 結論

（1）限位器碎裂并非是外力過大，主要原因應是制造廠家錯用脆性材料Zn代替韌性較好的材料Al。

（2）生產廠家不能確定材質是鋅合金還是鋁合金，說明對產品材質不重視。設計材質與實際使用材質并不符合，表明廠家未按照設計方案進行產品的加工、檢驗。

（3）為避免由于限位器碎裂而導致接地閘刀的操作出現問題，在設備投產前，對部件的參數應與廠家進行確認，嚴格把好質量關，做好驗收工作，確保設備的相關功能得以正常實現。

（4）應加強金屬監督抽檢工作，在設備正常運行期間，做好檢查維護工作，這樣有利于及時發現問題，避免運行中臨時停電。

（5）建議對同批次的產品及其它批次的產品進行排查，檢查是否有類似問題，若有，則需進一步整改。

[1]吳亞軍.淺談中置柜常見故障及處理分析[J].科技資訊，2009（34）∶80-82.

[2]劉洪軍，李亞敏，郝遠.Al、Cu含量對Zn-Al-Cu-Mg合金性能的影響[J].鑄造技術，2007，28（6）∶823-826.

[3]GB/T 15114-2009鋁合金壓鑄件[S].北京：中國標準出版社，2009.

[4]張滕飛，金胤豪，徐胡平.10 kV開關柜接地閘刀狀態指示裝置異常分析與研究[J].華東電力，2013，41（10）∶2203 -2204.

[5]潘國華.對10 kV ABB開關柜防誤閉鎖裝置的完善[J].電力安全技術，2012，14（10）∶62-63.

[6]汪洪明，丁罕，胡一峰.倒閘操作中幾起接地閘刀典型異常實例分析[J].電力系統保護與控制，2008，36（23）∶125-127.

（本文編輯：楊 勇）

Cause Analysis on Failure of Earthing Switch Block in 10 kV Switch Cabinet

TANG Jinxing1，FAN Ming1，ZHANG Jie2，SHEN Zhongyuan1，PENG Mingfa1
（1.State Grid Jiaxing Electric Power Company，Jiaxing Zhejiang 314033，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

Macroscopic examination and composition spectral analysis on crack samples of earthing switch block in 10 kV centrally-installed switch cabinet are implemented.The comprehensive test indicates that low content of aluminum and the coarse manufacturing process are the main reason of block cracking after more than ten year′s operation.According to the analysis some improvements are proposed.

earthing switch；block of earthing switch；transmission mechanism；failure

TM564.1

B

1007-1881（2015）05-0066-03

2015-03-09

湯金興（1980），男，變電檢修高級技師，工程師，主要從事變電檢修技術管理工作。