• 头条一起220kV隔离开关操动机构的故障分析
    2022-08-08 作者:陈莉、张瑞明、马莉  |  来源:《电气技术》  |  点击率:
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    导语昌吉学院、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。