一起腐蝕導(dǎo)致隔離開關(guān)觸頭燒蝕事件的分析

齊振宇，周 剛，殷 軍

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉善供電公司，浙江 嘉善 314100；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000）

隨著堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的發(fā)展，金屬材料在電網(wǎng)中的應(yīng)用也越來越多。由于一些變電站位于沿海地區(qū)，容易受到沿海濕潤空氣的影響，設(shè)備出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。由此暴露出越來越多的設(shè)備及構(gòu)支架腐蝕問題，特別是在高濕高溫、高鹽分的氣候條件下，變電站電氣設(shè)備的腐蝕尤為明顯。金屬材料的腐蝕容易造成電氣設(shè)備機(jī)械性能的下降、構(gòu)支架的承載能力降低，進(jìn)而影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。輕者造成一次設(shè)備（如斷路器、隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)）表面銹蝕，重者形成“凝露”引起放電現(xiàn)象，更甚者造成短路故障的發(fā)生。所以，及時(shí)改善設(shè)備自身抵御潮氣的條件，對(duì)預(yù)防和減少電氣事故的發(fā)生、提高設(shè)備運(yùn)行可靠性具有重要的意義。本文通過一起隔離開關(guān)三相連桿腐蝕導(dǎo)致開關(guān)觸頭燒蝕的實(shí)例，探討了加強(qiáng)隔離開關(guān)運(yùn)行維護(hù)的技術(shù)措施，以期提高運(yùn)行可靠性。

1 沿海地區(qū)潮氣對(duì)各類設(shè)備的危害

潮氣容易腐蝕變電設(shè)備，變電站內(nèi)常見的易腐蝕設(shè)備有戶內(nèi)高壓開關(guān)柜、隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)箱及斷路器、檢修電源箱及戶外端子箱。

1.1 對(duì)GIS設(shè)備機(jī)構(gòu)箱的危害

部分GⅠS 設(shè)備的隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)箱箱體的密封蓋朝上，隨著運(yùn)行年限的增加，其密封膠帶已經(jīng)老化產(chǎn)生裂紋，雨水隨著密封膠帶的裂縫處侵入機(jī)構(gòu)箱，造成機(jī)構(gòu)箱內(nèi)壁的銹蝕，箱體內(nèi)的潮氣也會(huì)侵蝕內(nèi)部元器件。

1.2 對(duì)斷路器、隔離開關(guān)的危害

室外潮氣進(jìn)入斷路器、隔離開關(guān)等重要設(shè)備機(jī)構(gòu)箱內(nèi)部，易于導(dǎo)致機(jī)構(gòu)箱機(jī)械部位和內(nèi)壁銹蝕；潮氣入侵對(duì)機(jī)構(gòu)箱內(nèi)二次元器件同樣容易產(chǎn)生銹蝕。

1.3 對(duì)檢修電源箱的危害

戶外端子箱、檢修電源箱箱體與箱門的密封通過膠布來密封的，隨著運(yùn)行年限的增加，其密封膠帶已經(jīng)老化產(chǎn)生裂紋，使得箱門出現(xiàn)縫隙，濕氣進(jìn)入。

2 事件概況

220 kV 某甲變 220 kV GⅠS 設(shè)備型號(hào)為 ZF16-252，由山東泰開高壓開關(guān)有限公司生產(chǎn)，投運(yùn)日期2010年3月。

2018年220 kV某乙變同廠家同型號(hào)設(shè)備也曾出現(xiàn)過由于隔離開關(guān)合閘不到位，導(dǎo)致相電流為零的情況，原因?yàn)閺S內(nèi)裝配工藝不到位造成的動(dòng)觸頭插入深度不足。

2021 年 3 月 31 日 9:05，220 kV 某甲線、某乙線第一套保護(hù)裝置異常，斷路器保護(hù)裝置故障告警，其中某甲線C相電流為0 A（A相284 A，B相283 A），某乙線C相電流增大至614A（A相337A，B相334A）。發(fā)生異常情況時(shí)現(xiàn)場設(shè)備處于正常運(yùn)行狀態(tài)，現(xiàn)場無檢修工作，該隔離開關(guān)為3月25日檢修后復(fù)役。

開展SF6分解物檢測，某甲線隔離開關(guān)C相氣室SO2濃度為105.7 μL/L。

打開手孔蓋發(fā)現(xiàn)C 相動(dòng)觸頭有燒蝕現(xiàn)象，觸頭表面熔瘤明顯。

3 檢查與處理經(jīng)過

2021 年4 月8—9 日，在生產(chǎn)該裝置的工廠內(nèi)對(duì)異常隔離開關(guān)進(jìn)行了解體檢查，解體發(fā)現(xiàn)存在合閘不到位的情況。合閘不到位的原因?yàn)槿鄠鲃?dòng)連桿腐蝕卡滯，導(dǎo)致電機(jī)動(dòng)力難以克服由此產(chǎn)生的傳動(dòng)阻力。檢查情況如下。

3.1 文件資料檢查

檢查了產(chǎn)品圖紙，未見實(shí)物與圖紙不相符的情況；檢查了產(chǎn)品裝配工藝卡，外觀檢測、尺寸檢測、力矩測量、電阻測量等項(xiàng)目結(jié)果均合格；檢查了產(chǎn)品出廠試驗(yàn)記錄，外觀檢測、尺寸檢測、電阻測量、操作試驗(yàn)、氣密試驗(yàn)、微水試驗(yàn)、耐壓試驗(yàn)等項(xiàng)目均合格。

3.2 傳動(dòng)系統(tǒng)檢查

對(duì)傳動(dòng)齒輪、軸承等內(nèi)部傳動(dòng)環(huán)節(jié)進(jìn)行了檢查，外觀良好無異常、動(dòng)作平順無異常。

3.3 拐臂材質(zhì)分析

隔離開關(guān)連桿拐臂靠近軸銷存在嚴(yán)重的層狀剝落腐蝕，軸銷銹蝕嚴(yán)重。拐臂、觸頭與軸銷之間為銅套連接，由于拐臂、接頭材質(zhì)為鋁合金，銅套為銅合金，銅和鋁活潑性相差較大，當(dāng)連接處有水分浸入或周圍的空氣潮濕時(shí)，極易形成電化學(xué)腐蝕。

對(duì)隔離開關(guān)拐臂材質(zhì)進(jìn)行光譜檢測，并與7075鋁合金標(biāo)準(zhǔn)成分進(jìn)行對(duì)比，如表1 所示，結(jié)果表明該拐臂材質(zhì)為7075合金，與圖紙一致。

表1 隔離開關(guān)傳動(dòng)拐臂成分 %

對(duì)外部傳動(dòng)拐臂進(jìn)行檢查，接頭與拐臂銹蝕嚴(yán)重，運(yùn)動(dòng)阻力較大。

隔離開關(guān)拐臂金相組織有連續(xù)鏈狀分布的黑色相，為MgZn2相，如圖1 所示。7 系鋁合金在T6（峰時(shí)效）態(tài)下雖能使合金強(qiáng)化達(dá)到最大值，但這種熱處理方式溫度往往比較低或時(shí)效時(shí)間短，導(dǎo)致晶界晶內(nèi)電勢差較高；同時(shí)在晶界析出的連續(xù)鏈狀分布MgZn2相為陽極相，在腐蝕介質(zhì)中容易成為陽極腐蝕通道，加速晶間腐蝕。

圖1 金相組織

隔離開關(guān)拐臂腐蝕表面形貌如圖2 所示，其表面全部為疏松多孔的氧化物。對(duì)這些氧化物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖3和表2所示?？梢园l(fā)現(xiàn)表面成分主要為氧化鋁，且含有一定含量的氯元素。

圖2 腐蝕表面形貌

圖3 腐蝕表面微區(qū)成分分析

表2 能譜結(jié)果 %

3.4 導(dǎo)體燒蝕情況檢查

打開隔離開關(guān)本體進(jìn)行檢查，外殼完好無燒蝕痕跡，動(dòng)觸頭導(dǎo)電桿、靜觸座的屏蔽罩及觸指存在燒蝕情況，燒蝕部位為動(dòng)觸頭導(dǎo)電桿端部與靜觸座觸指兩者接觸部位。

要求長度為465±1mm，燒蝕后測量最短處462mm，最長處466.5 mm，局部燒蝕深度最嚴(yán)重為3 mm，位于正下方位置，其余部位燒蝕情況較為均勻。靜觸座的燒蝕情況類似，正下方位置觸指及均壓罩燒蝕較為嚴(yán)重，其余部位僅觸指燒蝕且燒蝕較為均勻。

動(dòng)觸頭端部倒角為5 mm，而局部燒蝕深度最嚴(yán)重也僅為3 mm，說明燒蝕發(fā)生時(shí)動(dòng)觸頭及靜觸座處于剛接觸的狀態(tài)，在兩者接觸的圓環(huán)狀表面電流通過并造成均勻的過熱燒熔情況，熔化的金屬在重力作用下向下運(yùn)動(dòng)，對(duì)正下方的動(dòng)觸頭導(dǎo)電桿，靜觸座觸指及均勻罩造成了相對(duì)嚴(yán)重的燒蝕。

3.5 回路電阻測量

對(duì)同型號(hào)狀態(tài)正常的隔離開關(guān)開展動(dòng)觸頭不同插入深度下的回路電阻進(jìn)行測量，結(jié)果如表3所示，剛接觸時(shí)回路電阻為18.5 μΩ，合閘到位時(shí)回路電阻為16.7 μΩ，兩者無顯著差異，說明動(dòng)觸頭插入深度不足導(dǎo)致的接觸不良狀態(tài)無法通過回路電阻測試發(fā)現(xiàn)。

表3 不同插入深度下的回路電阻

4 原因分析

4.1 三相連桿腐蝕原因分析

異常隔離開關(guān)的三相連桿出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的腐蝕情況，連桿的拐臂、接頭采用了較易發(fā)生腐蝕的7系鋁合金，而根據(jù)Q/GDW12016.1—2019《電網(wǎng)設(shè)備金屬材料選用導(dǎo)則第1部分：通用要求》4.8條規(guī)定“戶外環(huán)境下不應(yīng)選用2 系和未經(jīng)防腐處理的7 系鋁合金”。而某乙變位于沿海山地地區(qū)，大氣鹽霧腐蝕嚴(yán)重，運(yùn)行環(huán)節(jié)惡劣，引起腐蝕的具體原因有以下2點(diǎn)：

材質(zhì)和工藝的問題。7 系鋁合金耐蝕性差，且廠家為獲得高強(qiáng)度而采用的熱處理工藝為T6（峰時(shí)效）態(tài)。這種工藝一方面使合金元素?cái)U(kuò)撒不完全，晶界晶內(nèi)電勢差較高；另一方面于晶界析出的連續(xù)鏈狀分布MgZn2相在腐蝕介質(zhì)Cl元素影響下容易成為陽極腐蝕通道，加速晶間腐蝕，最終導(dǎo)致拐臂的抗剝落腐蝕和抗應(yīng)力腐蝕性能最差。

拐臂、接頭材質(zhì)與銅套之間存在電化學(xué)腐蝕。拐臂、接頭材質(zhì)為鋁合金，銅套為銅合金，銅和鋁活潑性相差較大，當(dāng)連接處有水分浸入或周圍的空氣潮濕時(shí)，極易形成電化學(xué)腐蝕。

據(jù)了解廠家大約在2012年之前批次拐臂、接頭材質(zhì)采用了鋼鍍鋅，2012 年為7 系鋁合金，2012 年以后為鋼熱鍍鋅。

4.2 隔離開關(guān)合閘不到位原因分析

由于三相傳動(dòng)連桿腐蝕卡滯，導(dǎo)致機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的位移被部件形變及公差間隙所吸收，在輔助開關(guān)發(fā)出合閘到位信號(hào)后，實(shí)際上C 相動(dòng)觸頭并未合閘到位，出現(xiàn)接觸不良的情況。而在此工況下回路電阻變化不明顯，因此無法在檢修工作時(shí)通過回路電阻測試發(fā)現(xiàn)此異常。

在400 A 運(yùn)行電流的作用下，接觸不良的部位出現(xiàn)發(fā)熱情況，而發(fā)熱導(dǎo)致觸頭表面形成氧化層，同時(shí)觸指彈簧在高溫條件下回火鎖氏體組織破壞，彈力下降，導(dǎo)致動(dòng)觸頭與靜觸座間的壓緊力下降，這些現(xiàn)象又會(huì)反過來增大接觸電阻，使得發(fā)熱情況進(jìn)一步劣化，最終經(jīng)過6 天時(shí)間的發(fā)展出現(xiàn)C 相斷路的情況。

據(jù)了解廠家大約在2015年進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，動(dòng)觸頭導(dǎo)電桿長度增加了4 mm，正常插入深度也就增加了4 mm，在保證開距不變的情況下增加了設(shè)計(jì)裕度，即使遇到輕微的合閘不到位情況也能保證接觸動(dòng)觸頭導(dǎo)電桿與靜觸座觸指的接觸面積，防止出現(xiàn)發(fā)熱情況。

5 防范及改進(jìn)措施

開展溫升試驗(yàn)，分析驗(yàn)證導(dǎo)體插入深度的裕度，作為后續(xù)工作開展的依據(jù)。

對(duì)采用不同長度動(dòng)觸頭導(dǎo)電桿的隔離開關(guān)裝用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，制定針對(duì)性的運(yùn)維檢修方案。

對(duì)某公司產(chǎn)品連桿采用的鋼鍍鋅、7系鋁合金、鋼熱鍍鋅等材質(zhì)的腐蝕情況和防腐蝕能力進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估，對(duì)防腐蝕能力不足的進(jìn)行更換。

編制隔離開關(guān)的分合閘定位點(diǎn)排查方案，采用回路電阻橫向比對(duì)、紅外測溫、X 射線檢查等手段進(jìn)一步確認(rèn)隔離、接地開關(guān)分合閘到位情況。

研究隔離開關(guān)分合閘指示裝置的優(yōu)化改進(jìn)方案，應(yīng)能夠準(zhǔn)確反映設(shè)備分合閘到位狀態(tài)。

6 結(jié)束語

對(duì)于氣候濕潤地區(qū)的變電站，由于空氣濕度的影響，易于導(dǎo)致變電站部分設(shè)備發(fā)生比較嚴(yán)重的腐蝕，進(jìn)而危害電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文分析了隔離開關(guān)燒蝕的形成原理和機(jī)理，通過某變電站中一起隔離開關(guān)異常事件，分析得到導(dǎo)致設(shè)備燒蝕的原因。此次隔離開關(guān)異常事件可以為今后隔離開關(guān)的運(yùn)行評(píng)估和檢修策略提供經(jīng)驗(yàn)。