張兆鈺，蔣 菲，張素慧，楊佩旭，趙朝友

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

0 引言

通過對近幾年電網(wǎng)金屬部件失效事故的調(diào)查，分析歸納出金屬部件材料缺陷的四大原因，即材質(zhì)成分、力學(xué)性能、顯微組織和夾雜類缺陷[1-2]。設(shè)備帶病進(jìn)入電網(wǎng)運(yùn)行及缺乏有效技術(shù)監(jiān)督，給電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來了隱患。隔離開關(guān)是電力系統(tǒng)中使用量最大、應(yīng)用范圍最廣的高壓電器設(shè)備，長期以來隔離開關(guān)故障頻發(fā)，如隔離開關(guān)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(guān)旋轉(zhuǎn)柱基座法蘭盤傳動拐臂斷裂故障，隔離開關(guān)合閘不到位。經(jīng)現(xiàn)場檢修人員對旋轉(zhuǎn)支柱基座拐臂及傳動部位檢查，地刀與主刀機(jī)械閉鎖狀態(tài)正常，無卡滯。該隔離開關(guān)型號為ZCW1-363W/GG。因此，對旋轉(zhuǎn)支柱基座拐臂及傳動部位開展進(jìn)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(guān)旋轉(zhuǎn)柱基座進(jìn)行斷口復(fù)原并進(jìn)行宏觀檢查，基座表面可見明顯的灰塵分布不均情況。靠近拐臂側(cè)痕跡較淺，遠(yuǎn)離拐臂側(cè)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(cè)螺栓緊固力矩大于遠(yuǎn)離拐臂側(cè)，這可能導(dǎo)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(nèi)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(nèi)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(chǎn)生裂紋源，并從內(nèi)向外逐步擴(kuò)展，最終導(dǎo)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(dǎo)致其重心存在傾斜，在軸銷與拐臂處產(chǎn)生較大的垂直應(yīng)力。

圖1 拐臂斷裂面

2.2 硬度檢測

對拐臂B 側(cè)斷面表面進(jìn)行打磨，露出金屬光澤，選取4 點進(jìn)行布氏硬度檢測，如表1 所示。硬度檢測結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)分析

使用型號為ARL4460 的光電直讀光譜分析儀對拐臂B 側(cè)斷面表面及基體進(jìn)行光譜材質(zhì)成分分析，結(jié)果見表2。根據(jù)檢測結(jié)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(xué)成分，拐臂材質(zhì)與牌號ZL104 相對應(yīng)，且Ti+Zr 元素含量為0.2025 %，大于0.15 %，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。拐臂設(shè)計牌號為法國標(biāo)準(zhǔn)AS7G03 Y33-I(216-2)，對應(yīng)國標(biāo)牌號為ZL101，與實際牌號不符。

表2 光譜材質(zhì)成分分析

2.4 X 射線檢測

使用型號為ERESCO65MF4 型射線機(jī)及DXR250U-W 檢測器的X 射線成像系統(tǒng)對基座鑄件整體進(jìn)行射線檢測，可見部分區(qū)域存在疏松情況。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)斷面靠近法蘭盤處截取金相鑲嵌樣，采用NaOH 水溶液進(jìn)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(cè)斷口窄側(cè)與寬側(cè)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(cè)部分孔洞中存在夾雜物質(zhì)，不排除為樣品在拆卸及運(yùn)送過程中受到了污染。窄側(cè)和寬側(cè)斷口微觀形貌相似，斷面上可觀察到細(xì)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(shè)備硬度、金相組織未見異常，材質(zhì)分析結(jié)果中元素Ti+Zr 超過鑄造鋁合金雜質(zhì)元素允許含量，且與設(shè)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(xué)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(dǎo)致材料力學(xué)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(nèi)壁上下邊緣局部區(qū)域應(yīng)力過大，形成應(yīng)力集中點；在此次機(jī)構(gòu)操作過程中，拐臂孔內(nèi)壁應(yīng)力集中部位產(chǎn)生裂紋源，并擴(kuò)展至拐臂孔外邊緣進(jìn)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(cè)結(jié)合較緊密，另一側(cè)則相對存在一定的間隙，導(dǎo)致在開關(guān)操作過程中，支柱絕緣子重心向拐臂側(cè)傾斜，造成動、靜觸頭配合位置出現(xiàn)偏差，致使傳動機(jī)構(gòu)及拐臂受力加大，是促成拐臂發(fā)生斷裂的次要原因。

4 結(jié)束語

通過對失效隔離開關(guān)底座的分析，需從下面四個方向開展后續(xù)運(yùn)維，確保設(shè)備安全可靠運(yùn)行。

(1) 進(jìn)一步加強(qiáng)鑄造設(shè)備的制造質(zhì)量檢驗，確保設(shè)備材料性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2) 開展同型號設(shè)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(jié)合緊密度，根據(jù)檢查結(jié)果，對螺栓連接進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，確保設(shè)備連接符合標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)壁不能有銹蝕、裂紋等缺陷，并添加潤滑劑，避免在運(yùn)行及操作過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

(4) 利用停電機(jī)會將存在問題的基座更換為改進(jìn)型號的產(chǎn)品。