一起220kV隔離開關操動機構故障分析

陳 莉 張瑞明 馬 莉

一起220kV隔離開關操動機構故障分析

陳 莉1張瑞明2馬 莉1

（1. 昌吉學院，新疆 昌吉 831100；2. 新疆電力公司昌吉供電公司，新疆 昌吉 831100）

針對一起發生在變電站送電過程中的220kV 氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）隔離開關操動機構傳動軸斷裂的典型故障，詳細介紹故障排查過程，并用光譜分析、硬度試驗、顯微組織檢驗、斷口掃描電子顯微鏡（SEM）形貌分析等方法深入分析故障的原因，提出加強設備驗收、加強質量監督等措施以提高設備投運質量。

操動機構；斷裂；光譜分析；掃描電子顯微鏡（SEM）形貌分析

0 引言

隔離開關是電力系統中一種很重要的開關設備，在隔離開關缺陷類型統計中，隔離開關故障有絕緣子斷裂、開關拒分拒合、合閘不到位、導電回路異常發熱、絕緣子破損或有裂紋、操動機構故障等，其中發熱是電氣故障，其他的都是機械故障[1-4]。

1 故障情況

2021年7月10日，在220kV某變電站220kV某線送電過程中，運維操作人員拉開2號主變22023隔離開關時，隔離開關出現操作不到位故障，搶修人員與設備廠家一同對操動機構進行解體分析，將機構從殼體中取出，發現連接驅動板與小拐臂的軸發生斷裂，導致作用在傳動軸上的力無法繼續傳遞，動力輸出中斷。現場傳動軸檢查情況如圖1所示。

為進一步分析故障原因，搶修人員將該斷裂傳動軸（1號試樣）與同型號操動機構傳動軸（2號試樣）一同送往實驗室進行對比試驗分析。

圖1 現場傳動軸檢查情況

該隔離開關為2020年3月20日出廠，型號為NGDS2—I Ⅲ，所配操動機構型號為CJ23，未投運。

2 檢查與試驗

2.1 外觀檢查

搶修人員現場檢查軸的斷裂位置在軸六棱面與圓柱面交界處，斷口平整、無明顯的塑性變形，整個斷口呈明顯的脆性斷裂，另外中部的顏色較邊緣深，呈灰黑色，如圖2所示。

圖2 傳動軸斷裂位置及斷口形貌

進一步對斷口進行體視顯微鏡放大檢查，發現局部存在疑似裂紋，如圖3所示，另外可觀察到中部圓形顏色較深的斷裂紋路與邊緣明顯不同。

2.2 光譜分析檢測

對操動機構傳動軸進行光譜分析檢測，檢測結果見表1，結果表明傳動軸的化學成分符合設計材質。

圖3 體視顯微鏡檢查斷口結果

表1 傳動軸元素檢測結果 （%）

2.3 硬度試驗

對傳動軸的截面進行硬度試驗，試驗結果見表2。試驗結果表明，斷裂的1號傳動軸的硬度不滿足文獻[5]的標準要求，而2號未斷裂傳動軸的硬度滿足標準要求。

表2 截面硬度試驗結果

2.4 金相分析檢測

對主動軸斷裂部位附近截取橫斷面進行金相組織分析，如圖4所示，其顯微組織為回火索氏體，相比芯部，邊緣部位存在少量的鐵素體。

圖4 1號試樣斷面微觀金相組織

對2號試樣軸的相同部位截取橫截面，對其橫截面進行檢驗，未見微裂紋等異常現象，且組織形貌為回火馬氏體，如圖5所示。

圖5 2號試樣斷面微觀金相組織

2.5 斷口形貌分析

對斷口進行掃描電鏡分析，其掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope, SEM）形貌如圖6所示，發現斷口存在部分軸向裂紋，在裂紋附近還存在孔洞，個別孔洞邊緣已延伸成小裂紋。

3 故障原因分析

1）從光譜分析及微觀金相組織分析結果看，該軸材料化學元素滿足40Cr標準要求，其微觀金相組織也為調質處理（淬火加高溫回火）。

圖6 斷口SEM形貌

2）從硬度檢測結果看，斷軸（1號試樣）較未斷軸（2號試樣）的硬度稍高。

3）從斷口的SEM形貌看，斷口分布長短不一的軸向裂紋，在軸向裂紋附近還存在一定數量的孔洞，部分孔洞邊緣已發展至微裂紋。

綜上所述，該主動軸內部存在裂紋缺陷是此次斷裂的主要原因，裂紋產生的原因與該軸熱處理的工藝有關，通常在淬火組織處理中過熱就會造成淬火裂紋；其次通過外觀檢查該軸圓柱過渡至六棱柱的不連續臺階，也是應力最集中的部位，軸內部若有缺陷，極易在此部位斷裂。

4 結論

通過外觀檢查及試驗檢測分析，該220kV GIS隔離開關傳動軸熱處理出現淬火組織過熱嚴重，即淬火溫度控制工藝出現問題，導致軸內部出現孔洞，受力時產生裂紋，最終導致傳動軸斷裂的故障。因此，針對該典型的隔離開關傳動軸故障提出以下防范措施：

1）對同批次和同型號的傳動軸進行光譜分析、硬度檢測等專項排查，對排查不合格的要求廠家進行整體更換。

2）設備廠家按照文獻[6]中對金屬材料和部件材質的要求，加強設備操動機構關鍵受力部件出廠時的檢驗，保障部件無問題出廠。

3）應加強設備采購時的技術質量管控，落實設備質量抽檢，除了對設備本體的檢測，還應加強設備附屬機構、材料等檢測，確保設備各項參數合格。

4）項目管理單位應加強驗收，對設備出廠試驗報告、金屬材料抽檢報告等進行驗收，無檢測報告的視為產品不合格。

[1] 秦斌. 高壓隔離開關典型機械故障與檢測方法分析[J]. 消費導刊, 2018, 31: 119.

[2] 鄭曉瓊, 戚矛, 王鵬輝, 等. 高壓隔離開關常見異常及處理[J]. 自動化應用, 2017(5): 113-115.

[3] 于曉翔. 500kV高壓開關設備隔離開關絕緣拉桿故障分析[J]. 電氣技術, 2021, 22(2): 54-58.

[4] 張少玉, 周艷青, 羅永吉. 高海拔地區變電站500kV高抗回路隔離開關斷口優化研究[J]. 電氣技術, 2019, 20(1): 84-87, 92.

[5] 合金結構鋼: GB/T 3077—2015[S]. 北京: 中國標準出版社, 2016.

[6] 國家電網有限公司. 國家電網有限公司十八項電網重大反事故措施(2018年修訂版)及編制說明[M]. 北京: 中國電力出版社, 2018.

Operating mechanism fault analysis of a 220kV isolating switch

CHEN Li1ZHANG Ruiming2MA Li1

(1. Changji University, Changji, Xinjiang 831100;2. Xinjiang Electric Power Corporation, Changji, Xinjiang 831100)

Aiming at an atypical fault of 220kV gas insulated switchgear (GIS) isolating switch operating mechanism transmission shaft fracture, the process of fault checking is introduced in detail. The cause of this fault is analyzed by spectrum analysis, hardness test, scanning electron microscope (SEM) analysis of fracture surface. Measures such as strengthening equipment acceptance and quality supervision are put forward to improve the quality of equipment operation.

operating mechanism; fracture; spectral analysis; scanning electron microscope (SEM) morphology analysis

2022-02-10

2022-02-22

陳 莉（1985—），女，四川省瀘州市人，碩士，講師，工程師，主要從事電氣設備故障診斷、系統運行分析研究教育工作。