基于應力腐蝕的斷路器儲能機構失效原因分析

田 澤，阮嘉誠，葉建鋒，熊 宇，梅云平，馮紅武

（1.國網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

斷路器是變電站和換流站線路的主要構件之一，主要作用是切斷線路的運行電流，斷路器安全穩定運行關系到線路開斷操作的可靠性。而儲能機構是為斷路器提供操作能量的部件，儲能機構發生故障將導致斷路器無法正常動作。

近年來，隨著變電站和換流站的大規模建設和投運，站內斷路器設備保有量迅速增加，而且隨著斷路器服役時間的增長，發生故障的斷路器數量不斷增加［1-10］，有些故障原因為斷路器傳動機構損壞［11-14］，有些故障原因為儲能機構工作缸缸體應力腐蝕開裂［15-25］，設備故障的增加給設備運維工作帶來極大負擔，相關人員對斷路器的狀態和壽命進行評定和研究［26-29］，得出了很多有價值的運維經驗。

據統計，斷路器儲能機構頻繁補壓是斷路器故障的常見原因之一，儲能機構一般采用彈簧儲能結構，通過活塞機構壓縮彈簧進行儲能，運維中多次發現高壓油缸油壓無法保持，補壓機構頻繁補壓的現象。經分析，造成該儲能機構故障的原因為工作缸缸體開裂，導致工作缸和輸油孔貫通，油壓無法保持而頻繁補壓。通過系統分析，儲能機構工作缸由7 系鋁合金制造，研究表明7 系鋁合金具有一定的應力腐蝕傾向。

1 故障經過

2016 年9 月2 日，某500 kV 變電站5023 斷路器C相操作機構出現頻繁補壓現象，監控中心報“分閘閉鎖”信號。停電檢修時發現B 相操作機構在分閘位置也存在泄壓和補壓現象。檢查出廠資料后發現，該斷路器為ABB 公司生產的ELK SP3 系列HGIS 組合電器產品，2011 年08 月出廠，2012 年10 月投產使用，機構正常工作壓力為33.0 MPa～34.2 MPa，油泵啟動壓力為33.2 MPa，停止壓力為34.2 MPa。

在進行解體前，分別對B相、C相操作機構的儲能泄壓情況進行了檢查。B 相機構在合位儲能后，彈簧能量保持較好；在分位儲能后，彈簧能量釋放較為迅速。C 相機構在分位和合位儲能后，彈簧能量均釋放迅速，并有內部液壓油的泄漏聲。

2 解體和外觀檢查

對B相和C相儲能機構的活塞缸體解體檢查，B相缸體內表面存在裂紋，如圖1所示，儲能機構的活塞缸體和輸油孔內均存在裂紋，缸體裂紋貫穿工作缸和輸油孔。C相缸體內表面裂紋如圖2所示，活塞缸體內表面有一道裂紋，裂紋貫穿高壓缸和輸油孔。由解體和外觀檢查可知，由于缸體裂紋使高壓缸、輸油孔貫通，導致高壓油缸內油壓無法保持，當工作缸油壓降低至油泵啟動壓力（33.2 MPa）時，斷路器補壓系統啟動，開始補壓。

圖1 B相缸體裂紋及示意圖Fig.1 Phase B cylinder cracks and schematic diagram

圖2 C相缸體裂紋及示意圖Fig.2 Phase C cylinder cracks and schematic diagram

由于B 相裂紋位于活塞缸體的底部，在合閘狀態下，活塞缸體底部的上下部分油路均為高壓油路，此時油壓可以維持，在分閘狀態下，活塞桿底部的上部分為高壓油路，下部分為低壓油路，此時油壓無法維持，故造成B相機構在分閘位置頻繁補壓。

由于C 相的裂紋貫穿于活塞缸體整個區域，因此無論在分閘位置還是合閘位置，其油壓均無法維持，故造成C相機構在分閘和合閘位置時均頻繁補壓。

3 設計資料審查

檢查出廠資料發現，該活塞缸體使用的材料為7020 T6 高強鋁合金鍛件，按照供貨協議，該材料的最小抗拉強度為410 MPa，最小屈服強度為370 MPa。經有限元分析（見圖3），缸體的最大應力為317.53 MPa，所以該缸體的選材滿足要求。

圖3 缸體有限元分析結果Fig.3 Finite element analysis results of cylinder block

原材料的入廠檢驗報告包括了力學性能檢驗、化學成分檢驗、宏觀組織檢驗、微觀組織檢驗和超聲檢驗，檢驗結果均為合格。由活塞缸體尺寸檢驗報告可知，缸體主要尺寸的偏差符合要求。此外，由出廠資料可知，該儲能機構缸體材料經過表面陽極氧化處理，該處理方式提高了材料的表面硬度，同時也提高了材料的應力腐蝕敏感性。

4 試驗與分析

選取儲能機構活塞缸體進行力學、光譜、硬度、金相和掃描電鏡分析。試驗結果如下。

4.1 力學性能試驗

從B相儲能機構活塞缸體上取樣進行室溫拉伸試驗，試驗結果如表1所示。可知，缸體材料力學性能指標滿足標準《BS EN 755-2-2008 鋁和鋁合金-擠壓棒、棒材、管材和型材—第2 部分：力學性能》和供貨協議的要求。

表1 原材料力學實驗結果Table 1 Experimental results of raw material mechanics

4.2 光譜分析

取樣進行光譜檢驗，結果如表2 所示。缸體材料化學成分符合標準《DIN-EN-573-3 鋁和鋁合金化學成分和半成品形狀第3部分：化學成分》的要求。

表2 光譜檢驗結果Table 2 Spectral test results

4.3 硬度測試

取樣進行硬度測試結果如表3 所示，從測試結果可知，實測硬度平均值比標準推薦值高14 HBW，設備廠家通過調節熱處理參數提高了7020 T6的硬度。

表3 硬度測試結果Table 3 Hardness test results

4.4 裂紋及斷口宏觀檢查

B相儲能機構工作缸體和輸油孔附近裂紋形貌如圖4和圖5所示。工作缸和輸油孔內均存在多條裂紋，且通過滲透試驗發現工作缸與輸油孔的裂紋是分別產生的，兩個部位的裂紋未連通，即工作缸和輸油孔之間不存在裂紋導致的通路，工作缸和輸油孔裂紋的相對位置如圖6所示。

圖4 B相工作缸表面裂紋Fig.4 Surface cracks of Phase B working cylinder

圖5 B相輸油孔表面裂紋Fig.5 Surface cracks of Phase B oil delivery hole

圖6 工作缸與輸油孔裂紋位置Fig.6 Crack location of working cylinder and oil delivery hole

用線切割方法沿C 相油缸缸體軸線方向取樣，得到如圖7 的裂紋試樣，試樣完全取出后發現輸油孔內還存在其他裂紋，如圖8所示。

圖7 裂紋試樣取樣部位Fig.7 Sampling position of crack sample

圖8 輸油孔內其他裂紋Fig.8 Other cracks in oil delivery hole

C相工作缸體側裂紋如圖9-圖10所示，在工作缸活塞桿活動區域涂有防磨涂層，涂層顏色較深。活塞桿活動區域內缸體存在兩條明顯獨立的裂紋，而從罐體頂部往下100 mm 范圍內無防磨涂層的缸體的裂紋基本在一條直線上。

圖9 工作缸裂紋1Fig.9 Working cylinder Crack 1

圖10 工作缸側裂紋2Fig.10 Working cylinder Crack 2

圖11 輸油孔側裂紋Fig.11 Crack on the side of the oil delivery hole

從C 相裂紋試樣工作缸和輸油孔兩側裂紋的分布判斷，貫穿兩側的裂紋只可能存在于從罐體頂部往下100 mm 范圍內，故從該部分進行取樣，獲得如圖12 所示的斷面試樣，從圖中可見，斷面中未見宏觀缺陷。

圖12 裂紋斷面試樣Fig.12 Crack cross section specimen

4.5 金相檢驗

4.5.1 無裂紋部位金相組織

從B相儲能機構缸體中無裂紋部位取樣進行金相檢驗，金相組織如圖13-圖14 所示。從圖13 可知，材料中無明顯非金屬夾雜物。由圖14可知，該鋁合金金相組織為正常的鍛造帶狀組織。

圖13 B相工作缸體金相（未侵蝕）Fig.13 Phase B working cylinder block metallography（uneroded）

圖14 B相機構金相（混合酸侵蝕）Fig.14 Phase B working cylinder block metallography（mixed acid corrosion）

4.5.2 裂紋附近的金相組織

從C相儲能機構缸體中裂紋附近取樣進行金相檢驗，如圖15-圖16所示。

圖15 缸體裂紋中部Fig.15 Middle part of cylinder block crack

從圖15-圖16可見，裂紋均沿著晶界擴展，并存在分支，這與鋁合金應力腐蝕的特征吻合。

圖16 缸體裂紋尖端Fig.16 Cylinder block crack tip

4.6 掃瞄電鏡斷面分析

使用掃描電鏡對裂紋斷面形貌進行觀察和微區成分分析，結果如圖17 和表4 所示，斷面的成分中有C、Mg、Zn、Al，各元素的含量如表4所示。

圖17 裂紋斷面掃描電鏡圖片Fig.17 SEM image of crack section

表4 裂紋斷面化學元素含量Table 4 Chemical element content of crack section

4.7 應力計算

對儲能機構活塞缸體結構的應力進行有限元分析，分閘和合閘狀態下缸體結構的有限元分析結果如圖18-圖19所示。

圖18 分閘狀態下工作缸和輸油孔中應力沿周向的分布Fig.18 Circumferential distribution of stress in working cylinder and oil delivery hole under open gate condition

圖19 合閘狀態下工作缸和輸油孔中應力沿周向的分布Fig.19 Circumferential distribution of stress in working cylinder and oil delivery hole under closing state

從有限元分析結果可見，在分閘狀態下，工作缸周向存在兩個應力極大值點（應力分別為219.32 MPa 和219.13 MPa），而合閘狀態下工作缸周向僅存在一個應力極大值點（應力為191.87 MPa）。

無論在分閘還是合閘狀態下，輸油孔周向僅存在一個應力極大值點。結合裂紋宏觀檢查結果，裂紋均出現在應力極大值的位置。

4.8 液壓油成分分析

現場抽取4 個儲能機構內的液壓油進行了水分、氯元素、鋁、銅、鎂、鋅等元素的分析，分析結果如表5所示。

表5 液壓油化學成分Table 5 Chemical composition of hydraulic oil

由于液壓油的密度通常為860 kg/m3，換算成ppm后水分含量為120 ppm～143 ppm。

5 故障原因綜合分析

從材料的力學性能、化學成分分析等結果可見，缸體材質滿足標準要求，同時也滿足設計要求。

從裂紋的宏觀檢查和缸體的有限元分析結果可知，缸體斷面內無宏觀缺陷，此外，缸體裂紋出現的位置與結構中應力極大值的位置相吻合。

從液壓油成分分析可見，運行后的液壓油中的水分較新油多了71.4%～104.3%，同時，液壓油中還含有微量的Cl、Al、Cu、Mg、Zn等元素，除了Zn元素外，其余元素都是新油中沒有的。Cl元素可能是隨著大氣中水分一起進入到儲罐中的，而Al、Cu、Mg等元素為缸體與活塞磨損擴散進入到液壓油中的。

從金相分析和掃描電鏡斷面分析可見，缸體材料中無明顯非金屬夾雜物，裂紋沿晶界擴展，與應力腐蝕的特征相吻合。斷面掃描電鏡未發現Cl、S 等元素。結合油樣中H2O和Cl-含量的分析結果，缸體的開裂機理應為有氯環境下的氫致應力腐蝕。相關研究表明，氫致應力腐蝕機理如下。

1）Al 和H2O 反應產生H 原子（2Al+3H2O=Al2O3+6H↑）；

2）Al2O3為致密氧化膜，隔絕Al和水，避免進一步反應；

3）氯與Al2O3反應破壞氧化膜（6Cl-+Al2O3=2AlCl3+3O），使鋁基體與水接觸；

4）重復1）～3）過程，導致宏觀裂紋的產生。

6 結語

綜上所述，由于空氣中的水分在運行過程中進入到儲罐內部與液壓油混合，使液壓油中的水分增加，當水分含量達到一定值后，在儲罐中輸油孔附近等應力極大值位置就會產生應力腐蝕裂紋，裂紋形成新的油路，當裂紋連通高壓油路和低壓油路時，將使高壓油路的壓力逐漸釋放，從而導致儲能失效。

建議變電站運維人員密切監控液壓油化學成分，防止形成應力腐蝕環境，預防應力腐蝕的產生；建議廠家取消儲能機構缸體表面硬化處理工藝，降低材料應力腐蝕開裂敏感性；建議廠家選用應力腐蝕敏感性較低的其他材料制作缸體。