變電站斷路器卷簧斷裂分析

葉建鋒，熊 宇，田 澤，梅云平，沈祎儂

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢430077；2.湖北方源東力電力科學研究有限公司，湖北 武漢430077）

0 引言

斷路器屬于高壓開關類設備的一種，在變電站中的作用是切斷故障電流，保護主變壓器等重要設備，防止事故擴大的主要機構［1-2］。斷路器可分為油斷路器、SF6斷路器、壓縮空氣斷路器、真空斷路器等［3］。斷路器一般由導電部分、絕緣部分、接觸與滅弧部分及操動機構部分，其中操動機構部分是保證斷路器快速切斷故障電流的主要部分，其故障發(fā)生率在斷路器的故障中占比較大［4-5］。

操動機構分為液壓操動機構、彈簧操動機構以及電磁操動機構，其中彈簧操動機構由于其操作能量小、分合閘速度快、機械壽命長等特點在斷路器中被廣泛使用，同時，由于彈簧操動機構故障而導致的斷路器故障時有發(fā)生［6-14］。

1 概況

某500 kV 變電站的220 kV 斷路器A 相于2019 年12月出現(xiàn)異常的反復打壓現(xiàn)象，拆解后發(fā)現(xiàn)斷路器儲能機構中的卷簧斷裂。

該斷路器為A 廠家生產(chǎn)的斷路器，2007 年7 月投運，上次年度檢修時間為2016年5月，上次年度檢修時各項試驗數(shù)據(jù)合格。

圖1為卷簧的加工圖紙，從圖紙可知，該卷簧材質為DIN 1.7701（51CrMoV4）的彈簧鋼，執(zhí)行標準為DIN EN 10089-2003，卷簧厚度為11.2 mm，寬度為120 mm，由7圈組成，斷口位于從內(nèi)向外數(shù)第3圈。

該標準對該牌號彈簧鋼的化學成分、硬度、力學性能和表面脫碳層均作出規(guī)定，以下將通過磁粉檢測、滲透檢測、光譜分析、硬度測量、拉力試驗、脫碳層檢測、金相檢驗、斷口分析等試驗對卷簧斷裂原因進行分析，圖紙中有規(guī)定質量要求的項目按照圖紙執(zhí)行，否則按標準《DIN EN 10089-2003 淬火和回火彈簧用熱軋鋼材.交貨技術條件》執(zhí)行。

2 試驗與分析

2.1 試驗計劃

根據(jù)故障情況、加工圖紙及目前掌握的信息計劃做表1中的試驗。

圖1 卷簧加工圖Fig.1 Drawing of coil spring

表1 試驗計劃Table 1 Test plans

2.2 磁粉檢測、滲透檢測

對卷簧進行磁粉檢測［15-18］及滲透檢測，未發(fā)現(xiàn)裂紋及其他缺陷。

2.3 光譜分析

使用M5000 全元素光譜儀對卷簧進行光譜分析，結果如表2所示，從光譜分析結果可見，卷簧的化學成分符合標準要求。

表2 光譜分析結果Table 2 Results of spectral analysis

2.4 硬度測量

使用HBRV-187.5布洛維硬度計對卷簧進行硬度測量，結果如表3 所示，圖紙要求硬度為45～48 HRC，從表3可見，該卷簧的硬度偏高［19-21］，不符合圖紙上的技術要求。

2.5 拉力試驗

使用WAW-600 kN 萬能試驗機對卷簧進行拉力試驗，抗拉強度實測值為1 777 MPa，標準中抗拉強度的參考值為1 450～1 750 MPa，從實測結果可見，該卷簧的抗拉強度偏高。

表3 硬度測試結果Table 3 Results of hardness

2.6 脫碳層檢驗

對卷簧進行脫碳層檢驗［22-24］，脫碳層實測深度如表4 所示，從實測結果可見，脫碳層深度符合標準要求。

表4 脫碳層深度測量結果Table 4 Results of decarburization layer detection

2.7 金相檢驗

使用Axio Observer金相顯微鏡對卷簧取樣進行金相檢驗，金相組織為回火索氏體，如圖2所示。

圖2 金相組織Fig.2 Metallographic structure

2.8 斷口分析

對卷簧的斷面進行宏觀檢查，如圖3所示，從斷面的宏觀形貌可以判斷，下圖中紅框部位為裂紋起源部位（河流花樣的收斂部位），而卷簧的4 個邊沿為最終斷裂部位（最終斷裂部位存在剪切唇），裂紋擴展方向為箭頭所指方向。

圖3 斷口宏觀形貌Fig.3 Macroscopic fracture morphology

使用掃描電鏡對裂紋起源區(qū)進行觀察，結果如圖4～圖6所示。

圖4中紅色方框部位有深度約1.5 mm的磨損擠壓痕跡，為卷簧形成初始裂紋后裂紋兩邊相互擠壓導致的磨損擠壓痕跡，該磨損擠壓痕跡導致裂紋起源處的部分原始形貌破壞。

圖5和圖6分別為圖4中1號和2號紅色圓圈部位的放大圖，從圖5、圖6 可見，該部位為沿晶開裂，即脆性開裂。

圖4 裂紋起源區(qū)Fig.4 Crack origin area

圖5 裂紋起源區(qū)Fig.5 Crack origin area

圖6 裂紋起源區(qū)Fig.6 Crack origin area

對裂紋擴展區(qū)進行觀察，結果如圖7～圖8所示，圖8 為圖7 中紅色方框放大圖，從圖8 中可見，裂紋擴展區(qū)存在韌窩，為韌性開裂。

圖7 裂紋擴展區(qū)Fig.7 Crack growth area

圖8 裂紋擴展區(qū)Fig.8 Crack growth area

3 斷裂原因綜合分析

斷裂卷簧的化學成分、脫碳層深度均滿足標準要求，磁粉檢測及滲透檢測未發(fā)現(xiàn)斷裂處之外的部位存在裂紋的情況。

卷簧的硬度較圖紙的要求值稍微偏高（抗拉強度偏高也驗證了硬度偏高的事實）。

從掃描電鏡分析可見，裂紋的擴展區(qū)，即斷面的大部分區(qū)域均為韌性斷面，由此可見，該材料在純應力作用下呈現(xiàn)為韌性斷裂，但裂紋起源區(qū)則為沿晶的脆性斷面，由此推斷裂紋的起源不是單純由于應力導致（假如單純由應力導致，則裂紋起源部位應該也為韌性斷面），裂紋起源部位的沿晶斷面應該為熱處理導致的原始裂紋［25-29］。

綜上所述，卷簧的斷裂原因為熱處理導致卷簧表面局部存在原始裂紋。

4 結語

建議生產(chǎn)廠家對加工成型后的卷簧進行無損檢測，防止帶有表面缺陷的卷簧投入使用。卷簧卷制后受檢測空間的限制，使用常規(guī)的表面無損檢測方法無法對其進行全面檢測，超聲導波由于其傳播距離長的特點，且對于表面和內(nèi)部有相同的檢測靈敏度，可以用于卷簧表面缺陷的無損檢測［30-31］。

建議設備運維單位加強同類型斷路器操作機構的巡檢。

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