220 kV断路器合闸储能弹簧内嵌紧固件断裂分析

程 翔，陈国宏，杨 波，缪春辉，王若民，邢明军

(1.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，安徽 合肥 230601；2.国网安徽省电力有限公司铜陵供电公司，安徽 铜陵 244100)

0 引言

2018-06-17,某220 kV 线路按计划停电检修,检修人员对线路开关进行双跳闸线圈排查,检查结果合格且开关传动分合闸正常,开关储能正常。5 日后,检修人员在更换线路保护工作中进行开关传动时,发现合开关时合闸不成功,后台显示开关非全相动作。因此立即对开关进行检查,发现开关A 相位置未变,且现场检查开关A 相未储能,储能电源空气开关断开。尝试送上开关A 相储能电源空气开关后,储能电机空转一段时间后,储能电源空气开关出现跳闸现象。开关型号：LTB245E1；机构型号为BLK222；投运日期：2011-12-24。

1 故障现场情况

检验人员到达现场并了解现场开关调试情况后,试送了开关A 相储能电源空气开关,储能驱动装置动作正常但指示标杆没有动作,同时发现储能声音明显异于正常声音,在空储能10 s 左右后储能电源空气开关跳闸。随后,检验人员打开开关A 相机构顶板,对储能驱动装置和合闸弹簧进行检查,检查发现合闸弹簧内嵌缓冲橡胶圈已被挤压变形,部分已凸出。尝试手动储能,发现摇柄无法朝储能方向转动,只能朝反方向转动,同时发现合闸弹簧内嵌紧固件端部有金属块脱落,合闸弹簧轮毂十字架一处有明显被金属块削切痕迹,损伤严重。

2 试验分析

2.1 宏观检查

图1 所示为合闸弹簧内嵌金属块断裂块的照片,合闸弹簧内嵌紧固件端部金属块断裂凸出,使得储能过程中断裂金属块切削入轮毂十字架,储能受阻,驱动负荷加大。储能电机电源空气开关设有定值为4 A 的过负荷保护,当负荷电流大于4 A 且达到整定时间时会自动切断电机电源空气开关,这导致了电机电源送上后储能10 s 左右电源空气开关跳闸。合闸弹簧内嵌紧固件主要起紧固作用,在多次动作后可能有变形损伤。金属块表面存在有损伤(断后与轮毂十字架碰触所致),断裂面沿一螺孔中心开裂,断口面比较平整,未见明显的塑性变形,断面附近区域未见明显机械损伤痕迹、材料本身缺陷以及被腐蚀迹象。这表明该金属构件在使用过程中,在应力的作用下,裂纹由螺孔处起源,并沿晶界及晶粒内的解理面迅速扩展发生脆性断裂。

图1 合闸弹簧内嵌金属块断裂块照片

2.2 化学成分分析

用全定量光谱仪对该金属紧固件断裂块化学成分进行检测分析,检测三次,检验结果见表1。

从表1 中可以大致看出,该金属块的化学成分与牌号为17-4PH 不锈钢的化学成分类似,成分值参照标准(ASTM A 564：S 17400),推断该金属块即为17-4PH 不锈钢,同时检测值显示该材料的各合金元素含量符合标准中规定要求。

表1 金属紧固件断裂块的化学成分 wt%

2.3 金相组织分析

该金属紧固件为17-4PH 不锈钢,一种具有马氏体结构的不锈钢[1],一般经过固溶+时效热处理工艺处理[2]后使用,组织为回火马氏体组织+残余奥氏体,有时会存在有少量的δ-铁素体和碳化物等。在断裂块螺纹孔附近截取金相试样,经磨制抛光后,对其抛光态进行观察(100 倍显微镜下),后采用CuSO4+HCl 腐蚀溶液进行腐蚀处理,在蔡司研究级倒置式金相显微镜上观察试样的金相组织(500 倍下)。从显微镜中可以看出,该断裂块存在有较多的非金属夹杂物。金相组织为板条状马氏体组织,板条状明显,板条内可能只有碳原子的偏聚,而合金元素仍然固溶在板条马氏体中,回火效应不明显,时效处理时温度偏低。其中马氏体较粗,同时该组织颜色较浅,该组织难以腐蚀,固溶时的沉淀相析出不充分[3]。

2.4 硬度检验分析

使用THB-3000MDX 型自动布氏硬度计,对试验试样进行硬度测试,测试试样编号1 为在金相试样的金相面；试样编号2 为截取另一远离螺孔部位制成的金相试样。试验条件：负荷187.5 kgf (1 kgf ≈9.8 N)、钢球直径2.5 mm、负荷保持时间15 s,试样测量3 次,结果取平均值,试验结果见表2。

表2 布氏硬度试验结果 HB

从表2 可以看出,该金属块的硬度值高于标准规定的上限值(363HB),硬度高表明该金属块较脆,容易断裂。

3 分析与讨论

该金属部件主要起紧固作用,该金属块断裂面的螺孔位置为断裂源区,源区附近未见明显的机械损伤痕迹。金属块在多次动作后可能有变形损伤,其中螺孔位置最为薄弱,应力最为集中,随着应力状态及应力大小的变化,该处首先会萌生源裂纹,微裂纹形成后,会立即进入扩展阶段,主要沿晶界及晶粒的解理面迅速扩张,最终导致断裂。

金相组织结果显示,该显微组织中存在有较多的非金属夹杂物,非金属夹杂物的存在会造成组织成分的不均匀,在夹杂物附近容易产生应力集中,破坏组织结构的连续性,导致塑韧性降低。马氏体板条状明显,马氏体较粗,颜色较浅,这说明其马氏体组织在回火转变时不充分,可能只发生了碳原子的偏聚,而碳及合金元素仍然固溶在马氏体板条中,使得其组织的强度、硬度高(硬度测试结果显示该断裂块的硬度值高于标准上限值30 ～40HB),塑性、韧性变差。材料的性能取决于其组织结构,其组织结构又取决于其热处理工艺[5-6]。17-4PH不锈钢需要经过固溶和强化这两道热处理工艺,该热处理工艺需要严格控制,以使得组织成分均匀,性能良好。

该金属构件在热处理时工艺处理不当,第一,其固溶时温度控制不好,高温度会使得材料的MS点降低,在其冷却后组织中残留奥氏体量会增多,从而出现组织粗大的现象；第二,时效处理过程中,其时效温度与材料的强度、硬度和塑性均相关,但时效的温度偏低,会导致材料的强度增高,硬度越高,塑性越差。

该金属构件硬度高于标准值,发生脆性断裂,这表明该构件的时效温度偏低,时效处理结果差,组织中碳化物的析出沉淀不充分,马氏体的回火效应不明显,材料的塑性和韧性持续恶化导致材料脆性断裂。

4 结论与建议

合闸弹簧内嵌金属紧固件断裂凸出脱落是本开关A 相机构无法储能与合闸的主要原因,而金属部件的脆性断裂一是由于其组织非金属夹杂物含量较多,容易引起应力集中,降低其力学性能；二是由于该金属部件的热处理工艺控制不严,时效处理时温度偏低,使得材质过硬,性能劣化。对涉及同型号开关C 类检修均要对开关各相机构进行认真检查。同时加强电网入库部件的监督检验工作,保障电网安全运行。此故障的处理也为其他电厂提供了参考。