陳 莉 張瑞明 馬 莉

一起220kV隔離開(kāi)關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)故障分析

陳 莉1張瑞明2馬 莉1

（1. 昌吉學(xué)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(duì)一起發(fā)生在變電站送電過(guò)程中的220kV 氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備（GIS）隔離開(kāi)關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)軸斷裂的典型故障，詳細(xì)介紹故障排查過(guò)程，并用光譜分析、硬度試驗(yàn)、顯微組織檢驗(yàn)、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(qiáng)設(shè)備驗(yàn)收、加強(qiáng)質(zhì)量監(jiān)督等措施以提高設(shè)備投運(yùn)質(zhì)量。

操動(dòng)機(jī)構(gòu)；斷裂；光譜分析；掃描電子顯微鏡（SEM）形貌分析

0 引言

隔離開(kāi)關(guān)是電力系統(tǒng)中一種很重要的開(kāi)關(guān)設(shè)備，在隔離開(kāi)關(guān)缺陷類(lèi)型統(tǒng)計(jì)中，隔離開(kāi)關(guān)故障有絕緣子斷裂、開(kāi)關(guān)拒分拒合、合閘不到位、導(dǎo)電回路異常發(fā)熱、絕緣子破損或有裂紋、操動(dòng)機(jī)構(gòu)故障等，其中發(fā)熱是電氣故障，其他的都是機(jī)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(guò)程中，運(yùn)維操作人員拉開(kāi)2號(hào)主變22023隔離開(kāi)關(guān)時(shí)，隔離開(kāi)關(guān)出現(xiàn)操作不到位故障，搶修人員與設(shè)備廠家一同對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行解體分析，將機(jī)構(gòu)從殼體中取出，發(fā)現(xiàn)連接驅(qū)動(dòng)板與小拐臂的軸發(fā)生斷裂，導(dǎo)致作用在傳動(dòng)軸上的力無(wú)法繼續(xù)傳遞，動(dòng)力輸出中斷?，F(xiàn)場(chǎng)傳動(dòng)軸檢查情況如圖1所示。

為進(jìn)一步分析故障原因，搶修人員將該斷裂傳動(dòng)軸（1號(hào)試樣）與同型號(hào)操動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)軸（2號(hào)試樣）一同送往實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)分析。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)傳動(dòng)軸檢查情況

該隔離開(kāi)關(guān)為2020年3月20日出廠，型號(hào)為NGDS2—I Ⅲ，所配操動(dòng)機(jī)構(gòu)型號(hào)為CJ23，未投運(yùn)。

2 檢查與試驗(yàn)

2.1 外觀檢查

搶修人員現(xiàn)場(chǎng)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(wú)明顯的塑性變形，整個(gè)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(dòng)軸斷裂位置及斷口形貌

進(jìn)一步對(duì)斷口進(jìn)行體視顯微鏡放大檢查，發(fā)現(xiàn)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(cè)

對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)軸進(jìn)行光譜分析檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1，結(jié)果表明傳動(dòng)軸的化學(xué)成分符合設(shè)計(jì)材質(zhì)。

圖3 體視顯微鏡檢查斷口結(jié)果

表1 傳動(dòng)軸元素檢測(cè)結(jié)果 （%）

2.3 硬度試驗(yàn)

對(duì)傳動(dòng)軸的截面進(jìn)行硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。試驗(yàn)結(jié)果表明，斷裂的1號(hào)傳動(dòng)軸的硬度不滿(mǎn)足文獻(xiàn)[5]的標(biāo)準(zhǔn)要求，而2號(hào)未斷裂傳動(dòng)軸的硬度滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 截面硬度試驗(yàn)結(jié)果

2.4 金相分析檢測(cè)

對(duì)主動(dòng)軸斷裂部位附近截取橫斷面進(jìn)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(hào)試樣斷面微觀金相組織

對(duì)2號(hào)試樣軸的相同部位截取橫截面，對(duì)其橫截面進(jìn)行檢驗(yàn)，未見(jiàn)微裂紋等異?，F(xiàn)象，且組織形貌為回火馬氏體，如圖5所示。

圖5 2號(hào)試樣斷面微觀金相組織

2.5 斷口形貌分析

對(duì)斷口進(jìn)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(fā)現(xiàn)斷口存在部分軸向裂紋，在裂紋附近還存在孔洞，個(gè)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(jié)果看，該軸材料化學(xué)元素滿(mǎn)足40Cr標(biāo)準(zhǔn)要求，其微觀金相組織也為調(diào)質(zhì)處理（淬火加高溫回火）。

圖6 斷口SEM形貌

2）從硬度檢測(cè)結(jié)果看，斷軸（1號(hào)試樣）較未斷軸（2號(hào)試樣）的硬度稍高。

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

綜上所述，該主動(dòng)軸內(nèi)部存在裂紋缺陷是此次斷裂的主要原因，裂紋產(chǎn)生的原因與該軸熱處理的工藝有關(guān)，通常在淬火組織處理中過(guò)熱就會(huì)造成淬火裂紋；其次通過(guò)外觀檢查該軸圓柱過(guò)渡至六棱柱的不連續(xù)臺(tái)階，也是應(yīng)力最集中的部位，軸內(nèi)部若有缺陷，極易在此部位斷裂。

4 結(jié)論

通過(guò)外觀檢查及試驗(yàn)檢測(cè)分析，該220kV GIS隔離開(kāi)關(guān)傳動(dòng)軸熱處理出現(xiàn)淬火組織過(guò)熱嚴(yán)重，即淬火溫度控制工藝出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致軸內(nèi)部出現(xiàn)孔洞，受力時(shí)產(chǎn)生裂紋，最終導(dǎo)致傳動(dòng)軸斷裂的故障。因此，針對(duì)該典型的隔離開(kāi)關(guān)傳動(dòng)軸故障提出以下防范措施：

1）對(duì)同批次和同型號(hào)的傳動(dòng)軸進(jìn)行光譜分析、硬度檢測(cè)等專(zhuān)項(xiàng)排查，對(duì)排查不合格的要求廠家進(jìn)行整體更換。

2）設(shè)備廠家按照文獻(xiàn)[6]中對(duì)金屬材料和部件材質(zhì)的要求，加強(qiáng)設(shè)備操動(dòng)機(jī)構(gòu)關(guān)鍵受力部件出廠時(shí)的檢驗(yàn)，保障部件無(wú)問(wèn)題出廠。

3）應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備采購(gòu)時(shí)的技術(shù)質(zhì)量管控，落實(shí)設(shè)備質(zhì)量抽檢，除了對(duì)設(shè)備本體的檢測(cè)，還應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備附屬機(jī)構(gòu)、材料等檢測(cè)，確保設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)合格。

4）項(xiàng)目管理單位應(yīng)加強(qiáng)驗(yàn)收，對(duì)設(shè)備出廠試驗(yàn)報(bào)告、金屬材料抽檢報(bào)告等進(jìn)行驗(yàn)收，無(wú)檢測(cè)報(bào)告的視為產(chǎn)品不合格。

[1] 秦斌. 高壓隔離開(kāi)關(guān)典型機(jī)械故障與檢測(cè)方法分析[J]. 消費(fèi)導(dǎo)刊, 2018, 31: 119.

[2] 鄭曉瓊, 戚矛, 王鵬輝, 等. 高壓隔離開(kāi)關(guān)常見(jiàn)異常及處理[J]. 自動(dòng)化應(yīng)用, 2017(5): 113-115.

[3] 于曉翔. 500kV高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備隔離開(kāi)關(guān)絕緣拉桿故障分析[J]. 電氣技術(shù), 2021, 22(2): 54-58.

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

[5] 合金結(jié)構(gòu)鋼: GB/T 3077—2015[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2016.

[6] 國(guó)家電網(wǎng)有限公司. 國(guó)家電網(wǎng)有限公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施(2018年修訂版)及編制說(shuō)明[M]. 北京: 中國(guó)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(shè)備故障診斷、系統(tǒng)運(yùn)行分析研究教育工作。