一起220kV隔离开关操动机构故障分析

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昌吉学院、新疆电力公司昌吉供电公司的研究人员陈莉、张瑞明、马莉，在2022年第5期《电气技术》上撰文，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。

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  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相关文献的标准要求，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《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)》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。

本文编自2022年第5期《电气技术》，论文标题为“一起220kV隔离开关操动机构故障分析”，作者为陈莉、张瑞明 等。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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