陳 剛，孫 帆，丁 德

（1.新疆電力科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊 830011；2.陜西電力科學(xué)研究院，陜西西安 710054）

鐵量及鐵譜分析技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用

陳 剛1，孫 帆1，丁 德2

（1.新疆電力科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊 830011；2.陜西電力科學(xué)研究院，陜西西安 710054）

開展斷路器液壓操動機(jī)構(gòu)液壓油鐵量及鐵譜分析，提出斷路器液壓機(jī)構(gòu)磨損狀態(tài)評價的具體步驟及標(biāo)準(zhǔn)，為斷路器液壓操動機(jī)構(gòu)磨損狀態(tài)提供參考。

斷路器；液壓油；液壓操動機(jī)構(gòu)；黏度；鐵量分析；正交試驗(yàn)；鐵譜分析

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.10.42

0 前言

新疆電網(wǎng)是特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)，SF6高壓斷路器是電力輸送的關(guān)鍵一次設(shè)備，在電網(wǎng)中承擔(dān)控制和保護(hù)的雙重作用，液壓操動機(jī)構(gòu)是SF6高壓斷路器的關(guān)鍵部件之一。液壓操動機(jī)構(gòu)接收分合閘指令時，通過電磁鐵把分合閘電信號轉(zhuǎn)為機(jī)械信號，通過多級液壓閥放大，迅速控制液壓缸帶動觸頭動作，完成SF6高壓斷路器的分合閘。為保證輸電的可靠性，因此選擇適當(dāng)?shù)姆椒▽σ簤簷C(jī)構(gòu)磨損狀態(tài)評價尤為重要。

1 斷路器液壓油

1.1 斷路器液壓油的種類

新疆氣候條件是夏季炎熱高溫，室外最高可達(dá)50℃以上，冬季寒冷最低溫度低于-40℃且SF6高壓斷路器液壓操動機(jī)構(gòu)屬高速大功率雙穩(wěn)態(tài)電液驅(qū)動系統(tǒng)，同時根據(jù)液壓操動機(jī)構(gòu)液壓泵類型主要采用10號航空液壓油以及美孚HVI 13型抗磨液壓油。

1.2 斷路器液壓油的理化性能評價

（1）黏度。斷路器液壓機(jī)構(gòu)壓力可高達(dá)31～33 MPa。液壓系統(tǒng)的操作壓力越大，對液壓油性能，特別是黏度性能的要求也更高。在同樣的工作壓力下，液壓油的黏度越大，液壓動作就越遲緩。但黏度過小，在高溫、高壓下會造成液壓油泄露。運(yùn)行斷路器液壓油50℃時運(yùn)動黏度應(yīng)≥10 mm2/s，低溫啟動黏度≤700 mm2/s。

（2）微水。水分能加速油液氧化變質(zhì)，并與液壓系統(tǒng)油液中微細(xì)金屬粉末生成不溶性固體雜質(zhì)污染液壓油，使油液呈乳濁化狀態(tài)。也會在系統(tǒng)中水解成鹽酸，腐蝕部件表面，脫落的鐵銹皮。10號航空液壓油的新油水分含量≤60 mg/kg，運(yùn)行中斷路器液壓操動機(jī)構(gòu)的液壓油水分含量≤250 mg/kg。

（3）顆粒度。遮光型自動顆粒污染度測定方法能快速測定液壓油中顆粒污染物的濃度及顆粒污染物的尺寸分布，但不能區(qū)分水滴、氣泡與固體顆粒。一般要求添加新油達(dá)到NAS 1638標(biāo)準(zhǔn)4級。在運(yùn)行斷路器液壓油污染度的測定中應(yīng)在顆粒污染度測定的同時增加其他方法（如鐵量等）進(jìn)行比對。

（4）酸值。在新油中一般只含有主要成份為環(huán)烷酸的有機(jī)酸，液壓油運(yùn)行時與空氣接觸被氧化，產(chǎn)生酸性物質(zhì)。酸值過高會加速對液壓缸的腐蝕作用。測定酸值是判斷液壓油老化程度的重要指標(biāo)。運(yùn)行中液壓油酸值≤0.2 mg·KOH/g。

2 鐵量及鐵譜分析技術(shù)簡介

2.1 鐵量分析

含有鐵磁性質(zhì)磨屑的樣品放在磁場中時，測量由此產(chǎn)生磁場的變化對應(yīng)表示油樣中鐵屑的總量。鐵量分析的單位是PQ，PQ指數(shù)是無量綱值，它與油樣中鐵屑的含量及顆粒的大小呈良好的線性關(guān)系?？勺R別其他分析技術(shù)不能測量到的大的鐵屑顆粒（＞5～10 μm）。鐵量測試能夠快速檢測液壓油中微量鐵磨屑的含量，準(zhǔn)確快速地評定運(yùn)行斷路器液壓操動機(jī)構(gòu)的磨損狀態(tài)。

2.2 鐵譜分析

分析式鐵譜儀在高梯度的強(qiáng)磁場作用，將油液中帶有設(shè)備磨損信息的鐵磁性磨損顆粒按粒度大小鏈狀排列地沉積在玻璃基片上形成譜片，使用專業(yè)的雙光鐵譜顯微鏡觀察譜片上沉積物的形貌、數(shù)量、尺寸、成分及粒度分布等情況，獲得斷路器液壓機(jī)構(gòu)磨損過程中的特征信息，對電網(wǎng)斷路器液壓機(jī)構(gòu)、導(dǎo)桿式套管等一次設(shè)備關(guān)鍵零件的磨損狀態(tài)進(jìn)行分析判斷。鐵譜分析有取樣、制譜、觀察與分析、結(jié)論等4個基本環(huán)節(jié)

3 斷路器液壓機(jī)構(gòu)的磨損狀態(tài)評價

斷路器液壓機(jī)構(gòu)中相對運(yùn)動部件磨損產(chǎn)生金屬微粒、磨屑、油泥以及密封材料的磨損顆粒等是液壓油中的主要顆粒物。磨損使相對運(yùn)動部件充油間隙變化，導(dǎo)致更多的磨粒產(chǎn)生。

3.1 液壓機(jī)構(gòu)液壓油取樣

（1）取樣周期的確定。根據(jù)斷路器液壓機(jī)構(gòu)的具體工作狀態(tài)，結(jié)合SF6斷路器運(yùn)行特點(diǎn)制定合理的取樣周期。當(dāng)斷路器正常運(yùn)行且無異常（漏油、頻繁打壓）后，副摩擦已經(jīng)建立較穩(wěn)定的磨損狀態(tài)，則可3 a作為取樣周期。液壓機(jī)構(gòu)頻繁打壓或漏油時，應(yīng)及時取樣，停電檢修時要求設(shè)備供應(yīng)商及時檢查處理。

（2）取樣點(diǎn)的確定。液壓系統(tǒng)中的液壓油是循環(huán)使用的，確定液壓油箱為液壓油采樣點(diǎn)。禁止在斷路器液壓機(jī)構(gòu)高壓儲能裝置上取樣，取樣時應(yīng)用專用取樣器吸取30 mL液壓油樣。

（3）取樣時機(jī)的確定。取樣應(yīng)在斷路器液壓操動機(jī)構(gòu)動作后0.5 h在液壓油箱中取樣,取樣深度在油液面下3/4處。取樣時,采樣器吸管的前端不能觸及油箱的底部或側(cè)壁，以避免吸入長期沉積和附著的大磨?；蛴湍?。樣品應(yīng)標(biāo)明油樣注入后運(yùn)行周期內(nèi)斷路器液壓機(jī)構(gòu)動作次數(shù)。

3.2 鐵量分析

液壓操動機(jī)構(gòu)使用環(huán)境多為戶外，溫差大，載荷大，速度快及動作時間短，液壓系統(tǒng)油液顆粒污染問題十分突出。通過測定斷路器液壓油樣中PQ值（與油中磨擦鐵磁顆粒數(shù)量相關(guān)性），可以粗略地判斷出液壓操動機(jī)構(gòu)磨損的狀態(tài)。同時為液壓油樣鐵譜分析提供參考。

采用深圳亞泰光電生產(chǎn)的TTL-3型鐵量儀，試驗(yàn)前用2 mL空消磁測試油盒和750 PQ標(biāo)準(zhǔn)樣對儀器進(jìn)行標(biāo)定，將斷路器液壓油樣搖勻后注入2 mL消磁測試油盒，對同一個油樣連續(xù)測定10次，取平均值為油樣的鐵量PQ值。新疆電力公司3 a來110～750 kV斷路器液壓機(jī)構(gòu)的155個液壓油樣鐵量分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見圖1。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及斷路器液壓機(jī)構(gòu)運(yùn)行特點(diǎn)，將液壓機(jī)構(gòu)動作次數(shù)與鐵量PQ值進(jìn)行歸納，從而得出以不同動作次數(shù)下，液壓機(jī)構(gòu)正常磨損時鐵量標(biāo)準(zhǔn)（表1）。但鐵量分析也有其局限性，不能反映有色金屬、非金屬晶體對液壓系統(tǒng)的污染。如斷路器液壓機(jī)構(gòu)檢修后，是否受到檢修環(huán)境（沙塵）對液壓機(jī)構(gòu)的影響。鐵譜分析可以彌補(bǔ)鐵量分析的不足。根據(jù)近3 a鐵量分析和鐵譜分析得出：當(dāng)鐵量值＜8 PQ時，鐵譜分析可觀察到的磨粒信息較少，且磨粒尺寸一般均＜15 μm，屬常磨損，可不進(jìn)行鐵譜分析。鐵量分析對于異常磨損大顆粒鐵磁性磨粒（＞20 μm）比較敏感，顆粒越大，PQ值也越大。

圖1 鐵量PQ值與液壓機(jī)構(gòu)動作次數(shù)統(tǒng)計(jì)

表1 鐵量分析標(biāo)準(zhǔn)

3.3 鐵譜分析

（1）油樣鐵譜分析制譜的最佳實(shí)驗(yàn)條件。因從未開展液壓油鐵譜分析工作，進(jìn)行鐵譜分析時，對采用深圳亞泰光電生產(chǎn)的YTF-6雙聯(lián)式分析鐵譜儀制譜參數(shù)采用正交試驗(yàn)法確定。新疆電網(wǎng)斷路器液壓油絕大部分采用10號航空液壓油，少量進(jìn)口斷路器液壓機(jī)構(gòu)采用美孚HVI 13型抗磨液壓油，且兩種液壓油理化性能相近，制譜參數(shù)相近，因此取10號航空液壓油樣試驗(yàn)體積為1 mL，鐵量為29.8 PQ，進(jìn)行試驗(yàn)。影響油樣黏度的清洗固化劑的體積A、油樣輸送轉(zhuǎn)速B以及清洗轉(zhuǎn)速C是譜片上磨粒沉積狀態(tài)的3個主要影響因素（表2）。

表2 鐵譜制譜因素水平表

鐵譜制譜正交試驗(yàn)見表3，9次制譜譜片質(zhì)量在雙光鐵譜顯微鏡下分析結(jié)果：最重要因子是A（清洗固化劑體積即試樣黏度），重要因子C（清洗轉(zhuǎn)速），次重要因子是B（油樣輸送轉(zhuǎn)速），最佳試驗(yàn)條件A2C3B2第5次試驗(yàn)條件下，油樣體積取1 mL，清洗固化劑的體積為2 mL、清洗轉(zhuǎn)速為6 r/min、油樣輸送轉(zhuǎn)速為5 r/min制譜時，制出的譜片磨粒不堆積且鐵磁性磨粒沉積鏈較致密，雙光鐵譜顯微鏡下觀察到更多磨損信息。正交試驗(yàn)典型譜片對比如圖2所示。

（2）2017年國網(wǎng)新疆電力公司對750 kV某型號斷路器液壓機(jī)構(gòu)頻繁打壓鐵譜分析。雖然斷路器液壓機(jī)構(gòu)存在頻繁打壓現(xiàn)象，但有部分油樣鐵譜分析結(jié)果是正常磨損，并未發(fā)現(xiàn)異常磨損（圖3），正常磨損狀態(tài)下，液壓操動摩機(jī)構(gòu)擦副之間處于良好的潤滑中，液壓油存在1～15 μm的細(xì)小薄片磨粒。鐵譜片上呈現(xiàn)出整齊的“鏈?zhǔn)健迸帕?。在雙光鐵譜顯微鏡下，可見磨粒表面光滑、很薄、呈金屬光澤。

表3 鐵譜制譜正交試驗(yàn)

圖2 正交試驗(yàn)典型譜片對比

圖3 液壓機(jī)構(gòu)正常磨損譜片

750 kV某型號斷路器鐵譜分析排查也發(fā)現(xiàn)斷路器液壓機(jī)構(gòu)狀態(tài)評價存在異常磨損，而且個別斷路器液壓機(jī)構(gòu)存在嚴(yán)重磨損情況。磨粒尺寸已經(jīng)超出了斷路器液壓操動機(jī)構(gòu)正常的15 μm以下潤滑間隙，典型鐵譜分析譜片如圖4所示。

斷路器液壓機(jī)構(gòu)存在疲勞剝落磨損（圖4a），鐵的黑色氧化物或暗金屬氧化物，表明該斷路器液壓操動機(jī)構(gòu)存在嚴(yán)重潤滑不良，表面發(fā)生局部干摩擦，高溫氧化而成，均具有磁性沉積特征。斷路器液壓機(jī)構(gòu)存在很嚴(yán)重滑動磨損（圖4b），長約174 μm，厚度超過15 μm，磨粒的表面有明顯擦痕。由此可見該斷路器液壓缸組件存在嚴(yán)重拉傷。斷路器液壓機(jī)構(gòu)存在鐵的紅色氧化物是非磁性物質(zhì)（圖4c），主要成分是Fe2O3，由磨蝕磨損產(chǎn)生，可知該斷路器液壓油含有較多微水,且可能液壓油已經(jīng)發(fā)生老化現(xiàn)象。斷路器液壓機(jī)構(gòu)存在嚴(yán)重滑動磨損（圖4d），長約 62 μm，厚度不超過 2 μm，磨粒的表面有劃痕，數(shù)量中等。根據(jù)上述鐵譜分析結(jié)果可知，這4臺斷路器液壓機(jī)構(gòu)液壓缸或液壓泵存在嚴(yán)重的磨損，鐵譜分析結(jié)果表明液壓油中存在大尺寸磨粒（＞20 μm），會導(dǎo)致液壓系統(tǒng)潤滑不良，油壓維持不了，斷路器出現(xiàn)頻繁打壓的一個重要原因。

圖4 典型鐵譜分析譜片

經(jīng)過近3 a來對斷路器液壓操動機(jī)構(gòu)的液壓油鐵譜分析狀態(tài)評價及液壓機(jī)構(gòu)異常斷路器鐵譜分析排查初步梳理出斷路器液壓油鐵譜分析標(biāo)準(zhǔn)見表4。

表4 斷路器液壓油鐵譜分析標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)論

（1）通過鐵量分析可以初步判斷路器液壓操動機(jī)構(gòu)磨損情況，同時可以作為斷路器液壓操動機(jī)構(gòu)磨損狀態(tài)評價的初篩。

（2）當(dāng)液壓油鐵量分析結(jié)果超過8 PQ時，鐵譜制譜才有效果，譜片沉積顆粒信息明顯，鐵譜分析才有意義。

（3）鐵譜分析可以作為斷路器液壓操動機(jī)構(gòu)磨損定性、定量狀態(tài)評價有效方法。

（4）鐵譜分析存在異常嚴(yán)重磨損大顆粒磨粒是導(dǎo)致斷路器液壓機(jī)構(gòu)頻繁打壓及漏油的原因之一，由二次控制回路元件不可靠、密封失效等其他原因也可導(dǎo)致斷路器液壓機(jī)構(gòu)頻繁打壓。

［1］樊帆,黃寶安,周雷.黏度指數(shù)改進(jìn)劑在航空液壓油中的應(yīng)用研究.潤滑油，2004，19（4）:38-41.

［2］陳保倫.SF6斷路器液壓機(jī)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)及制造（下）.電氣制造，2010（9）:58-62.

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〔編輯 凌 瑞〕