變電站斷路器卷簧斷裂分析

葉建鋒，熊 宇，田 澤，梅云平，沈祎儂

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢430077；2.湖北方源東力電力科學(xué)研究有限公司，湖北 武漢430077）

0 引言

斷路器屬于高壓開(kāi)關(guān)類(lèi)設(shè)備的一種，在變電站中的作用是切斷故障電流，保護(hù)主變壓器等重要設(shè)備，防止事故擴(kuò)大的主要機(jī)構(gòu)［1-2］。斷路器可分為油斷路器、SF6斷路器、壓縮空氣斷路器、真空斷路器等［3］。斷路器一般由導(dǎo)電部分、絕緣部分、接觸與滅弧部分及操動(dòng)機(jī)構(gòu)部分，其中操動(dòng)機(jī)構(gòu)部分是保證斷路器快速切斷故障電流的主要部分，其故障發(fā)生率在斷路器的故障中占比較大［4-5］。

操動(dòng)機(jī)構(gòu)分為液壓操動(dòng)機(jī)構(gòu)、彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)以及電磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)由于其操作能量小、分合閘速度快、機(jī)械壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)在斷路器中被廣泛使用，同時(shí)，由于彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)故障而導(dǎo)致的斷路器故障時(shí)有發(fā)生［6-14］。

1 概況

某500 kV 變電站的220 kV 斷路器A 相于2019 年12月出現(xiàn)異常的反復(fù)打壓現(xiàn)象，拆解后發(fā)現(xiàn)斷路器儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)中的卷簧斷裂。

該斷路器為A 廠家生產(chǎn)的斷路器，2007 年7 月投運(yùn)，上次年度檢修時(shí)間為2016年5月，上次年度檢修時(shí)各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)合格。

圖1為卷簧的加工圖紙，從圖紙可知，該卷簧材質(zhì)為DIN 1.7701（51CrMoV4）的彈簧鋼，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為DIN EN 10089-2003，卷簧厚度為11.2 mm，寬度為120 mm，由7圈組成，斷口位于從內(nèi)向外數(shù)第3圈。

該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該牌號(hào)彈簧鋼的化學(xué)成分、硬度、力學(xué)性能和表面脫碳層均作出規(guī)定，以下將通過(guò)磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)、光譜分析、硬度測(cè)量、拉力試驗(yàn)、脫碳層檢測(cè)、金相檢驗(yàn)、斷口分析等試驗(yàn)對(duì)卷簧斷裂原因進(jìn)行分析，圖紙中有規(guī)定質(zhì)量要求的項(xiàng)目按照?qǐng)D紙執(zhí)行，否則按標(biāo)準(zhǔn)《DIN EN 10089-2003 淬火和回火彈簧用熱軋鋼材.交貨技術(shù)條件》執(zhí)行。

2 試驗(yàn)與分析

2.1 試驗(yàn)計(jì)劃

根據(jù)故障情況、加工圖紙及目前掌握的信息計(jì)劃做表1中的試驗(yàn)。

圖1 卷簧加工圖Fig.1 Drawing of coil spring

表1 試驗(yàn)計(jì)劃Table 1 Test plans

2.2 磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)

對(duì)卷簧進(jìn)行磁粉檢測(cè)［15-18］及滲透檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)裂紋及其他缺陷。

2.3 光譜分析

使用M5000 全元素光譜儀對(duì)卷簧進(jìn)行光譜分析，結(jié)果如表2所示，從光譜分析結(jié)果可見(jiàn)，卷簧的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 光譜分析結(jié)果Table 2 Results of spectral analysis

2.4 硬度測(cè)量

使用HBRV-187.5布洛維硬度計(jì)對(duì)卷簧進(jìn)行硬度測(cè)量，結(jié)果如表3 所示，圖紙要求硬度為45～48 HRC，從表3可見(jiàn)，該卷簧的硬度偏高［19-21］，不符合圖紙上的技術(shù)要求。

2.5 拉力試驗(yàn)

使用WAW-600 kN 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)卷簧進(jìn)行拉力試驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值為1 777 MPa，標(biāo)準(zhǔn)中抗拉強(qiáng)度的參考值為1 450～1 750 MPa，從實(shí)測(cè)結(jié)果可見(jiàn)，該卷簧的抗拉強(qiáng)度偏高。

表3 硬度測(cè)試結(jié)果Table 3 Results of hardness

2.6 脫碳層檢驗(yàn)

對(duì)卷簧進(jìn)行脫碳層檢驗(yàn)［22-24］，脫碳層實(shí)測(cè)深度如表4 所示，從實(shí)測(cè)結(jié)果可見(jiàn)，脫碳層深度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 脫碳層深度測(cè)量結(jié)果Table 4 Results of decarburization layer detection

2.7 金相檢驗(yàn)

使用Axio Observer金相顯微鏡對(duì)卷簧取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，金相組織為回火索氏體，如圖2所示。

圖2 金相組織Fig.2 Metallographic structure

2.8 斷口分析

對(duì)卷簧的斷面進(jìn)行宏觀檢查，如圖3所示，從斷面的宏觀形貌可以判斷，下圖中紅框部位為裂紋起源部位（河流花樣的收斂部位），而卷簧的4 個(gè)邊沿為最終斷裂部位（最終斷裂部位存在剪切唇），裂紋擴(kuò)展方向?yàn)榧^所指方向。

圖3 斷口宏觀形貌Fig.3 Macroscopic fracture morphology

使用掃描電鏡對(duì)裂紋起源區(qū)進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4中紅色方框部位有深度約1.5 mm的磨損擠壓痕跡，為卷簧形成初始裂紋后裂紋兩邊相互擠壓導(dǎo)致的磨損擠壓痕跡，該磨損擠壓痕跡導(dǎo)致裂紋起源處的部分原始形貌破壞。

圖5和圖6分別為圖4中1號(hào)和2號(hào)紅色圓圈部位的放大圖，從圖5、圖6 可見(jiàn)，該部位為沿晶開(kāi)裂，即脆性開(kāi)裂。

圖4 裂紋起源區(qū)Fig.4 Crack origin area

圖5 裂紋起源區(qū)Fig.5 Crack origin area

圖6 裂紋起源區(qū)Fig.6 Crack origin area

對(duì)裂紋擴(kuò)展區(qū)進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖7～圖8所示，圖8 為圖7 中紅色方框放大圖，從圖8 中可見(jiàn)，裂紋擴(kuò)展區(qū)存在韌窩，為韌性開(kāi)裂。

圖7 裂紋擴(kuò)展區(qū)Fig.7 Crack growth area

圖8 裂紋擴(kuò)展區(qū)Fig.8 Crack growth area

3 斷裂原因綜合分析

斷裂卷簧的化學(xué)成分、脫碳層深度均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，磁粉檢測(cè)及滲透檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)斷裂處之外的部位存在裂紋的情況。

卷簧的硬度較圖紙的要求值稍微偏高（抗拉強(qiáng)度偏高也驗(yàn)證了硬度偏高的事實(shí)）。

從掃描電鏡分析可見(jiàn)，裂紋的擴(kuò)展區(qū)，即斷面的大部分區(qū)域均為韌性斷面，由此可見(jiàn)，該材料在純應(yīng)力作用下呈現(xiàn)為韌性斷裂，但裂紋起源區(qū)則為沿晶的脆性斷面，由此推斷裂紋的起源不是單純由于應(yīng)力導(dǎo)致（假如單純由應(yīng)力導(dǎo)致，則裂紋起源部位應(yīng)該也為韌性斷面），裂紋起源部位的沿晶斷面應(yīng)該為熱處理導(dǎo)致的原始裂紋［25-29］。

綜上所述，卷簧的斷裂原因?yàn)闊崽幚韺?dǎo)致卷簧表面局部存在原始裂紋。

4 結(jié)語(yǔ)

建議生產(chǎn)廠家對(duì)加工成型后的卷簧進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，防止帶有表面缺陷的卷簧投入使用。卷簧卷制后受檢測(cè)空間的限制，使用常規(guī)的表面無(wú)損檢測(cè)方法無(wú)法對(duì)其進(jìn)行全面檢測(cè)，超聲導(dǎo)波由于其傳播距離長(zhǎng)的特點(diǎn)，且對(duì)于表面和內(nèi)部有相同的檢測(cè)靈敏度，可以用于卷簧表面缺陷的無(wú)損檢測(cè)［30-31］。

建議設(shè)備運(yùn)維單位加強(qiáng)同類(lèi)型斷路器操作機(jī)構(gòu)的巡檢。

［參考文獻(xiàn)］（References）

［1］ 梁煜健.500 kV交流變電站斷路器的運(yùn)行情況及故障原因分析［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2013.LIANG Yujian.The operation of circuit breaker of 500 kV AC substation and the analysis of its fault reason［D］.Guangzhou：South China University of Technology，2013.

［2］ 匡子靚.斷路器彈簧操作機(jī)構(gòu)故障原因分析及解決策略［J］.科技與創(chuàng)新，2018，（17）：37-39.

［3］ 張佩.高壓斷路器機(jī)械故障診斷方法的研究［D］.北京：華北電力大學(xué)，2014.ZHANG Pei.Research on mechanical fault diagnosis method of high voltage circuit breaker［D］.Beijing：North China Electric Power University，2014.

［4］ 張玉偉.高壓斷路器常見(jiàn)故障原因的分析與處理［J］.大眾標(biāo)準(zhǔn)化，2019，（12）：98，100.

［5］ 郭震.高壓斷路器工作原理及故障分析［J］.中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2019，（21）：52-53.

［6］ 曾慶淳，王浩.一起ABB 公司BLK 型彈簧機(jī)構(gòu)故障分析［J］.湖北電力，2009，33（02）：20-21.ZENG Qingchun，WANG Hao.The analysis of a BLK type spring mechanism fault from ABB company［J］.Hubei Electric Power，2009，33（02）：20-21.

［7］ 周?chē)?guó)偉，董建新，肖珊珊，等.高壓斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)典型故障應(yīng)力分析［J］.浙江電力，2018，37（12）：93-99.ZHOU Guowei，DONG Jianxin，XIAO Shanshan，et al.Typical fault stress analysis of spring operating mechanism of highvoltage circuit breaker［J］.Zhejiang Electric Power，2018，37（12）：93-99.

［8］ 郭躍東，郭麗華，郭小嫻.斷路器彈簧機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能故障分析［J］.電世界，2019，60（03）：17-19.

［9］ 何萬(wàn)濤.斷路器彈簧機(jī)構(gòu)常見(jiàn)故障分析與處理［J］.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2019，（06）：188-189.HE Wantao.Analysis and treatment of common faults of circuit breaker spring mechanism［J］.Modern Manufacturing Technology and Equipment，2019，（06）：188-189.

［10］ 鄭隆，李月青.一起斷路器彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)拒分閘故障的分析和處理［J］.電力設(shè)備管理，2019，（11）：38-39.

［11］ 徐木桂，章海斌，過(guò)羿.500 kV 斷路器儲(chǔ)能電機(jī)減速器軸銷(xiāo)斷裂故障機(jī)理分析及防范措施研究［J］.湖北電力，2019，43（03）：57-63.XU Mugui，ZHANG Haibin，GUO Yi.Mechanism analysis and preventive measures of reducer shaft pin fracture in energy storage motor of 500 kV circuit breaker［J］.Hubei Electric Power，2019，43（03）：57-63.

［12］ 張國(guó)寶，楊為，朱勝龍，等.一起CT20 型彈簧機(jī)構(gòu)斷路器拒分故障原因分析及處理［J］.電氣技術(shù)，2019，20（12）：91-93.ZHANG Guobao，YANG Wei，ZHU Shenglong，et al.The breakdown reason and solving method of rejection of circuit breaker using CT20 spring mechanism［J］.Electrical Engineering，2019，20（12）：91-93.

［13］ 楊迎春.大理供電局220 kV 蘇屯變蘇崇線231 斷路器儲(chǔ)能彈簧斷裂原因分析［C］.2011年云南電力技術(shù)論壇論文集.2011.

［14］ 陳漢陽(yáng).高壓斷路器儲(chǔ)能彈簧失效分析及截面形狀優(yōu)化［D］.湘潭：湘潭大學(xué)，2018.CHEN Hanyang.Failure analysis and cross section shape optimization of high voltage circuit breaker energy storage spring［D］.Xiangtan：Xiangtan University，2018.

［15］ 蘇曉冰.煤礦窄軌車(chē)輛用彈簧原材料表面磁粉探傷方法的研究［J］.科技資訊，2012，（12）：102.

［16］ 魏志奇.碟形彈簧的磁粉探傷［J］.無(wú)損檢測(cè)，1993，15（01）：23-24.WEI Zhiqi.Magnetic particle inspection of dished springs［J］.Nondestructive Testing，1993，15（01）：23-24.

［17］ 王未，張子誠(chéng)，陳善功.機(jī)車(chē)車(chē)輛熱卷彈簧原材料表面磁粉探傷—超長(zhǎng)桿件表面磁粉探傷實(shí)踐［J］.無(wú)損檢測(cè)，1990，12（11）：311-313，316.WANG Wei， ZHANG Zicheng， CHEN Shangong.Electromagnetic inspection of the row material surface of hot coiling spring for locomotive and rolling stock-practice of electromagnetic inspection of super long rods ［J］.Nondestructive Testing，1990，12（11）：311-313，316.

［18］ 楊田，韓永生，呂林川，等.機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架彈簧的磁粉探傷［J］.無(wú)損檢測(cè)，2013，35（04）：21-24.YANG Tian，HAN Yongsheng，LV Linchuan，et al.Magnetic particle testing for bogie spring of locomotive ［J］.Nondestructive Testing，2013，35（04）：21-24.

［19］ 侯世耀.55CrMnA 彈簧扁鋼表面硬度的研究［C］.2010 年全國(guó)軋鋼生產(chǎn)技術(shù)會(huì)議文集，2010.

［20］ 王曉峰，陳偉慶.冷卻速率對(duì)55CrSi彈簧鋼的相變組織和顯微硬度的影響［J］.上海金屬，2010，32（06）：13-15.WANG Xiaofeng，CHEN Weiqing.Influence of cooling rate on transformation structure and micro-hardness of spring steel 55SiCr［J］.Shanghai Metals，2010，32（06）：13-15.

［21］ 馬鳴圖，齊顯新.回火硬度對(duì)新型中碳彈簧鋼應(yīng)變疲勞特性的影響［J］.河南科學(xué)，1993，（01）：39-52.

［22］ 權(quán)淑麗，郭昭橋，鄭開(kāi)宇，等.脫碳層深度對(duì)彈簧鋼55CrSiA 疲勞性能的影響［J］.浙江冶金，2015，（04）：26-28.

［23］ 劉義祥，羅志勇.金屬?gòu)椈擅撎紝雍穸扰c受熱溫度和時(shí)間的關(guān)系［J］.武警學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，18（01）：20-22.LIU Yuxiang，LUO Zhiyong.The relationship between the thickness of decarbonic layer of metal spring and the temperature and time heated［J］.Journal Of The Chinese People's Armed Police Force Academy，2002，18（01）：20-22.

［24］ 高峰，唐日俊，寧玉濤.熱工工藝對(duì)60Si2Mn 彈簧鋼脫碳層深度的影響［J］.本鋼技術(shù)，1996，（03）：32-35.

［25］ 甘達(dá)淅，龔榮.熱處理后彈簧鋼絲斷裂原因分析［J］.熱加工工藝，2018，47（14）：255-257，260.GAN Daxi，GONG Rong.Fracture cause analysis of spring steel wire after heat treatment［J］.Hot Working Technology，2018，47（14）：255-257，260.

［26］ 田琴，雷源源，楊明，等.50CrVA 彈簧生產(chǎn)過(guò)程中的斷裂分析［J］.鑄造技術(shù)，2010，31（03）：359-361.TIAN Qin，LEI Yuanyuan，YANG Ming，et al.Fracture analysis on 50CrVA spring during production process［J］.Foundry Technology，2010，31（03）：359-361.

［27］ 朱林，何宏梅，單以銀，等.51CrV4鋼彈簧材料回火特性研究［J］.熱加工工藝，2010，39（20）：144-148.ZHU Lin，HE Hongmei，SHAN Yiyin，et al.Study on tempering characteristics of 51Crv4 spring steel［J］.Hot Working Technology，2010，39（20）：144-148.

［28］ 歐陽(yáng)雅娜.彈簧鋼的熱處理工藝研究［D］.天津：河北工業(yè)大學(xué)，2015.OUYANG Yana.Research of heat treatment of spring steel［D］.Tianjin：Hebei University of Technology，2015.

［29］ 姜婷，汪開(kāi)忠，于同仁，等.熱處理工藝對(duì)彈簧鋼55 SiCrV力學(xué)性能和組織的影響［J］.金屬熱處理，2019，44（10）：96-99.JIANG Ting，WANG Kaizhong，YU Tongren，et al.Effect of heat treatment process on mechanical properties and microstructure of 55 SiCrV spring steel［J］.Heat Treatment of Metals，2019，44（10）：96-99.

［30］ 覃小倩，毛漢領(lǐng)，易曉旭，等.卷簧缺陷檢測(cè)的超聲導(dǎo)波傳感器研制［J］.電子制作，2019，（09）：52-54.

［31］ 邊美華，梁世容，彭家寧，等.高壓斷路器大型儲(chǔ)能卷簧應(yīng)力狀態(tài)及危險(xiǎn)區(qū)域仿真分析［J］.中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2018，16（05）：448-452.BIAN Meihua，LIANG Shirong，PENG Jianing，et al.Simulated analysis of the stress states and dangerous area in the storage coil spring of high voltage circuit breaker［J］.Chinese Journal of Construction Machinery，2018，16（05）：448-452.