10 kV开关柜接地闸刀限位器失效的原因分析

汤金兴， 范 明，张 杰， 沈中元，彭明法

（1.国网浙江省电力公司嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314033；2.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014)

10 kV开关柜接地闸刀限位器失效的原因分析

汤金兴1， 范 明1，张 杰2， 沈中元1，彭明法1

（1.国网浙江省电力公司嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314033；2.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014)

对某变电站内10 kV中置式开关柜的接地闸刀限位器碎裂样品进行宏观检验和成分光谱分析，综合检验结果表明，损坏的限位器制造工艺粗糙、铝的含量偏低，是导致该铝铸件在十多年的运行后变脆破裂的根本原因，并据此提出了相应的改进措施。

接地闸刀；地刀限位器；传动机构；失效

某变电站核对10 kV间隔接地闸刀信号过程中，发现后台信号与实际位置不对应，现场检查发现，该接地闸刀的限位器已严重碎裂，进一步对该站其他35个配有接地闸刀的10 kV开关柜间隔进行检查，发现有26个间隔的接地闸刀限位器有明显碎裂现象。

这26个间隔开关柜均为某制造厂2001年的产品，另外9个未发现损坏的则为2005年的产品。限位器在接地闸刀分合闸操作过程中，用以限制操作至终点的位置，防止操作越位，且同时起固定传动杆的作用，一般为铝块铸件。

1 检验结果及其分析

1.1 限位器失效状况

现场检查失效的限位器碎裂状况见图1，限位器的碎裂导致运行人员无法进行正常分合接地闸刀操作，并且使得接地闸刀传动杆上的辅助接点切换不正常，导致后台信号与实际位置不对应。此类故障的发生可能造成工作人员误判断接地闸刀的实际位置，并可能导致严重的误操作事故[1]。应对失效样品进行宏观检查、成分光谱分析等检验，进而对限位器碎裂的原因进行分析。

图1 限位器碎裂前与碎裂后形状

1.2 宏观检验

宏观检查也称为低倍检查，即利用肉眼、低倍放大镜或显微镜观察金属材料内部组织及缺陷的检验。

限位器碎成多块，外表几乎没有变形，图2是限位器碎裂块的宏观分析照片。在某些断口处可见明显宏观裂纹，断口粗糙，有明显脆性断口特征。

1.3 材质成分光谱分析

向厂家咨询材质成分如表1所示，相对于标准值，Cu含量偏低，Pb和Cd含量偏高。厂家认为限位器碎裂的主要原因是铜含量偏低。

委托国网浙江省电力公司电力科学研究院采用DS-8000分析仪，对未断裂的铝块、新材料替换件以及断裂的铝块分别进行了分析，试验分析结果如表2所示。

图2 限位器碎裂块的宏观形貌

表1 厂家提供的限位器材质成分 %

表2 限位器成分光谱分析结果 %

由试验分析结果可知：碎裂限位器铸件的主要成分为Zn，含量为86.39%～92.27%，在未碎裂和新的限位器中都含有Al成分，含量为7.9%～9.82%，而碎裂的铝块则不含Al成分。同元件不同批次产品材质存在重大差异，据此进一步要求厂家提供元件材质牌号。根据设计图纸显示该材质设计牌号为AlSi12，按照GB/T 1173-1995《铸造铝合金》，AlSi12合金代号为ZL102，Si含量约10.5%～13.5%，Al含量应为85%～87%。很明显，成分分析结果表明送样不符合AlSi12要求。

根据相关文献资料[2]，铝在锌合金中的含量对合金的机械性能影响如下：当铝的含量小于10%时，随着铝含量的提高，合金的抗拉力强度、伸长率、硬度等指标都有逐步提高；当铝含量大于6%时随着含量提高这些指标提升尤为明显，如图3—5所示。从表2中可以看出，碎裂的限位块中几乎不含铝，未碎的限位块中铝含量为7.9%～9.8%，正说明了随着铝含量的增加，限位块的机械性能有所提高。经查阅相关文献[3]，厂家设计的牌号为ZL102的铝材，其拉伸试验伸长率为4%，而锌合金该指标一般≤1.2%，也即厂家用延展性差的锌合金代替了设计的铝合金，使得限位块力学性能不能满足设计要求，这是导致限位块碎裂的主要原因之一。

图3 铝含量对抗拉强度的影响

图4 铝含量对硬度的影响

图5 铝含量对伸长率的影响

2 限位器的作用及碎裂原因分析

2.1 限位器的作用

10 kV接地闸刀传动机构如图6所示，其传动连杆上装有2个扇形片，当进行分合闸操作时，通过辅助接点扇形片的上下两触点，接通接地闸刀的辅助接点回路，将实际位置信号通过辅助回路传至监控后台及保护测控装置[4]。

目前接地闸刀普遍采用手动分合闸操作，限位器的作用有：

（1）对接地闸刀的传动杆起到固定作用。

（2）通过传动杆上扇形片的物理位移，接点接通或断开接地闸刀辅助触点。

（3）限制分合闸至终点时的位置，以防损坏部件及辅助回路。

（4）通过传动杆带动开关柜下柜门机械传动，实现分闸时闭锁下柜门，合闸时解锁下柜门[5]。

2.2 限位器碎裂原因分析

限位器受力过大不均可能导致限位器模块碎裂。在接地闸刀分合闸操作过程中，当操作至终点位置时，限位器的限位块将受到传动机构一个冲击力。在长期的操作过程中，限位器永久性累积损伤（金属疲劳），经过一定次数后产生裂纹或断裂。通过对正常接地操作、操作方法等情况进行分析，且现场损坏的限位器并无明显的变形，据此认为受力过大不均并非是引起限位器碎裂的主要原因。

碎裂限位器经检测，Al含量约0～9.82%，Si约0.003%，主要成分为 Zn，含量约85.36%～92.27%。按照GB/T 1173-1995《铸造铝合金》，AlSi12合金代号为 ZL102，Si含量约 10.5%～13.5%，Al含量应在85%～87%。很明显，送样不符合AlSi12要求。

限位器逐渐碎成多块（见图1），几乎没有变形，有的断口附近有宏观裂纹（见图2），断口粗糙，有明显脆性断口特征。分析认为错用脆性材料Zn代替Al是铸件断裂的主要原因。

图6 接地闸刀传动机构

3 结论

（1）限位器碎裂并非是外力过大，主要原因应是制造厂家错用脆性材料Zn代替韧性较好的材料Al。

（2）生产厂家不能确定材质是锌合金还是铝合金，说明对产品材质不重视。设计材质与实际使用材质并不符合，表明厂家未按照设计方案进行产品的加工、检验。

（3）为避免由于限位器碎裂而导致接地闸刀的操作出现问题，在设备投产前，对部件的参数应与厂家进行确认，严格把好质量关，做好验收工作，确保设备的相关功能得以正常实现。

（4）应加强金属监督抽检工作，在设备正常运行期间，做好检查维护工作，这样有利于及时发现问题，避免运行中临时停电。

（5）建议对同批次的产品及其它批次的产品进行排查，检查是否有类似问题，若有，则需进一步整改。

[1]吴亚军.浅谈中置柜常见故障及处理分析[J].科技资讯，2009（34）∶80-82.

[2]刘洪军，李亚敏，郝远.Al、Cu含量对Zn-Al-Cu-Mg合金性能的影响[J].铸造技术，2007，28（6）∶823-826.

[3]GB/T 15114-2009铝合金压铸件[S].北京：中国标准出版社，2009.

[4]张滕飞，金胤豪，徐胡平.10 kV开关柜接地闸刀状态指示装置异常分析与研究[J].华东电力，2013，41（10）∶2203 -2204.

[5]潘国华.对10 kV ABB开关柜防误闭锁装置的完善[J].电力安全技术，2012，14（10）∶62-63.

[6]汪洪明，丁罕，胡一峰.倒闸操作中几起接地闸刀典型异常实例分析[J].电力系统保护与控制，2008，36（23）∶125-127.

（本文编辑：杨 勇）

Cause Analysis on Failure of Earthing Switch Block in 10 kV Switch Cabinet

TANG Jinxing1，FAN Ming1，ZHANG Jie2，SHEN Zhongyuan1，PENG Mingfa1
（1.State Grid Jiaxing Electric Power Company，Jiaxing Zhejiang 314033，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

Macroscopic examination and composition spectral analysis on crack samples of earthing switch block in 10 kV centrally-installed switch cabinet are implemented.The comprehensive test indicates that low content of aluminum and the coarse manufacturing process are the main reason of block cracking after more than ten year′s operation.According to the analysis some improvements are proposed.

earthing switch；block of earthing switch；transmission mechanism；failure

TM564.1

B

1007-1881（2015）05-0066-03

2015-03-09

汤金兴（1980），男，变电检修高级技师，工程师，主要从事变电检修技术管理工作。