一起220kV隔离开关操动机构故障分析

陈 莉 张瑞明 马 莉

一起220kV隔离开关操动机构故障分析

陈 莉1张瑞明2马 莉1

（1. 昌吉学院，新疆 昌吉 831100；2. 新疆电力公司昌吉供电公司，新疆 昌吉 831100）

针对一起发生在变电站送电过程中的220kV 气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）隔离开关操动机构传动轴断裂的典型故障，详细介绍故障排查过程，并用光谱分析、硬度试验、显微组织检验、断口扫描电子显微镜（SEM）形貌分析等方法深入分析故障的原因，提出加强设备验收、加强质量监督等措施以提高设备投运质量。

操动机构；断裂；光谱分析；扫描电子显微镜（SEM）形貌分析

0 引言

隔离开关是电力系统中一种很重要的开关设备，在隔离开关缺陷类型统计中，隔离开关故障有绝缘子断裂、开关拒分拒合、合闸不到位、导电回路异常发热、绝缘子破损或有裂纹、操动机构故障等，其中发热是电气故障，其他的都是机械故障[1-4]。

1 故障情况

2021年7月10日，在220kV某变电站220kV某线送电过程中，运维操作人员拉开2号主变22023隔离开关时，隔离开关出现操作不到位故障，抢修人员与设备厂家一同对操动机构进行解体分析，将机构从壳体中取出，发现连接驱动板与小拐臂的轴发生断裂，导致作用在传动轴上的力无法继续传递，动力输出中断。现场传动轴检查情况如图1所示。

为进一步分析故障原因，抢修人员将该断裂传动轴（1号试样）与同型号操动机构传动轴（2号试样）一同送往实验室进行对比试验分析。

图1 现场传动轴检查情况

该隔离开关为2020年3月20日出厂，型号为NGDS2—I Ⅲ，所配操动机构型号为CJ23，未投运。

2 检查与试验

2.1 外观检查

抢修人员现场检查轴的断裂位置在轴六棱面与圆柱面交界处，断口平整、无明显的塑性变形，整个断口呈明显的脆性断裂，另外中部的颜色较边缘深，呈灰黑色，如图2所示。

图2 传动轴断裂位置及断口形貌

进一步对断口进行体视显微镜放大检查，发现局部存在疑似裂纹，如图3所示，另外可观察到中部圆形颜色较深的断裂纹路与边缘明显不同。

2.2 光谱分析检测

对操动机构传动轴进行光谱分析检测，检测结果见表1，结果表明传动轴的化学成分符合设计材质。

图3 体视显微镜检查断口结果

表1 传动轴元素检测结果 （%）

2.3 硬度试验

对传动轴的截面进行硬度试验，试验结果见表2。试验结果表明，断裂的1号传动轴的硬度不满足文献[5]的标准要求，而2号未断裂传动轴的硬度满足标准要求。

表2 截面硬度试验结果

2.4 金相分析检测

对主动轴断裂部位附近截取横断面进行金相组织分析，如图4所示，其显微组织为回火索氏体，相比芯部，边缘部位存在少量的铁素体。

图4 1号试样断面微观金相组织

对2号试样轴的相同部位截取横截面，对其横截面进行检验，未见微裂纹等异常现象，且组织形貌为回火马氏体，如图5所示。

图5 2号试样断面微观金相组织

2.5 断口形貌分析

对断口进行扫描电镜分析，其扫描电子显微镜（scanning electron microscope, SEM）形貌如图6所示，发现断口存在部分轴向裂纹，在裂纹附近还存在孔洞，个别孔洞边缘已延伸成小裂纹。

3 故障原因分析

1）从光谱分析及微观金相组织分析结果看，该轴材料化学元素满足40Cr标准要求，其微观金相组织也为调质处理（淬火加高温回火）。

图6 断口SEM形貌

2）从硬度检测结果看，断轴（1号试样）较未断轴（2号试样）的硬度稍高。

3）从断口的SEM形貌看，断口分布长短不一的轴向裂纹，在轴向裂纹附近还存在一定数量的孔洞，部分孔洞边缘已发展至微裂纹。

综上所述，该主动轴内部存在裂纹缺陷是此次断裂的主要原因，裂纹产生的原因与该轴热处理的工艺有关，通常在淬火组织处理中过热就会造成淬火裂纹；其次通过外观检查该轴圆柱过渡至六棱柱的不连续台阶，也是应力最集中的部位，轴内部若有缺陷，极易在此部位断裂。

4 结论

通过外观检查及试验检测分析，该220kV GIS隔离开关传动轴热处理出现淬火组织过热严重，即淬火温度控制工艺出现问题，导致轴内部出现孔洞，受力时产生裂纹，最终导致传动轴断裂的故障。因此，针对该典型的隔离开关传动轴故障提出以下防范措施：

1）对同批次和同型号的传动轴进行光谱分析、硬度检测等专项排查，对排查不合格的要求厂家进行整体更换。

2）设备厂家按照文献[6]中对金属材料和部件材质的要求，加强设备操动机构关键受力部件出厂时的检验，保障部件无问题出厂。

3）应加强设备采购时的技术质量管控，落实设备质量抽检，除了对设备本体的检测，还应加强设备附属机构、材料等检测，确保设备各项参数合格。

4）项目管理单位应加强验收，对设备出厂试验报告、金属材料抽检报告等进行验收，无检测报告的视为产品不合格。

[1] 秦斌. 高压隔离开关典型机械故障与检测方法分析[J]. 消费导刊, 2018, 31: 119.

[2] 郑晓琼, 戚矛, 王鹏辉, 等. 高压隔离开关常见异常及处理[J]. 自动化应用, 2017(5): 113-115.

[3] 于晓翔. 500kV高压开关设备隔离开关绝缘拉杆故障分析[J]. 电气技术, 2021, 22(2): 54-58.

[4] 张少玉, 周艳青, 罗永吉. 高海拔地区变电站500kV高抗回路隔离开关断口优化研究[J]. 电气技术, 2019, 20(1): 84-87, 92.

[5] 合金结构钢: GB/T 3077—2015[S]. 北京: 中国标准出版社, 2016.

[6] 国家电网有限公司. 国家电网有限公司十八项电网重大反事故措施(2018年修订版)及编制说明[M]. 北京: 中国电力出版社, 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

陈 莉（1985—），女，四川省泸州市人，硕士，讲师，工程师，主要从事电气设备故障诊断、系统运行分析研究教育工作。