10 kV開(kāi)關(guān)柜接地閘刀限位器失效的原因分析

湯金興， 范 明，張 杰， 沈中元，彭明法

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014)

10 kV開(kāi)關(guān)柜接地閘刀限位器失效的原因分析

湯金興1， 范 明1，張 杰2， 沈中元1，彭明法1

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014)

對(duì)某變電站內(nèi)10 kV中置式開(kāi)關(guān)柜的接地閘刀限位器碎裂樣品進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)和成分光譜分析，綜合檢驗(yàn)結(jié)果表明，損壞的限位器制造工藝粗糙、鋁的含量偏低，是導(dǎo)致該鋁鑄件在十多年的運(yùn)行后變脆破裂的根本原因，并據(jù)此提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

接地閘刀；地刀限位器；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；失效

某變電站核對(duì)10 kV間隔接地閘刀信號(hào)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)后臺(tái)信號(hào)與實(shí)際位置不對(duì)應(yīng)，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，該接地閘刀的限位器已嚴(yán)重碎裂，進(jìn)一步對(duì)該站其他35個(gè)配有接地閘刀的10 kV開(kāi)關(guān)柜間隔進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)有26個(gè)間隔的接地閘刀限位器有明顯碎裂現(xiàn)象。

這26個(gè)間隔開(kāi)關(guān)柜均為某制造廠2001年的產(chǎn)品，另外9個(gè)未發(fā)現(xiàn)損壞的則為2005年的產(chǎn)品。限位器在接地閘刀分合閘操作過(guò)程中，用以限制操作至終點(diǎn)的位置，防止操作越位，且同時(shí)起固定傳動(dòng)桿的作用，一般為鋁塊鑄件。

1 檢驗(yàn)結(jié)果及其分析

1.1 限位器失效狀況

現(xiàn)場(chǎng)檢查失效的限位器碎裂狀況見(jiàn)圖1，限位器的碎裂導(dǎo)致運(yùn)行人員無(wú)法進(jìn)行正常分合接地閘刀操作，并且使得接地閘刀傳動(dòng)桿上的輔助接點(diǎn)切換不正常，導(dǎo)致后臺(tái)信號(hào)與實(shí)際位置不對(duì)應(yīng)。此類故障的發(fā)生可能造成工作人員誤判斷接地閘刀的實(shí)際位置，并可能導(dǎo)致嚴(yán)重的誤操作事故[1]。應(yīng)對(duì)失效樣品進(jìn)行宏觀檢查、成分光譜分析等檢驗(yàn)，進(jìn)而對(duì)限位器碎裂的原因進(jìn)行分析。

圖1 限位器碎裂前與碎裂后形狀

1.2 宏觀檢驗(yàn)

宏觀檢查也稱為低倍檢查，即利用肉眼、低倍放大鏡或顯微鏡觀察金屬材料內(nèi)部組織及缺陷的檢驗(yàn)。

限位器碎成多塊，外表幾乎沒(méi)有變形，圖2是限位器碎裂塊的宏觀分析照片。在某些斷口處可見(jiàn)明顯宏觀裂紋，斷口粗糙，有明顯脆性斷口特征。

1.3 材質(zhì)成分光譜分析

向廠家咨詢材質(zhì)成分如表1所示，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)值，Cu含量偏低，Pb和Cd含量偏高。廠家認(rèn)為限位器碎裂的主要原因是銅含量偏低。

委托國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院采用DS-8000分析儀，對(duì)未斷裂的鋁塊、新材料替換件以及斷裂的鋁塊分別進(jìn)行了分析，試驗(yàn)分析結(jié)果如表2所示。

圖2 限位器碎裂塊的宏觀形貌

表1 廠家提供的限位器材質(zhì)成分 %

表2 限位器成分光譜分析結(jié)果 %

由試驗(yàn)分析結(jié)果可知：碎裂限位器鑄件的主要成分為Zn，含量為86.39%～92.27%，在未碎裂和新的限位器中都含有Al成分，含量為7.9%～9.82%，而碎裂的鋁塊則不含Al成分。同元件不同批次產(chǎn)品材質(zhì)存在重大差異，據(jù)此進(jìn)一步要求廠家提供元件材質(zhì)牌號(hào)。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙顯示該材質(zhì)設(shè)計(jì)牌號(hào)為AlSi12，按照GB/T 1173-1995《鑄造鋁合金》，AlSi12合金代號(hào)為ZL102，Si含量約10.5%～13.5%，Al含量應(yīng)為85%～87%。很明顯，成分分析結(jié)果表明送樣不符合AlSi12要求。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料[2]，鋁在鋅合金中的含量對(duì)合金的機(jī)械性能影響如下：當(dāng)鋁的含量小于10%時(shí)，隨著鋁含量的提高，合金的抗拉力強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、硬度等指標(biāo)都有逐步提高；當(dāng)鋁含量大于6%時(shí)隨著含量提高這些指標(biāo)提升尤為明顯，如圖3—5所示。從表2中可以看出，碎裂的限位塊中幾乎不含鋁，未碎的限位塊中鋁含量為7.9%～9.8%，正說(shuō)明了隨著鋁含量的增加，限位塊的機(jī)械性能有所提高。經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)[3]，廠家設(shè)計(jì)的牌號(hào)為ZL102的鋁材，其拉伸試驗(yàn)伸長(zhǎng)率為4%，而鋅合金該指標(biāo)一般≤1.2%，也即廠家用延展性差的鋅合金代替了設(shè)計(jì)的鋁合金，使得限位塊力學(xué)性能不能滿足設(shè)計(jì)要求，這是導(dǎo)致限位塊碎裂的主要原因之一。

圖3 鋁含量對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響

圖4 鋁含量對(duì)硬度的影響

圖5 鋁含量對(duì)伸長(zhǎng)率的影響

2 限位器的作用及碎裂原因分析

2.1 限位器的作用

10 kV接地閘刀傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖6所示，其傳動(dòng)連桿上裝有2個(gè)扇形片，當(dāng)進(jìn)行分合閘操作時(shí)，通過(guò)輔助接點(diǎn)扇形片的上下兩觸點(diǎn)，接通接地閘刀的輔助接點(diǎn)回路，將實(shí)際位置信號(hào)通過(guò)輔助回路傳至監(jiān)控后臺(tái)及保護(hù)測(cè)控裝置[4]。

目前接地閘刀普遍采用手動(dòng)分合閘操作，限位器的作用有：

（1）對(duì)接地閘刀的傳動(dòng)桿起到固定作用。

（2）通過(guò)傳動(dòng)桿上扇形片的物理位移，接點(diǎn)接通或斷開(kāi)接地閘刀輔助觸點(diǎn)。

（3）限制分合閘至終點(diǎn)時(shí)的位置，以防損壞部件及輔助回路。

（4）通過(guò)傳動(dòng)桿帶動(dòng)開(kāi)關(guān)柜下柜門機(jī)械傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)分閘時(shí)閉鎖下柜門，合閘時(shí)解鎖下柜門[5]。

2.2 限位器碎裂原因分析

限位器受力過(guò)大不均可能導(dǎo)致限位器模塊碎裂。在接地閘刀分合閘操作過(guò)程中，當(dāng)操作至終點(diǎn)位置時(shí)，限位器的限位塊將受到傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一個(gè)沖擊力。在長(zhǎng)期的操作過(guò)程中，限位器永久性累積損傷（金屬疲勞），經(jīng)過(guò)一定次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或斷裂。通過(guò)對(duì)正常接地操作、操作方法等情況進(jìn)行分析，且現(xiàn)場(chǎng)損壞的限位器并無(wú)明顯的變形，據(jù)此認(rèn)為受力過(guò)大不均并非是引起限位器碎裂的主要原因。

碎裂限位器經(jīng)檢測(cè)，Al含量約0～9.82%，Si約0.003%，主要成分為 Zn，含量約85.36%～92.27%。按照GB/T 1173-1995《鑄造鋁合金》，AlSi12合金代號(hào)為 ZL102，Si含量約 10.5%～13.5%，Al含量應(yīng)在85%～87%。很明顯，送樣不符合AlSi12要求。

限位器逐漸碎成多塊（見(jiàn)圖1），幾乎沒(méi)有變形，有的斷口附近有宏觀裂紋（見(jiàn)圖2），斷口粗糙，有明顯脆性斷口特征。分析認(rèn)為錯(cuò)用脆性材料Zn代替Al是鑄件斷裂的主要原因。

圖6 接地閘刀傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

3 結(jié)論

（1）限位器碎裂并非是外力過(guò)大，主要原因應(yīng)是制造廠家錯(cuò)用脆性材料Zn代替韌性較好的材料Al。

（2）生產(chǎn)廠家不能確定材質(zhì)是鋅合金還是鋁合金，說(shuō)明對(duì)產(chǎn)品材質(zhì)不重視。設(shè)計(jì)材質(zhì)與實(shí)際使用材質(zhì)并不符合，表明廠家未按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行產(chǎn)品的加工、檢驗(yàn)。

（3）為避免由于限位器碎裂而導(dǎo)致接地閘刀的操作出現(xiàn)問(wèn)題，在設(shè)備投產(chǎn)前，對(duì)部件的參數(shù)應(yīng)與廠家進(jìn)行確認(rèn)，嚴(yán)格把好質(zhì)量關(guān)，做好驗(yàn)收工作，確保設(shè)備的相關(guān)功能得以正常實(shí)現(xiàn)。

（4）應(yīng)加強(qiáng)金屬監(jiān)督抽檢工作，在設(shè)備正常運(yùn)行期間，做好檢查維護(hù)工作，這樣有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，避免運(yùn)行中臨時(shí)停電。

（5）建議對(duì)同批次的產(chǎn)品及其它批次的產(chǎn)品進(jìn)行排查，檢查是否有類似問(wèn)題，若有，則需進(jìn)一步整改。

[1]吳亞軍.淺談中置柜常見(jiàn)故障及處理分析[J].科技資訊，2009（34）∶80-82.

[2]劉洪軍，李亞敏，郝遠(yuǎn).Al、Cu含量對(duì)Zn-Al-Cu-Mg合金性能的影響[J].鑄造技術(shù)，2007，28（6）∶823-826.

[3]GB/T 15114-2009鋁合金壓鑄件[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[4]張滕飛，金胤豪，徐胡平.10 kV開(kāi)關(guān)柜接地閘刀狀態(tài)指示裝置異常分析與研究[J].華東電力，2013，41（10）∶2203 -2204.

[5]潘國(guó)華.對(duì)10 kV ABB開(kāi)關(guān)柜防誤閉鎖裝置的完善[J].電力安全技術(shù)，2012，14（10）∶62-63.

[6]汪洪明，丁罕，胡一峰.倒閘操作中幾起接地閘刀典型異常實(shí)例分析[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2008，36（23）∶125-127.

（本文編輯：楊 勇）

Cause Analysis on Failure of Earthing Switch Block in 10 kV Switch Cabinet

TANG Jinxing1，F(xiàn)AN Ming1，ZHANG Jie2，SHEN Zhongyuan1，PENG Mingfa1
（1.State Grid Jiaxing Electric Power Company，Jiaxing Zhejiang 314033，China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

Macroscopic examination and composition spectral analysis on crack samples of earthing switch block in 10 kV centrally-installed switch cabinet are implemented.The comprehensive test indicates that low content of aluminum and the coarse manufacturing process are the main reason of block cracking after more than ten year′s operation.According to the analysis some improvements are proposed.

earthing switch；block of earthing switch；transmission mechanism；failure

TM564.1

B

1007-1881（2015）05-0066-03

2015-03-09

湯金興（1980），男，變電檢修高級(jí)技師，工程師，主要從事變電檢修技術(shù)管理工作。