隔離開關(guān)是電力系統(tǒng)中一種很重要的開關(guān)設(shè)備，在隔離開關(guān)缺陷類型統(tǒng)計中，隔離開關(guān)故障有絕緣子斷裂、開關(guān)拒分拒合、合閘不到位、導(dǎo)電回路異常發(fā)熱、絕緣子破損或有裂紋、操動機(jī)構(gòu)故障等，其中發(fā)熱是電氣故障，其他的都是機(jī)械故障。

1 故障情況

2021年7月10日，在220kV某變電站220kV某線送電過程中，運維操作人員拉開2號主變22023隔離開關(guān)時，隔離開關(guān)出現(xiàn)操作不到位故障，搶修人員與設(shè)備廠家一同對操動機(jī)構(gòu)進(jìn)行解體分析，將機(jī)構(gòu)從殼體中取出，發(fā)現(xiàn)連接驅(qū)動板與小拐臂的軸發(fā)生斷裂，導(dǎo)致作用在傳動軸上的力無法繼續(xù)傳遞，動力輸出中斷?，F(xiàn)場傳動軸檢查情況如圖1所示。

為進(jìn)一步分析故障原因，搶修人員將該斷裂傳動軸（1號試樣）與同型號操動機(jī)構(gòu)傳動軸（2號試樣）一同送往實驗室進(jìn)行對比試驗分析。

圖1 現(xiàn)場傳動軸檢查情況

該隔離開關(guān)為2020年3月20日出廠，型號為NGDS2—I Ⅲ，所配操動機(jī)構(gòu)型號為CJ23，未投運。

2 檢查與試驗

2.1 外觀檢查

搶修人員現(xiàn)場檢查軸的斷裂位置在軸六棱面與圓柱面交界處，斷口平整、無明顯的塑性變形，整個斷口呈明顯的脆性斷裂，另外中部的顏色較邊緣深，呈灰黑色，如圖2所示。

圖2 傳動軸斷裂位置及斷口形貌

進(jìn)一步對斷口進(jìn)行體視顯微鏡放大檢查，發(fā)現(xiàn)局部存在疑似裂紋，如圖3所示，另外可觀察到中部圓形顏色較深的斷裂紋路與邊緣明顯不同。

2.2 光譜分析檢測

對操動機(jī)構(gòu)傳動軸進(jìn)行光譜分析檢測，檢測結(jié)果見表1，結(jié)果表明傳動軸的化學(xué)成分符合設(shè)計材質(zhì)。

圖3 體視顯微鏡檢查斷口結(jié)果

表1 傳動軸元素檢測結(jié)果

2.3 硬度試驗

對傳動軸的截面進(jìn)行硬度試驗，試驗結(jié)果見表2。試驗結(jié)果表明，斷裂的1號傳動軸的硬度不滿足相關(guān)文獻(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)要求，而2號未斷裂傳動軸的硬度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 截面硬度試驗結(jié)果

2.4 金相分析檢測

對主動軸斷裂部位附近截取橫斷面進(jìn)行金相組織分析，如圖4所示，其顯微組織為回火索氏體，相比芯部，邊緣部位存在少量的鐵素體。

圖4 1號試樣斷面微觀金相組織

對2號試樣軸的相同部位截取橫截面，對其橫截面進(jìn)行檢驗，未見微裂紋等異?，F(xiàn)象，且組織形貌為回火馬氏體，如圖5所示。

圖5 2號試樣斷面微觀金相組織

2.5 斷口形貌分析

對斷口進(jìn)行掃描電鏡分析，其掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope, SEM）形貌如圖6所示，發(fā)現(xiàn)斷口存在部分軸向裂紋，在裂紋附近還存在孔洞，個別孔洞邊緣已延伸成小裂紋。

3 故障原因分析

1）從光譜分析及微觀金相組織分析結(jié)果看，該軸材料化學(xué)元素滿足40Cr標(biāo)準(zhǔn)要求，其微觀金相組織也為調(diào)質(zhì)處理（淬火加高溫回火）。

圖6 斷口SEM形貌

2）從硬度檢測結(jié)果看，斷軸（1號試樣）較未斷軸（2號試樣）的硬度稍高。

3）從斷口的SEM形貌看，斷口分布長短不一的軸向裂紋，在軸向裂紋附近還存在一定數(shù)量的孔洞，部分孔洞邊緣已發(fā)展至微裂紋。

綜上所述，該主動軸內(nèi)部存在裂紋缺陷是此次斷裂的主要原因，裂紋產(chǎn)生的原因與該軸熱處理的工藝有關(guān)，通常在淬火組織處理中過熱就會造成淬火裂紋；其次通過外觀檢查該軸圓柱過渡至六棱柱的不連續(xù)臺階，也是應(yīng)力最集中的部位，軸內(nèi)部若有缺陷，極易在此部位斷裂。

4 結(jié)論

通過外觀檢查及試驗檢測分析，該220kV GIS隔離開關(guān)傳動軸熱處理出現(xiàn)淬火組織過熱嚴(yán)重，即淬火溫度控制工藝出現(xiàn)問題，導(dǎo)致軸內(nèi)部出現(xiàn)孔洞，受力時產(chǎn)生裂紋，最終導(dǎo)致傳動軸斷裂的故障。因此，針對該典型的隔離開關(guān)傳動軸故障提出以下防范措施：

1）對同批次和同型號的傳動軸進(jìn)行光譜分析、硬度檢測等專項排查，對排查不合格的要求廠家進(jìn)行整體更換。

2）設(shè)備廠家按照《國家電網(wǎng)有限公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施(2018年修訂版)》中對金屬材料和部件材質(zhì)的要求，加強(qiáng)設(shè)備操動機(jī)構(gòu)關(guān)鍵受力部件出廠時的檢驗，保障部件無問題出廠。

3）應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備采購時的技術(shù)質(zhì)量管控，落實設(shè)備質(zhì)量抽檢，除了對設(shè)備本體的檢測，還應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備附屬機(jī)構(gòu)、材料等檢測，確保設(shè)備各項參數(shù)合格。

4）項目管理單位應(yīng)加強(qiáng)驗收，對設(shè)備出廠試驗報告、金屬材料抽檢報告等進(jìn)行驗收，無檢測報告的視為產(chǎn)品不合格。

本文編自2022年第5期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“一起220kV隔離開關(guān)操動機(jī)構(gòu)故障分析”，作者為陳莉、張瑞明 等。