LW33A-126型斷路器絕緣拉桿斷裂原因分析

陳國坤，代克順，劉榮海，楊迎春，許宏偉

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217）

0 前言

國家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展對(duì)電網(wǎng)的供電可靠性要求日趨增高，而電力設(shè)備安全可靠運(yùn)行是提高供電可靠性的重要支撐。斷路器是電網(wǎng)中開斷故障電流，改變運(yùn)行方式的關(guān)鍵設(shè)備，確保斷路器正常動(dòng)作是電力生產(chǎn)中最重要的環(huán)節(jié)之一[1-2]。斷路器因原材料、加工、裝配等把關(guān)不嚴(yán)導(dǎo)致斷路器存在運(yùn)行隱患，將嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的供電可靠性。

筆者通過分析一起因110 kV型號(hào)為LW33A-126型斷路器重要零部件加工缺陷導(dǎo)致拒分閘故障，通過測(cè)量外觀尺寸、化學(xué)成分、力學(xué)仿真等，查明了故障原因，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。

1 宏觀檢查

斷裂絕緣拉桿為某110 kV變電站110 kV母聯(lián)斷路器A相拉桿和氣缸拉桿，如圖1所示。拉桿斷裂在拉桿的端部銷釘孔位置，如圖2所示。圖3為氣缸拉桿連接板及其尺寸圖，對(duì)氣缸拉桿連接板進(jìn)行尺寸測(cè)量，發(fā)現(xiàn)連接板加工面底部和一側(cè)有凸起，凸起部位寬度為3.85 mm，板的正常厚度為10.04 mm，凸起部位最大厚度為11.28 mm，最小值為10.92 mm，氣缸拉桿連接孔一側(cè)也存在凸起，凸起高度最大值約為10.2 mm，見圖中陰影部分。

圖2 絕緣拉桿金屬部件斷裂位置

圖3 氣缸拉桿連接板

絕緣拉桿斷裂部位及部分尺寸如圖4所示，設(shè)計(jì)尺寸如圖5所示，根據(jù)設(shè)計(jì)可知，絕緣拉桿中間槽寬度為13 mm，兩側(cè)連接板厚度為7.5 mm。經(jīng)與實(shí)際測(cè)量結(jié)果對(duì)比可知，其加工臺(tái)階底部基本滿足設(shè)計(jì)要求，但一側(cè)存在再次加工痕跡，導(dǎo)致該側(cè)連接板厚度減薄，加工角度傾斜，使得該側(cè)連接板最大厚度為5.62 mm，最小厚度為5.12 mm。軸孔為橢圓形，其中長軸直徑為16.85 mm，短軸直徑為13.12 mm。孔邊緣與兩側(cè)的距離分別為6.62 mm、2.97 mm。

圖4 絕緣拉桿斷裂部位及尺寸示意圖

圖5 絕緣拉桿設(shè)計(jì)尺寸圖

圖6為氣缸拉桿和絕緣拉桿對(duì)接部位，對(duì)比發(fā)現(xiàn)受到氣缸拉桿連接板凸起部位的影響，若不對(duì)絕緣拉桿進(jìn)行再次加工，將導(dǎo)致絕緣拉桿和氣缸拉桿的軸孔存在錯(cuò)位現(xiàn)象，銷軸無法穿過軸孔。為了使銷軸順利穿過軸孔，現(xiàn)場(chǎng)裝配人員對(duì)絕緣拉桿接連部位進(jìn)行再次加工，減薄的絕緣拉桿一側(cè)連接板的厚度，同時(shí)對(duì)絕緣拉桿軸孔進(jìn)行了擴(kuò)孔處理。

圖6 氣缸拉桿和絕緣拉桿連接部位

斷路器絕緣拉桿軸銷與氣缸拉桿連接部分的直徑為12.97 mm，絕緣拉桿與銷軸連接部分的直徑分別為11.83 mm和10.72 mm，如圖7所示，表明絕緣拉桿和銷軸之間磨損嚴(yán)重。

圖7 軸銷磨損尺寸后外觀尺寸

2 化學(xué)成分檢測(cè)

采用手持式光譜儀對(duì)絕緣拉桿金屬連接部分進(jìn)行成分檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表1所示，絕緣拉桿金屬連接部分的材質(zhì)是牌號(hào)2A12的鋁合金。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3190-2008《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》中牌號(hào)2A12鋁合金成分，Cu元素略低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 絕緣拉桿金屬部分成分檢測(cè)結(jié)果（wt%）

對(duì)氣缸拉桿進(jìn)行成分檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表2，根據(jù)GB／T 1591-2008《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》，氣缸拉桿材質(zhì)應(yīng)為優(yōu)質(zhì)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。由于廠家未提供氣缸材質(zhì)，無法判斷是否滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 故障斷路器氣缸拉桿成分檢測(cè)結(jié)果（wt%）

3 掃描電鏡觀察及能譜分析

將絕緣拉桿金屬斷裂件的斷口放在掃描電鏡下觀察，如圖8所示。斷口1和斷口2銷釘孔側(cè)邊緣有磨損痕跡，如圖9、圖10所示。

圖8 絕緣拉桿金屬斷裂件斷口宏觀照片

圖9 斷口1低倍掃描電鏡照片

圖10 斷口2低倍掃描電鏡照片

斷口1的部分區(qū)域呈現(xiàn)韌窩特征，如圖11所示。對(duì)圖11(a)中的圖譜1、圖譜2區(qū)域進(jìn)行能譜分析，檢測(cè)結(jié)果如表3所示，斷口表面主要含有Al、F、C、O、Fe等元素。斷口的部分區(qū)域有附著物，如圖11(b)所示，對(duì)11(b)圖譜3區(qū)域進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如表3所示，附著物主要含有F、Fe、Al、C、O等元素，附著物上的Fe元素含量明顯高于斷口沒有附著物區(qū)域的Fe含量。

表3 圖11中3個(gè)圖譜區(qū)域能譜檢測(cè)結(jié)果（wt%）

圖11 斷口1掃描電鏡照片

斷口2的部分區(qū)域呈現(xiàn)韌窩特征，如圖12所示。對(duì)圖12進(jìn)行能譜分析，檢測(cè)結(jié)果如表4所示，斷口表面主要含有Al、F、C、O、Fe等元素。

表4 圖12斷口2能譜檢測(cè)結(jié)果（wt%）

圖12 斷口2掃描電鏡照片

4 力學(xué)仿真

為對(duì)比設(shè)計(jì)要求的絕緣拉桿和存在加工缺陷的絕緣拉桿的機(jī)械強(qiáng)度，對(duì)兩種拉桿進(jìn)行力學(xué)仿真分析[3-6]。

對(duì)設(shè)計(jì)絕緣拉桿和缺陷絕緣拉桿進(jìn)行建模，如圖13所示。查詢標(biāo)準(zhǔn)得知2A12鋁合金的屈服強(qiáng)度為361~383 MPa，抗拉強(qiáng)度為477~485 MPa，彈性模量為750 GPa，泊松比為0.27，密度為2730 kg/m3。

圖13 拉桿軸孔位置三維建模

對(duì)絕緣拉桿進(jìn)行仿真分析，如圖14所示，計(jì)算得到在總拉力為1000 N時(shí)，設(shè)計(jì)絕緣拉桿的最大應(yīng)力為37.9 MPa；而存在制造缺陷的絕緣拉桿的最大應(yīng)力為239 MPa。絕緣拉桿的最大應(yīng)力和施加載荷成正比例關(guān)系，如圖15所示。斷路器的分閘時(shí)間為40 ms，氣缸行程為150±5 mm，計(jì)算得到氣缸運(yùn)動(dòng)的平均加速度為187.5 m/s2。氣缸及其拉桿的重量為5.1 kg，考慮氣缸處靜觸頭之間的摩擦力，計(jì)算得到絕緣拉桿的最大拉力不小于1000 N。根據(jù)拉力和最大應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系得到絕緣拉桿在分閘瞬間的最大應(yīng)力不小于37.9 MPa；缺陷絕緣拉桿的最大應(yīng)力不小于239 MPa。

圖14 拉桿軸孔位置三維應(yīng)力云圖

圖15 設(shè)計(jì)絕緣拉桿分閘力和最大應(yīng)力的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

5 故障處理

本次斷裂的根本原因?yàn)椋簹飧桌瓧U加工不合格，導(dǎo)致絕緣拉桿和氣缸拉桿軸孔錯(cuò)位，無法裝配，廠家為了裝配方便，對(duì)絕緣拉桿一側(cè)的連接板進(jìn)行了再次加工和擴(kuò)孔處理，使得軸孔一側(cè)的厚度急劇下降，減薄量超過55%，嚴(yán)重降低絕緣拉桿連接部位的機(jī)械強(qiáng)度，使得軸孔位置最大應(yīng)力接近材料的屈服強(qiáng)度。同時(shí)，擴(kuò)孔導(dǎo)致銷軸在絕緣拉桿軸孔內(nèi)擺動(dòng)，造成銷軸和絕緣拉桿軸孔間的磨損和應(yīng)力沖擊，進(jìn)一步減小絕緣拉桿軸孔位置的受力面積，斷路器多次操作后使得軸孔的最大應(yīng)力高于材料的抗拉強(qiáng)度，最終引發(fā)絕緣拉桿斷裂。

在斷路器發(fā)生故障前，技術(shù)人員通過局放檢測(cè)等電氣試驗(yàn)無法發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在的隱患，采用X射線檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部的機(jī)械、裝配等缺陷。本次故障發(fā)生后使用X射線檢測(cè)技術(shù)發(fā)現(xiàn)斷路器內(nèi)部絕緣拉桿金屬部件斷裂影像，如圖16所示。由于絕緣拉桿金屬部件缺陷一般情況下不會(huì)造成內(nèi)部電氣參數(shù)有明顯變化，而SF6瓷柱式斷路器使用X射線檢測(cè)技術(shù)時(shí)需要做停電處理，同時(shí)在斷路器機(jī)械缺陷不嚴(yán)重情況下較難發(fā)現(xiàn)。因此，目前只能加強(qiáng)在斷路器在監(jiān)造環(huán)節(jié)的零部件檢查校核工作。

圖16 絕緣拉桿影像

6 結(jié)束語

1）本次斷路器故障是一起由加工缺陷零部件導(dǎo)致斷路器力學(xué)安全裕度不足，最終引起絕緣拉桿金屬部件斷裂的典型案例；

2）在運(yùn)行階段無法無法通過電氣試驗(yàn)、動(dòng)作特性和無損檢測(cè)方法發(fā)現(xiàn)金屬部件加工缺陷；

獲取1幅含1盤(25個(gè))雞蛋的圖像(如圖2所示)，經(jīng)分割后得到25個(gè)子圖像；然后對(duì)25個(gè)子圖像進(jìn)行預(yù)處理，提取主要的特征參數(shù)，包括雞蛋表面積，最大縱軸、最大橫軸、周長和蛋黃面積與周長及蛋黃拐點(diǎn)數(shù)等特征。

3）考慮到斷路器一旦投運(yùn)后維護(hù)難以發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部加工缺陷，因此筆者認(rèn)為只能在設(shè)備監(jiān)造環(huán)節(jié)中加強(qiáng)對(duì)斷路器重要零部件的檢查工作，確保零部件符合設(shè)計(jì)圖紙要求。