高压断路器操作机构拉杆销轴孔断裂原因分析

张艳飞，吕 磊，张志浩，孙云飞

（内蒙古电力（集团）有限责任公司内蒙古电力科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

高压断路器作为电力系统中重要的控制与保护设备，起到控制线路投切和开断短路电流的作用，其可靠性对电网安全稳定运行有着重要影响[1]。高压断路器由通断元件、中间传动机构、操动机构、绝缘支撑件和基座组成[2]，断路器对操作机构动作的可靠性要求极高，断路器的拒分、拒合及误动作都会给电网造成巨大的经济损失[3-7]。根据有关资料对全国电力系统高压断路器运行中的事故类型统计显示，拒分事故占22.67%；拒合事故占6.48%；开断关合事故占9.07%；绝缘事故占35.47%；误动事故占7.02%；截流事故占7.95%；外力及其他事故占11.43%，其中以绝缘事故和拒分事故最为突出，约占全部事故的60%。另外，国际大电网会议也对高压断路器可靠性进行了3 次世界范围调查，结果显示，操动机构及辅助回路故障在主要故障中所占比例平均为59.9%，在次要故障中所占比例平均也达69%[8]。因此，查明断路器拉杆断裂失效原因，对预防断路器操作机构故障具有重要意义。

1 设备概况

某220 kV 变电站运行中发现线路A 相缺电，经检查发现A 相断路器操作机构铝合金水平拉杆在与A 相拐臂连接销轴开孔处断裂，导致断路器A相处于分闸状态。断路器的型号为LW36-126/3150-40kA，自投运以来，共计动作409 次。该断路器采用CT24 型弹簧机构，机构弹簧分闸系统与合闸系统非一体化设计，分闸系统独立安装在A 相下部并与水平拉杆连接。该结构设计将使水平拉杆与断路器A 相拐臂连接轴销轴孔左侧长期受力。

水平拉杆所用铝合金型材材料牌号为6082T6,是以Mg 和Si 为主要合金元素，并以Mg2Si 相为强化相的铝合金，热处理执行固溶热处理+人工时效。6082 属热处理可强化合金，具有良好的可成型性、可焊接性、可机加工性，同时具有中等强度，在退火后仍能维持较好的操作性，主要用于机械结构方面，包括棒材、板材、管材和型材等。其T6 状态具有较高的机械特性。

2 试验及分析

试验取样分析的样品有：断裂的铝合金拉杆及同期服役的完好铝合金拉杆各1 根（编号为旧拉杆1、旧拉杆2，横截面为矩形环，长×宽×壁厚为40 mm×20 mm×3.2 mm）；新铝合金拉杆2 根（编号为新拉杆1、新拉杆2，横截面为矩形环，长×宽×壁厚为40 mm×25 mm×3.5 mm）。

2.1 宏观形貌分析

拉杆的销轴与拐臂连接结构如图1 所示，拉杆在销轴孔连接处断裂（如图2 所示）。开裂拉杆的断口较新，呈脆性开裂，销轴孔内壁有黑色氧化特征，未开裂拉杆销轴孔内壁光亮，无氧化特征。

图1 拉杆销轴孔结构

图2 断裂拉杆与完好拉杆

2.2 化学成分检测

对新、旧铝合金拉杆取样进行化学成分检测，检测数据如表1 所示。结果表明，旧拉杆和新拉杆的化学成分与设计材料牌号6082T6 的要求不符，应属于7×××系列铝合金，属于以锌为主要合金元素的铝合金，但无具体对应的材料牌号。

表1 铝合金拉杆化学成分检测表 单位：%

2.3 力学性能检测

在新、旧铝合金拉杆上分别取样按照GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1 部分：室温试验方法》在型号CTM5305 电子万能试验机上进行试验，检测数据如表2 所示。由表2 可知，按照GB/T 6892—2015 的6082T6 及GB/T 6892—2015的7003T5 材料标准要求，旧拉杆的力学性能都满足标准要求，新拉杆2 按照7005T5 牌号要求，抗拉强度和屈服强度不符合标准要求。

表2 铝合金拉杆常温机械性能测试结果表

2.4 低倍组织检验

对新、旧铝合金拉杆分别取样，按照GB/T 3246.2—2012《变形铝及铝合金制品组织检验方法第2 部分：低倍组织检验方法》，观察其低倍组织有无缺陷。结果显示，断裂拉杆和新规格拉杆均无裂纹，未见光亮晶粒、非金属夹杂、白斑等点状缺陷。

2.5 显微组织观察

对新、旧铝合金拉杆分别取样，按照GB/T 3246.1—2012《变形铝及铝合金制品组织检验方法第1 部分：显微组织检验方法》，利用型号为Axio Observer.Alm 金相显微镜进行显微组织观察，确定其显微组织是否正常。结果显示，断裂拉杆和新规格拉杆均无过烧组织出现，强化相均匀地分布在α（Al）基体上，组织正常。

3 试验结论

通过销轴孔内壁与销柱系统发生的微动磨损可以推断，销轴孔内壁与销柱系统之间的配合应该存在间隙，因此形成了微动磨损的条件。开裂拉杆断口较新，呈脆性开裂，销轴孔内壁有黑色氧化物，根据拉杆工作原理，可以判定销轴孔内壁与销柱系统发生了微动磨损，并产生了黑色的磨屑，最后在接触边缘处萌生疲劳裂纹，形成裂纹源，而变形铝合金材料的韧性较差，在拉杆动作时，在冲击载荷的作用下，沿裂纹源脆性开裂。