一例500kV高壓隔離開關(guān)萬向節(jié)頭斷裂情況的分析

蔣慶云　蔣林高

摘 要：針對某500 kV變電所GW35-550DW型高壓隔離開關(guān)萬向節(jié)頭傳動軸承倒閘操作過程中發(fā)生斷裂的情況，對高壓隔離開關(guān)斷裂萬向節(jié)頭進行了外觀檢查、試驗掃描電鏡分析、金相分析以及化學(xué)成分分析。通過檢查和試驗分析發(fā)現(xiàn)，高壓隔離開關(guān)斷裂萬向節(jié)頭存在較多的鑄造工藝缺陷，且其化學(xué)成分中碳含量明顯超標，由此確定高壓隔離開關(guān)萬向節(jié)頭斷裂的主要原因為制造工藝缺陷和材質(zhì)不良，并針對高壓隔離開關(guān)故障提出了提高高壓隔離開關(guān)運行可靠性的意見和建議。

關(guān)鍵詞：隔離開關(guān) 萬向節(jié)頭 斷裂 分析 鑄造

中圖分類號：TM564 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（a）-0032-02

高壓隔離開關(guān)是電力系統(tǒng)中使用量最大、應(yīng)用范圍最廣的高壓電器設(shè)備，其可靠性事關(guān)電網(wǎng)安全可靠運行。但是由于高壓隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)相對簡單，制造相對不受重視，且由于制造工藝、維護管理、環(huán)境等因素的影響，其在運行中存在著諸如分合閘不到位、合分閘三相不同步、拒合、拒分、回路電阻超標、零部件表面銹蝕所致操作不靈、金屬部件斷裂等問題，因而其質(zhì)量難以保證[1-2]。

2014年10月17日，某500 kV變電所一垂直伸縮式高壓隔離開關(guān)在停電倒閘操作過程中其發(fā)生B、C相可調(diào)拉桿萬向節(jié)頭傳動軸承斷裂，下圖1所示為該故障高壓隔離開關(guān)導(dǎo)電底座裝配圖，發(fā)生斷裂的部位為圖示高壓隔離開關(guān)右側(cè)萬向節(jié)頭。故障高壓隔離開關(guān)型號為GW35-550DW，出廠時間為2008年12月，投運時間為2009年12月。

1 高壓隔離開關(guān)的外觀檢查

外觀檢查發(fā)現(xiàn)，故障高壓隔離開關(guān)的斷裂萬向節(jié)頭外觀完整且無明顯塑性變形，其裸露在空氣中的關(guān)節(jié)軸承和部分螺桿表面有明顯的紅褐色腐蝕斑點，擰緊在拉桿內(nèi)部的螺桿表面無腐蝕跡象。從故障高壓隔離開關(guān)上更換下來的萬向節(jié)頭中觀察，其中A相的一個萬向節(jié)頭也銹蝕較重，并存在大量的微裂紋，而其它萬向節(jié)頭銹蝕輕微或無明顯銹蝕，且外觀檢查未見明顯裂紋。

外觀檢查還發(fā)現(xiàn)，在斷裂的萬向節(jié)頭軸承圓形受力區(qū)域表面分布有大量的宏觀裂紋和微裂紋，而對斷裂萬向節(jié)頭進行滲透探傷發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過滲透探傷后萬向節(jié)頭裂紋顯示更明。在實驗室對斷裂的萬向節(jié)頭關(guān)節(jié)軸承斷口形貌觀察和分析，發(fā)現(xiàn)其斷面粗糙、起伏明顯，具有較強的金屬光澤和粗大的條狀結(jié)晶顆粒，且其部分區(qū)域已經(jīng)生銹，但斷口邊緣沒有明顯的塑性變形痕跡，上述現(xiàn)象說明斷裂萬向節(jié)頭斷口具有鑄件脆性斷裂的典型特征[3]。

2 故障高壓隔離開關(guān)的試驗分析

2.1 斷口的掃描電鏡分析

掃描電鏡是介于透射電鏡和光學(xué)顯微鏡之間的一種微觀性貌觀掃描電子顯微鏡察手段，可直接利用樣品表面材料的物質(zhì)性能進行微觀成像。將斷裂的萬向節(jié)頭斷口表面經(jīng)超聲波清洗后，在實驗室掃描電鏡下進行觀察，其在低倍下斷口即可觀察到粗大的柱狀晶顆粒，部分晶粒之間還存在晶間裂紋；另一部分區(qū)域可以明顯的觀察到河流狀花紋，為準解理形貌，上述現(xiàn)象說明此次故障高壓隔離開關(guān)萬向節(jié)頭斷裂同時具有沿晶斷裂和準解理斷裂的特征，其屬于脆性斷裂。

2.2 金相分析

金相分析是金屬材料試驗研究的重要方法，采用定量金相學(xué)原理，由二維金相試樣磨面或薄膜的金相顯微組織的測量和計算來確定金屬組織的三維空間形貌，從而建立合金成分、組織和性能間的定量關(guān)系。對斷裂的高壓隔離開關(guān)萬向節(jié)頭和新的萬向節(jié)頭取樣制成金相樣品，用FeCl3鹽酸水溶液浸蝕，在實驗室金相顯微鏡下觀察。根據(jù)金相顯微鏡觀察，兩個試樣的金相組織都是奧氏體，但斷裂的萬向節(jié)頭其制造工藝為鑄造，由金相試驗還發(fā)現(xiàn)其金相組織晶粒明顯粗大，大小不均勻，存在晶間孔洞和第二相組織，且其靠近邊沿處還發(fā)現(xiàn)有晶間孔洞和晶間裂紋連接在一起形成的微裂紋。而新的萬向節(jié)頭其制造工藝為鍛造，其金相組織晶粒細小、均勻，屬于典型、正常的鍛件組織[4]。

2.3 化學(xué)成分分析

化學(xué)分析從大類可分為經(jīng)典的重量分析和容量分析。重量分析是指根據(jù)試樣經(jīng)過化學(xué)實驗反應(yīng)后生成產(chǎn)物的質(zhì)量來計算式樣的化學(xué)組成；而容量分析法則根據(jù)試樣在反應(yīng)中所需要消耗標準試液的體積測定式樣的主要成分，也可以測定試樣的次要成分。對斷裂的高壓隔離開關(guān)萬向節(jié)頭、未斷裂且表面無銹跡的萬向節(jié)頭以及新的萬向節(jié)頭進行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果如表1所示。由表1可知，其中斷裂萬向節(jié)頭的碳元素含量明顯偏高，不符合相關(guān)標準的技術(shù)要求，而未斷裂的萬向節(jié)頭Ni元素含量略低于相關(guān)標準的技術(shù)要求，新的萬向節(jié)頭完全符合相關(guān)標準技術(shù)要求。

3 結(jié)語

高壓隔離開關(guān)萬向節(jié)頭的外觀檢查結(jié)果表明，斷裂萬向節(jié)頭的關(guān)節(jié)軸承塑性較差，其在使用過程中萌生了大量的宏觀裂紋和微裂紋，且其表面有大量的銹斑。綜合萬向節(jié)頭斷口掃描電鏡觀察分析、金相分析、化學(xué)成分分析，斷裂萬向節(jié)頭其材質(zhì)的碳含量為國家標準兩倍，同時存在較多的鑄造缺陷。

不銹鋼材質(zhì)碳含量超標，其碳元素會與其他元素形成—系列復(fù)雜的碳化物，從而增加鋼的冷脆性和時效敏感性，并容易引起晶間腐蝕和降低鋼的耐大氣腐蝕能力。此外，由于斷裂萬向節(jié)頭屬于鑄造件，其內(nèi)部容易出現(xiàn)組織粗大、孔洞、夾雜或第二相等冶金缺陷，而晶粒粗大會降低鋼材的綜合力學(xué)性能和裂紋擴展功并提高冷脆區(qū)域，不銹鋼中存在的晶間孔洞和第二相會則會降低不銹鋼的塑性和韌性，并在材質(zhì)內(nèi)部引起應(yīng)力集中并導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生。外觀檢查和試驗分析表明，制造工藝缺陷以及材質(zhì)不良是故障高壓隔離開關(guān)萬向節(jié)頭斷裂的主要原因。

提高高壓隔離開關(guān)的可靠性事關(guān)電網(wǎng)安全可靠運行，針對該文中所反映出的高壓隔離開關(guān)故障，建議設(shè)備運行維護單位加強入網(wǎng)設(shè)備及其零部件的質(zhì)量驗收與管理工作，特別是高壓隔離開關(guān)的質(zhì)量驗收工作，并在高壓隔離開關(guān)的招標技術(shù)協(xié)議中明確高壓隔離開關(guān)的萬向節(jié)頭部件必須為鍛造件，并在設(shè)備停電檢修過程中加強對高壓隔離開關(guān)萬向節(jié)頭等金屬部件的檢查和維護工作。

參考文獻

[1] 鐘振蛟.戶外隔離開關(guān)機械故障的起因及預(yù)防[J].高壓電器，2006，42（6）：55-56.

[2] 盛明學(xué)，王志清.戶外高壓隔離開關(guān)常見故障的原因分析與處理[J].高壓電器，2010，46（10）：28-29.

[3] 鄭偉濤.材料科學(xué)與工程導(dǎo)論[M].長春：吉林大學(xué)出版社，1999.

[4] 趙程，楊建民.機械工程材料[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2007.