隔離開關旋轉柱基座拐臂斷裂失效分析

張兆鈺，蔣 菲，張素慧，楊佩旭，趙朝友

(1.國網甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅電力科學研究院技術中心有限公司，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

通過對近幾年電網金屬部件失效事故的調查，分析歸納出金屬部件材料缺陷的四大原因，即材質成分、力學性能、顯微組織和夾雜類缺陷[1-2]。設備帶病進入電網運行及缺乏有效技術監(jiān)督，給電網安全運行帶來了隱患。隔離開關是電力系統(tǒng)中使用量最大、應用范圍最廣的高壓電器設備，長期以來隔離開關故障頻發(fā)，如隔離開關接線座斷裂、抱箍斷裂、連桿斷裂、萬向節(jié)頭斷裂[3-9]。

1 事故概述

在某330 kV 變電站合刀閘過程中，發(fā)生了隔離開關旋轉柱基座法蘭盤傳動拐臂斷裂故障，隔離開關合閘不到位。經現(xiàn)場檢修人員對旋轉支柱基座拐臂及傳動部位檢查，地刀與主刀機械閉鎖狀態(tài)正常，無卡滯。該隔離開關型號為ZCW1-363W/GG。因此，對旋轉支柱基座拐臂及傳動部位開展進一步檢查分析。

2 斷裂拐臂檢驗檢測

2.1 宏觀檢查

對隔離開關旋轉柱基座進行斷口復原并進行宏觀檢查，基座表面可見明顯的灰塵分布不均情況?？拷毡蹅群圹E較淺，遠離拐臂側痕跡較深，說明基座與支柱絕緣子之間不同部位間隙不等，靠近拐臂側螺栓緊固力矩大于遠離拐臂側，這可能導致基座受力不均勻及上端支柱絕緣子傾斜。

拐臂斷面在軸銷端部螺栓未松動的情況下無法用手取下，處于卡死狀態(tài)。觀察軸銷表面及拐臂斷面內壁，兩頭呈明顯的摩擦受力條帶，顏色較深，局部區(qū)域存在磨損痕跡，中間部位覆有外部灰塵等污染物，說明刀閘在動作時，拐臂孔內壁與軸銷僅在局部區(qū)域接觸傳遞作用力。

如圖1 所示，拐臂斷裂面金屬光澤度明亮，斷口附近材料無形變，未發(fā)現(xiàn)有任何銹蝕及陳舊性損傷開口區(qū)域，斷口較窄處呈現(xiàn)脆性斷口特征，較寬斷口處產生裂紋源，并從內向外逐步擴展，最終導致拐臂斷裂失效。拐臂存有磨削損傷區(qū)域是因為支柱絕緣子法蘭與基座連接螺栓受力不均，導致其重心存在傾斜，在軸銷與拐臂處產生較大的垂直應力。

圖1 拐臂斷裂面

2.2 硬度檢測

對拐臂B 側斷面表面進行打磨，露出金屬光澤，選取4 點進行布氏硬度檢測，如表1 所示。硬度檢測結果符合標準GB/T 1173—2013《鑄造鋁合金》中不小于65HBW 的要求。

表1 拐臂布氏硬度 HBW

2.3 材質分析

使用型號為ARL4460 的光電直讀光譜分析儀對拐臂B 側斷面表面及基體進行光譜材質成分分析，結果見表2。根據檢測結果，對照GB/T 1173—2013《鑄造鋁合金》表1 表2 所示鑄造鋁合金化學成分，拐臂材質與牌號ZL104 相對應，且Ti+Zr 元素含量為0.2025 %，大于0.15 %，不符合標準要求。拐臂設計牌號為法國標準AS7G03 Y33-I(216-2)，對應國標牌號為ZL101，與實際牌號不符。

表2 光譜材質成分分析

2.4 X 射線檢測

使用型號為ERESCO65MF4 型射線機及DXR250U-W 檢測器的X 射線成像系統(tǒng)對基座鑄件整體進行射線檢測，可見部分區(qū)域存在疏松情況。根據標準GB/T 11346—2018《鋁合金鑄件射線照相檢測 缺陷分級》附錄A.5，將此處疏松缺陷評定為2 級，符合標準GB/T 9438—2013《鋁合金鑄件》表3 中按2 級驗收的規(guī)定。

2.5 金相組織分析

將拐臂B 側斷面靠近法蘭盤處截取金相鑲嵌樣，采用NaOH 水溶液進行浸蝕，分別觀察拋光態(tài)與浸蝕狀態(tài)下的微觀組織，未見異常。

2.6 掃描電鏡分析

觀察該斷裂基座拐臂A 側斷口窄側與寬側掃描電鏡微觀形貌，發(fā)現(xiàn)斷口中存在較多形狀不規(guī)則的微小孔洞，在寬側部分孔洞中存在夾雜物質，不排除為樣品在拆卸及運送過程中受到了污染。窄側和寬側斷口微觀形貌相似，斷面上可觀察到細小的二次微裂紋，方向不一，部分存在分枝現(xiàn)象。

3 綜合分析

設備硬度、金相組織未見異常，材質分析結果中元素Ti+Zr 超過鑄造鋁合金雜質元素允許含量，且與設計牌號不符。兩種牌號材料在金屬型鑄造及合金狀態(tài)為鑄態(tài)的情況下，力學性能相近。

通過對斷面微觀分析、X 射線檢測驗證，斷口局部區(qū)域存在微小孔洞、疏松等缺陷，以上鑄造缺陷在一定程度上會導致材料力學性能下降。

因此，此次支柱瓷瓶基座拐臂斷裂主要原因為拐臂孔與軸銷連接處受力過大，且軸銷與拐臂孔配合不緊密，造成拐臂內壁上下邊緣局部區(qū)域應力過大，形成應力集中點；在此次機構操作過程中，拐臂孔內壁應力集中部位產生裂紋源，并擴展至拐臂孔外邊緣進而造成斷裂失效。

從基座底部塵土沉積狀況來看，支柱絕緣子法蘭一圈緊固螺栓受力不均勻，拐臂側結合較緊密，另一側則相對存在一定的間隙，導致在開關操作過程中，支柱絕緣子重心向拐臂側傾斜，造成動、靜觸頭配合位置出現(xiàn)偏差，致使傳動機構及拐臂受力加大，是促成拐臂發(fā)生斷裂的次要原因。

4 結束語

通過對失效隔離開關底座的分析，需從下面四個方向開展后續(xù)運維，確保設備安全可靠運行。

(1) 進一步加強鑄造設備的制造質量檢驗，確保設備材料性能符合標準要求。

(2) 開展同型號設備排查。利用力矩扳手檢查基座與法蘭的連接螺栓受力是否均勻有效，利用塞尺檢查基座與法蘭的結合緊密度，根據檢查結果，對螺栓連接進行適當調整，確保設備連接符合標準要求。

(3) 檢修時，檢查拐臂與軸銷連接處是否受力均勻，拐臂內壁不能有銹蝕、裂紋等缺陷，并添加潤滑劑，避免在運行及操作過程中產生應力集中的現(xiàn)象。

(4) 利用停電機會將存在問題的基座更換為改進型號的產品。