某500 kV組合電器斷路器分閘不到位故障發(fā)現(xiàn)及分析

(國網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610041)

0 引 言

四川某500 kV變電站某主變壓器年檢完成后，運行維護人員開始進行該主變壓器送電操作。運行維護人員首先對與該主變壓器500 kV側(cè)電氣相連的某500 kV組合電器斷路器及隔離開關(guān)開始倒閘操作。送電操作時，運行維護人員將該組合電器斷路器兩側(cè)隔離開關(guān)合閘后，在該斷路器三相機械顯示尚處于分閘狀態(tài)(即該斷路器尚未進行合閘操作)的情況下，與該斷路器電氣相連的主變壓器突發(fā)空載勵磁異響，主變壓器500 kV側(cè)引流線、CVT、避雷器表面都有明顯的電暈放電現(xiàn)象；同時，主變壓器及該組合電器斷路器保護裝置發(fā)出交流PT斷線告警，監(jiān)控后臺顯示：該組合電器斷路器C相存在交流電壓波形，主變壓器高壓側(cè)C相存在60 V左右的相電壓。將該組合電器斷路器兩側(cè)隔離開關(guān)分閘后，以上現(xiàn)象消失。

1 斷路器故障的初步分析

在該組合電器斷路器機械顯示尚處于分閘狀態(tài)(見圖1)的情況下，僅將其兩側(cè)隔離開關(guān)合閘后，就出現(xiàn)以上現(xiàn)象，這說明該組合電器斷路器C相內(nèi)部出現(xiàn)了顯而易見的缺陷。出現(xiàn)缺陷的可能原因有：一是該組合電器斷路器C相內(nèi)部出現(xiàn)絕緣擊穿現(xiàn)象，導(dǎo)致兩側(cè)隔離開關(guān)合上后主變壓器就帶電；二是該斷路器C相內(nèi)部存在分閘不到位的故障，該斷路器實際上并不是處于分閘狀態(tài)，而是處于合閘狀態(tài)，或者說該斷路器C相的分合閘機械顯示并不真實，盡管顯示的是分閘狀態(tài)，但內(nèi)部可能處于合閘狀態(tài)。為判斷第一種原因是否成立，應(yīng)開展SF6氣體試驗[1-15]；而為判斷第二種原因是否成立，應(yīng)對該組合電器斷路器動靜觸頭狀態(tài)開展X光檢測[16-20]。

圖1 組合電器斷路器C相機械顯示(分閘狀態(tài))

2 斷路器故障的診斷試驗

2.1 SF6氣體試驗及分析

為驗證第1種導(dǎo)致缺陷的可能原因是否成立，在事故發(fā)生后，立即對該組合電器C相斷路器、隔離開關(guān)氣室開展了SF6氣體試驗，試驗數(shù)據(jù)無異常。

在故障發(fā)生24 h后，再次對該組合電器C相斷路器、隔離開關(guān)氣室開展了SF6氣體試驗，試驗數(shù)據(jù)依然無異常。

兩次氣體試驗結(jié)果見表1。

表1 故障組合電器斷路器C相SF6氣體試驗結(jié)果

氣體分解產(chǎn)物試驗無異常說明該斷路器C相在主變壓器送電操作時滅弧室內(nèi)部應(yīng)當(dāng)沒有大電弧現(xiàn)象，也沒有發(fā)生內(nèi)部放電現(xiàn)象、閃絡(luò)現(xiàn)象、絕緣擊穿現(xiàn)象。如果該組合電器斷路器內(nèi)部發(fā)生了放電故障，在放電的作用下，內(nèi)部SF6氣體將會發(fā)生分解，放電的主要分解產(chǎn)物是SOF2(氟化亞硫酰)，SOF2水解生成SO2和HF[1-15]。SF6氣體分解產(chǎn)物檢測具有受外界環(huán)境干擾小、靈敏度高、準(zhǔn)確性好等優(yōu)點[1-15]，然而兩次SF6氣體試驗都沒有檢測到任何SO2分解產(chǎn)物成分，這說明該組合電器斷路器內(nèi)部沒有發(fā)生任何放電故障，如此就排除了在運行維護人員倒閘操作合兩側(cè)倒閘過程中該組合電器斷路器內(nèi)部放電擊穿導(dǎo)致主變壓器帶電的可能。

2.2 X光檢測

為驗證第2種導(dǎo)致缺陷的可能原因是否成立，對該故障組合電器斷路器動靜觸頭狀態(tài)開展X光檢測。

組合電器斷路器的外殼使用的是鋁合金材料，通過X光檢測透過鋁合金外殼材料探知組合電器內(nèi)部狀態(tài)是近年來發(fā)展起來的一種帶電檢測手段[16-20]，可以在不拆卸、不解體、不破壞組合電器斷路器的情況下高效、準(zhǔn)確地檢測其內(nèi)部狀態(tài)。

1895年倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，后來X射線技術(shù)得到了廣泛的工業(yè)應(yīng)用[16-20]。20世紀70 年代以來開始了對 X 射線數(shù)字化成像的研究；20世紀70 年代末至 80 年代中期開發(fā)了X射線計算機數(shù)字攝影技術(shù)(X-ray computed radiography，X-CR)；20世紀90 年代中期，出現(xiàn)了直接數(shù)字 X 射線攝影技術(shù)(X-ray digital radiography,X-DR)[16-20]。CR 與 DR 成像技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的兩種技術(shù)，其原理如圖2所示[16-20]。

X-CR技術(shù)是將 X 射線透過工件后的殘留量透照在成像板上，成像板會記錄下來，再通過掃描裝置讀取，最后由計算機生成數(shù)值化圖像的技術(shù)[16-20]。而在X-CR 技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的X-DR 技術(shù)是利用電子技術(shù)將 X 射線透過工件后的信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字化電子載體的 X 射線成像方法[16-20]。本次X光檢測采用的就是X-DR 技術(shù)。

圖2 X射線CR及DR檢測技術(shù)[16-20]

通過X光檢測發(fā)現(xiàn)的三相滅弧室動靜觸頭狀態(tài)對比如圖3。通過圖3的X光檢測圖像對比分析，可以清晰地發(fā)現(xiàn)，該故障斷路器C相滅弧室動靜觸頭實際上處于合閘狀態(tài)，這與分合閘機械指示完全不符，或者說出現(xiàn)了分閘不到位的缺陷。而該斷路器A相、B相滅弧室動靜觸頭如圖3所示都處于分閘狀態(tài)，與分合閘機械指示相符。

圖3 故障斷路器三相滅弧室動靜觸頭狀態(tài)對比

3 故障斷路器解體檢查

初步判斷C相故障斷路器絕緣拉桿與連接臂之間發(fā)生了脫口或斷裂現(xiàn)象。將該故障斷路器返廠進行解體。將故障斷路器滅弧室從罐體內(nèi)部整體取出，發(fā)現(xiàn)斷路器滅弧室連接臂端頭連接孔部位斷裂，如圖4所示。

將滅弧室進一步解體，將連接臂取出，取出的連接臂斷裂狀態(tài)如圖5所示。然后將連接臂斷裂部分進行拼接，拼接狀態(tài)見圖6。斷裂的連接臂與完好的連接臂對比如圖7所示，在圖7中，左側(cè)的是完好的連接臂，右側(cè)的是斷裂的連接臂。

與該斷裂連接臂相連的斷路器主傳動桿如圖8所示，正是該主傳動桿連接著斷路器主絕緣拉桿和兩個斷口間的分絕緣拉桿。對于正常的斷路器而言，該連接臂被裝配入主傳動桿上部的金屬空心部分，并將二者孔洞對準(zhǔn)，通過插入二者孔洞的金屬銷子固定連接在一起。然而該連接臂的斷裂直接導(dǎo)致主傳動桿脫落，從而造成絕緣拉桿脫落及分閘不到位。

圖4 連接臂裝配狀態(tài)

圖5 斷裂的連接臂

圖6 斷裂的連接臂碎片拼接

圖7 完好連接臂與斷裂連接臂對比情況

圖8 與故障連接臂相連的主傳動桿

4 連接臂金屬的檢測情況

解體后，委托第三方對斷裂的連接臂金屬進行檢測，檢測項目包括：成分分析、金相及顯微分析、斷口分析。通過這三項檢測沒有發(fā)現(xiàn)任何金屬材質(zhì)質(zhì)量缺陷，這說明造成該故障的根本原因不是金屬材質(zhì)質(zhì)量缺陷。

4.1 成分分析

通過成分檢測，樣品組成為：基體Al，中量Si，少量Mg、Fe，微量Cu、Mn、Zn，質(zhì)量分數(shù)占比情況為：Si 9.18%、Mg 0.26%、Fe 0.23%、Cu 0.019%、Mn 0.030%、Zn 0.023%。連接臂成分及比例符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 斷口分析

通過對樣品斷口進行微觀形貌查看，顯示該連接臂斷口組織細密，無低倍組織缺陷，均為韌窩斷口及少量解理斷口，為正常鑄硅鋁合金斷口。

4.3 金相組織纖維分析

對樣品金相組織顯微查看，檢測結(jié)果如下：

變質(zhì)顯微組織特征顯示α枝晶與共晶體分布均勻，共晶硅為點狀或蠕蟲狀，變質(zhì)正常，如圖9。

過燒顯微組織特征顯示共晶硅邊角已圓滑，但不聚集長大，為正常組織，如圖10。

5 連接臂斷裂的根本原因分析

對斷裂的連接臂送交第三方檢測，連接臂成分、斷口、金相檢測結(jié)果正常，這說明連接臂自身金屬材質(zhì)無質(zhì)量問題，連接臂斷裂故障的根本原因不是金屬材質(zhì)缺陷。

圖9 變質(zhì)顯微組織檢測結(jié)果

圖10 過燒顯微組織檢測結(jié)果

圖11 連接臂連接孔斷裂位置凸楞

對故障斷路器解體檢查中發(fā)現(xiàn)滅弧室連接臂端頭部位斷裂部位的連接孔表面(斷裂位置)有一條明顯的凸楞，如圖11所示，凸楞表面已擠壓摩擦變亮。而同類結(jié)構(gòu)的連接臂連接孔表面圓滑，無凸楞現(xiàn)象。

綜合分析該連接臂斷裂的根本原因為：連接臂在生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)存在加工工藝質(zhì)量缺陷，使得連接臂連接孔局部殘存有一條凸起的楞。連接臂組裝到產(chǎn)品上后，隨著斷路器廠內(nèi)及現(xiàn)場分合閘操作，連接臂凸楞部位受到很強的擠壓應(yīng)力作用，使連接臂受力嚴重不均，最終造成連接臂斷裂，從而導(dǎo)致主傳動桿、絕緣拉桿無法傳動以及斷路器失去分合閘功能，最終發(fā)生斷路器分閘不到位的故障。

6 結(jié) 語

在某主變壓器本體及三側(cè)年檢完成后進行送電操作的過程中發(fā)現(xiàn)了與該主變壓器直接電氣相連的組合電器斷路器C相分閘不到位的缺陷。故障發(fā)生后對該斷路器C相進行了氣體試驗、X光試驗。通過X光檢測，發(fā)現(xiàn)該斷路器C相出現(xiàn)了分閘不到位的缺陷，其滅弧室動靜觸頭實際處于合閘狀態(tài)，這與分合閘機械指示完全不符。正因為其處于合閘狀態(tài)，所以僅將該斷路器兩側(cè)隔離開關(guān)合閘后，就會立即出現(xiàn)主變壓器帶電的情形。由于斷路器內(nèi)部沒有電弧現(xiàn)象、放電現(xiàn)象，斷路器內(nèi)部氣體也就沒有分解物產(chǎn)生，SF6分解產(chǎn)物測試結(jié)果為合格。

后對該故障斷路器進行返廠解體，發(fā)現(xiàn)連接斷路器主傳動桿的連接臂金屬斷裂。綜合對連接臂金屬的各種檢測分析(包括成分分析、金相及顯微分析、斷口分析)結(jié)果以及對連接臂金屬臂斷裂部分的外觀檢查，綜合分析認為由加工工藝質(zhì)量缺陷產(chǎn)生連接臂連接孔位置的凸楞是造成本次缺陷的根本原因。

為了避免今后類似故障再次發(fā)生，建議制造廠應(yīng)從源頭做好產(chǎn)品質(zhì)量把控，具體措施為：

1)在連接臂生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，加強連接臂機加工后的質(zhì)量管控，將連接臂連接孔的檢查列為其中的一個檢查項目，防止缺陷產(chǎn)品流入后續(xù)；

2)在產(chǎn)品制造環(huán)節(jié)，將連接臂的連接孔檢查列為產(chǎn)品裝配環(huán)節(jié)的一個檢查項目，在連接臂裝配前逐件檢查連接臂連接孔的尺寸及內(nèi)孔質(zhì)量，防止問題零部件流入到產(chǎn)品上。