铁量及铁谱分析技术在电网中的应用

2018-01-03陈刚，孙帆，丁德

设备管理与维修 2017年10期

关键词：油样谱分析磨粒

陈刚，孙帆，丁德

（1.新疆电力科学研究院，新疆乌鲁木齐 830011；2.陕西电力科学研究院，陕西西安 710054）

铁量及铁谱分析技术在电网中的应用

陈刚1，孙帆1，丁德2

（1.新疆电力科学研究院，新疆乌鲁木齐 830011；2.陕西电力科学研究院，陕西西安 710054）

开展断路器液压操动机构液压油铁量及铁谱分析，提出断路器液压机构磨损状态评价的具体步骤及标准，为断路器液压操动机构磨损状态提供参考。

断路器；液压油；液压操动机构；黏度；铁量分析；正交试验；铁谱分析

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.10.42

0 前言

新疆电网是特高压交直流混联电网，SF6高压断路器是电力输送的关键一次设备，在电网中承担控制和保护的双重作用，液压操动机构是SF6高压断路器的关键部件之一。液压操动机构接收分合闸指令时，通过电磁铁把分合闸电信号转为机械信号，通过多级液压阀放大，迅速控制液压缸带动触头动作，完成SF6高压断路器的分合闸。为保证输电的可靠性，因此选择适当的方法对液压机构磨损状态评价尤为重要。

1 断路器液压油

1.1 断路器液压油的种类

新疆气候条件是夏季炎热高温，室外最高可达50℃以上，冬季寒冷最低温度低于-40℃且SF6高压断路器液压操动机构属高速大功率双稳态电液驱动系统，同时根据液压操动机构液压泵类型主要采用10号航空液压油以及美孚HVI 13型抗磨液压油。

1.2 断路器液压油的理化性能评价

（1）黏度。断路器液压机构压力可高达31～33 MPa。液压系统的操作压力越大，对液压油性能，特别是黏度性能的要求也更高。在同样的工作压力下，液压油的黏度越大，液压动作就越迟缓。但黏度过小，在高温、高压下会造成液压油泄露。运行断路器液压油50℃时运动黏度应≥10 mm2/s，低温启动黏度≤700 mm2/s。

（2）微水。水分能加速油液氧化变质，并与液压系统油液中微细金属粉末生成不溶性固体杂质污染液压油，使油液呈乳浊化状态。也会在系统中水解成盐酸，腐蚀部件表面，脱落的铁锈皮。10号航空液压油的新油水分含量≤60 mg/kg，运行中断路器液压操动机构的液压油水分含量≤250 mg/kg。

（3）颗粒度。遮光型自动颗粒污染度测定方法能快速测定液压油中颗粒污染物的浓度及颗粒污染物的尺寸分布，但不能区分水滴、气泡与固体颗粒。一般要求添加新油达到NAS 1638标准4级。在运行断路器液压油污染度的测定中应在颗粒污染度测定的同时增加其他方法（如铁量等）进行比对。

（4）酸值。在新油中一般只含有主要成份为环烷酸的有机酸，液压油运行时与空气接触被氧化，产生酸性物质。酸值过高会加速对液压缸的腐蚀作用。测定酸值是判断液压油老化程度的重要指标。运行中液压油酸值≤0.2 mg·KOH/g。

2 铁量及铁谱分析技术简介

2.1 铁量分析

含有铁磁性质磨屑的样品放在磁场中时，测量由此产生磁场的变化对应表示油样中铁屑的总量。铁量分析的单位是PQ，PQ指数是无量纲值，它与油样中铁屑的含量及颗粒的大小呈良好的线性关系。可识别其他分析技术不能测量到的大的铁屑颗粒（＞5～10 μm）。铁量测试能够快速检测液压油中微量铁磨屑的含量，准确快速地评定运行断路器液压操动机构的磨损状态。

2.2 铁谱分析

分析式铁谱仪在高梯度的强磁场作用，将油液中带有设备磨损信息的铁磁性磨损颗粒按粒度大小链状排列地沉积在玻璃基片上形成谱片，使用专业的双光铁谱显微镜观察谱片上沉积物的形貌、数量、尺寸、成分及粒度分布等情况，获得断路器液压机构磨损过程中的特征信息，对电网断路器液压机构、导杆式套管等一次设备关键零件的磨损状态进行分析判断。铁谱分析有取样、制谱、观察与分析、结论等4个基本环节

3 断路器液压机构的磨损状态评价

断路器液压机构中相对运动部件磨损产生金属微粒、磨屑、油泥以及密封材料的磨损颗粒等是液压油中的主要颗粒物。磨损使相对运动部件充油间隙变化，导致更多的磨粒产生。

3.1 液压机构液压油取样

（1）取样周期的确定。根据断路器液压机构的具体工作状态，结合SF6断路器运行特点制定合理的取样周期。当断路器正常运行且无异常（漏油、频繁打压）后，副摩擦已经建立较稳定的磨损状态，则可3 a作为取样周期。液压机构频繁打压或漏油时，应及时取样，停电检修时要求设备供应商及时检查处理。

（2）取样点的确定。液压系统中的液压油是循环使用的，确定液压油箱为液压油采样点。禁止在断路器液压机构高压储能装置上取样，取样时应用专用取样器吸取30 mL液压油样。

（3）取样时机的确定。取样应在断路器液压操动机构动作后0.5 h在液压油箱中取样,取样深度在油液面下3/4处。取样时,采样器吸管的前端不能触及油箱的底部或侧壁，以避免吸入长期沉积和附着的大磨粒或油泥。样品应标明油样注入后运行周期内断路器液压机构动作次数。

3.2 铁量分析

液压操动机构使用环境多为户外，温差大，载荷大，速度快及动作时间短，液压系统油液颗粒污染问题十分突出。通过测定断路器液压油样中PQ值（与油中磨擦铁磁颗粒数量相关性），可以粗略地判断出液压操动机构磨损的状态。同时为液压油样铁谱分析提供参考。

采用深圳亚泰光电生产的TTL-3型铁量仪，试验前用2 mL空消磁测试油盒和750 PQ标准样对仪器进行标定，将断路器液压油样摇匀后注入2 mL消磁测试油盒，对同一个油样连续测定10次，取平均值为油样的铁量PQ值。新疆电力公司3 a来110～750 kV断路器液压机构的155个液压油样铁量分析数据统计见图1。

根据统计数据以及断路器液压机构运行特点，将液压机构动作次数与铁量PQ值进行归纳，从而得出以不同动作次数下，液压机构正常磨损时铁量标准（表1）。但铁量分析也有其局限性，不能反映有色金属、非金属晶体对液压系统的污染。如断路器液压机构检修后，是否受到检修环境（沙尘）对液压机构的影响。铁谱分析可以弥补铁量分析的不足。根据近3 a铁量分析和铁谱分析得出：当铁量值＜8 PQ时，铁谱分析可观察到的磨粒信息较少，且磨粒尺寸一般均＜15 μm，属常磨损，可不进行铁谱分析。铁量分析对于异常磨损大颗粒铁磁性磨粒（＞20 μm）比较敏感，颗粒越大，PQ值也越大。

图1 铁量PQ值与液压机构动作次数统计

表1 铁量分析标准

3.3 铁谱分析

（1）油样铁谱分析制谱的最佳实验条件。因从未开展液压油铁谱分析工作，进行铁谱分析时，对采用深圳亚泰光电生产的YTF-6双联式分析铁谱仪制谱参数采用正交试验法确定。新疆电网断路器液压油绝大部分采用10号航空液压油，少量进口断路器液压机构采用美孚HVI 13型抗磨液压油，且两种液压油理化性能相近，制谱参数相近，因此取10号航空液压油样试验体积为1 mL，铁量为29.8 PQ，进行试验。影响油样黏度的清洗固化剂的体积A、油样输送转速B以及清洗转速C是谱片上磨粒沉积状态的3个主要影响因素（表2）。

表2 铁谱制谱因素水平表

铁谱制谱正交试验见表3，9次制谱谱片质量在双光铁谱显微镜下分析结果：最重要因子是A（清洗固化剂体积即试样黏度），重要因子C（清洗转速），次重要因子是B（油样输送转速），最佳试验条件A2C3B2第5次试验条件下，油样体积取1 mL，清洗固化剂的体积为2 mL、清洗转速为6 r/min、油样输送转速为5 r/min制谱时，制出的谱片磨粒不堆积且铁磁性磨粒沉积链较致密，双光铁谱显微镜下观察到更多磨损信息。正交试验典型谱片对比如图2所示。

（2）2017年国网新疆电力公司对750 kV某型号断路器液压机构频繁打压铁谱分析。虽然断路器液压机构存在频繁打压现象，但有部分油样铁谱分析结果是正常磨损，并未发现异常磨损（图3），正常磨损状态下，液压操动摩机构擦副之间处于良好的润滑中，液压油存在1～15 μm的细小薄片磨粒。铁谱片上呈现出整齐的“链式”排列。在双光铁谱显微镜下，可见磨粒表面光滑、很薄、呈金属光泽。

表3 铁谱制谱正交试验

图2 正交试验典型谱片对比

图3 液压机构正常磨损谱片

750 kV某型号断路器铁谱分析排查也发现断路器液压机构状态评价存在异常磨损，而且个别断路器液压机构存在严重磨损情况。磨粒尺寸已经超出了断路器液压操动机构正常的15 μm以下润滑间隙，典型铁谱分析谱片如图4所示。

断路器液压机构存在疲劳剥落磨损（图4a），铁的黑色氧化物或暗金属氧化物，表明该断路器液压操动机构存在严重润滑不良，表面发生局部干摩擦，高温氧化而成，均具有磁性沉积特征。断路器液压机构存在很严重滑动磨损（图4b），长约174 μm，厚度超过15 μm，磨粒的表面有明显擦痕。由此可见该断路器液压缸组件存在严重拉伤。断路器液压机构存在铁的红色氧化物是非磁性物质（图4c），主要成分是Fe2O3，由磨蚀磨损产生，可知该断路器液压油含有较多微水,且可能液压油已经发生老化现象。断路器液压机构存在严重滑动磨损（图4d），长约 62 μm，厚度不超过 2 μm，磨粒的表面有划痕，数量中等。根据上述铁谱分析结果可知，这4台断路器液压机构液压缸或液压泵存在严重的磨损，铁谱分析结果表明液压油中存在大尺寸磨粒（＞20 μm），会导致液压系统润滑不良，油压维持不了，断路器出现频繁打压的一个重要原因。