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(duì)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(dòng)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(duì)旋轉(zhuǎn)支柱基座拐臂及傳動(dòng)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(hào)為ZCW1-363W/GG。因此，對(duì)旋轉(zhuǎn)支柱基座拐臂及傳動(dòng)部位開展進(jìn)一步檢查分析。

2 斷裂拐臂檢驗(yàn)檢測

2.1 宏觀檢查

對(duì)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(dòng)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(dòng)作時(shí)，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?yàn)橹е^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(duì)拐臂B 側(cè)斷面表面進(jìn)行打磨，露出金屬光澤，選取4 點(diǎn)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(hào)為ARL4460 的光電直讀光譜分析儀對(duì)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(duì)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(hào)ZL104 相對(duì)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(jì)牌號(hào)為法國標(biāo)準(zhǔn)AS7G03 Y33-I(216-2)，對(duì)應(yīng)國標(biāo)牌號(hào)為ZL101，與實(shí)際牌號(hào)不符。

表2 光譜材質(zhì)成分分析

2.4 X 射線檢測

使用型號(hào)為ERESCO65MF4 型射線機(jī)及DXR250U-W 檢測器的X 射線成像系統(tǒng)對(duì)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(jí)》附錄A.5，將此處疏松缺陷評(píng)定為2 級(jí)，符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9438—2013《鋁合金鑄件》表3 中按2 級(jí)驗(yàn)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(jì)牌號(hào)不符。兩種牌號(hào)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(duì)斷面微觀分析、X 射線檢測驗(yàn)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(huì)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?yàn)楣毡劭着c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(diǎn)；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(duì)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(dòng)、靜觸頭配合位置出現(xiàn)偏差，致使傳動(dòng)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(duì)失效隔離開關(guān)底座的分析，需從下面四個(gè)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(yàn)，確保設(shè)備材料性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2) 開展同型號(hào)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(duì)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(shí)，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(huì)將存在問題的基座更換為改進(jìn)型號(hào)的產(chǎn)品。