500kV水平伸缩开启式刀闸故障分析探究

摘要：文章分析了一起由500kV水平伸缩开启式刀闸动导电臂主传动拉杆断裂引起刀闸跌落砸坏瓷瓶的事件，通过对现场通信号拉杆的对比检查，通过与同型号新刀闸一起进行渗透探伤检查、硬度试验、断裂面扫描电镜观察及能谱分析、金相试验，最终得出事故刀闸主传动拉杆断裂的两个主要原因，并给出了今后的处理方法及建议。

关键词：变电站；拉杆断裂；刀闸故障

中图分类号：TM726 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）23-0050-03

1 概述

某500kV变电站某500kV线路因线路故障转检修，值班员在进行拉开该线高抗刀闸操作时，该刀闸A、B、C三相动导电臂后导电臂铝管内的主传动拉杆断裂，前导电臂动触头脱离静触头后迅速下摆，动触头旋转碰撞到最上节支持瓷瓶，导致瓷瓶破损（图1所示）。事件发生后，技术人员对其他同类设备进行检查，发现刀闸A、B、C三相动导电臂下节导电臂铝管内的主传动拉杆的同一位置均有裂痕。

该站共有该型号刀闸4组，现场检查发现3组刀闸传动拉杆的同一位置均有裂痕。随后检查该局物流中心已到货但尚未安装的同一生产厂家、同一型号的刀闸，发现该批刀闸后导电臂铝管内的主传动拉杆（以下简称拉杆）存在明显锈蚀，并且肉眼可见一些表面裂纹。经检查拉杆的设计材质为304不锈钢，厚度为10mm，为分析拉杆断裂的原因，对拉杆已断的刀闸和1个到货后新开箱的刀闸进行相关的试验分析。

2 试验结果

2.1 宏观检查及渗透探伤

用渗透探伤方法检测后拆下的新刀闸的2根拉杆和该事故刀闸2根拉杆（见图2，依次编号为1至4号），肉眼可见拉杆表面有多条横向裂纹。观察渗透探伤后的缺陷显示，拉杆1、3、4表面都有众多的缺陷显示，缺陷显示方向基本为横向。在拉杆1处于后导电臂铝管内靠近中部的侧面中间位置有1条纵向的裂纹，根据拉杆的受力状况分析，这种裂纹是不可能在使用过程中形成的；在拉杆2处于后导电臂铝管内靠近端部的表面中间位置有3条方向不一的裂纹，其形貌不同于其他拉杆上的横向裂纹，且这个位置在铝管内靠里面，是不容易在使用过程中开裂的位置。由此怀疑这两处裂纹是在拉杆制造过程中形成的。

观察事故刀闸2根拉杆曲臂端的断口形貌，两个端口形貌相似（见图3）。左侧都有一个剪切唇，表明这里是最后断的部位；紧挨着右侧中间是占断口大部分的脆断断口，颜色较深，已明显锈蚀；最右侧是一块有白色物质覆盖的脆断断口。均显示该刀闸大部分断口（中间部分）锈蚀已久，更证实上面的猜测。

2.2 直读光谱分析

对4根拉杆各取1个试样，用岛津PDA-7000型光电发射直读光谱仪进行光谱分析，结果见表1。

表中的测试数据除了拉杆2因为试样太小只检测1次外，其他3个试样的检测数据都是检测3次结果的平均值。将4个试样的测试数据与相关标准进行比较，可知Cr元素含量都低于标准要求的最低值（幅度约为10%），同时C元素含量都高于标准要求的最高值（幅度约为30%～83%）。另外拉杆2因为试样太小不能覆盖整个检测孔，检测得到的N元素含量有偏差。

2.3 硬度试验

对4根拉杆各取1个试样，用型号为WHR-60D的数显式洛氏硬度计进行硬度检测，结果见表2。

比较实测硬度值和标准要求值，可知4个试样的实测硬度值都高于标准上限值，实测硬度的平均值比标准上限值高出6.2%～12%。

2.4 室温拉伸试验

4根拉杆中只有拉杆2裂纹较少，足够截取平行长度内没有裂纹的拉伸试样。在拉杆2上截取1个平行长度内宽度为15mm、原始标距为70mm的拉伸试样，在CMT5305型300kN微机控制电子万能试验机上进行拉伸试验，试验过程中拉杆2的试样正常拉伸到最大力得到完整的拉伸曲线，试验结果见表3：

对比可知，拉杆2的屈服强度和抗拉强度都远大于标准要求，断后伸长率则不合格，略低于标准要求。

2.5 断裂面扫描电镜观察及能谱分析

2.5.1 断裂面形貌观察。在日立S-3400N扫描电子显微镜下对断裂拉杆的断面进行了微观形貌观察，可见断面为沿晶脆性断口，有多条裂纹由表面向内部延伸，晶粒之间有微裂纹。

2.5.2 能谱分析。利用EDAX Apollo X电制冷能谱仪对断裂面上的白色区域进行了微区成分分析，发现白色区域表面覆盖着一层锌，其余部位表面主要为铁和铬的氧化物。白色区域锌层的存在说明连杆在投运前表面已有裂纹，在其他部件涂镀锌的过程中，导致锌渗入到裂纹中。

2.6 金相试验

对4根拉杆各取1个金相试样，经磨制、机械抛光后，用王水腐蚀18s，然后在DMI3000M金相显微镜上观察。4个试样的金相组织相近，都是奥氏体，众多奥氏体晶粒中有孪晶结构和滑移线，可见大量主要分布在奥氏体上的第二相颗粒。观察拉杆3、4的断口边沿和裂纹的微观形貌，断口和裂纹都是沿晶扩展，未见腐蚀产物，断口和裂纹两侧晶粒无变形。

3 分析和讨论

断裂的拉杆和尚未安装投用的新刀闸的拉杆局部都有明显锈蚀，并且肉眼可见一些表面裂纹，断裂拉杆的断口呈沿晶脆断的断口形貌。拉杆1和拉杆2上都发现了在制造过程中形成的裂纹。

直读光谱分析发现4根拉杆的C元素含量比标准要求的304不锈钢C元素含量的最高值高出30%～83%，而Cr元素含量比标准要求的304不锈钢Cr元素含量的最低值低约10%，说明拉杆所用的钢材不是304不锈钢。不锈钢中C元素的增加和Cr元素的减少都会使其抗腐蚀性能下降。

硬度检测发现4根拉杆实测硬度的平均值比标准上限值高出6.2%～12%。

拉杆2的断后伸长率不合格，略低于标准要求。这与其硬度检测结果相吻合，硬度高，则强度高，而塑性则会降低。

扫描电镜和金相试验都观察到众多晶间裂纹。对断口白色区域进行能谱分析，发现其表面覆盖着一层锌，其余部位表面主要为铁和铬的氧化物。白色区域锌层的存在说明连杆在投运前表面已有裂纹，在其他部件涂镀锌的过程中，导致锌渗入到裂纹中。

4根拉杆的基体金相组织相近，都是奥氏体，众多奥氏体晶粒中有孪晶结构和滑移线，可见大量主要分布在奥氏体上的第二相颗粒。拉杆采用的是热轧并经过固溶处理的钢板，组织中出现众多孪晶结构和滑移线以及第二相颗粒，应是热轧后固溶处理不到位的结果。

4 结论及建议

综上所述，事故刀闸主传动拉杆断裂的主要原因有二：一是在拉杆原材料生产过程中质量控制不到位，采用了C元素和Cr元素含量不合格的材料，使拉杆材料的抗腐蚀性能降低，且对热轧过程产生的裂纹缺陷未进行有效处理；二是热轧后固溶处理不到位，使得拉杆金相组织中残留大量孪晶结构和滑移线以及第二相颗粒，使残留的组织应力过大，使拉杆硬度高、脆性大。在随后的保管、运输、装配等过程中，在原始缺陷、过大的组织应力、高脆性和环境因素（如碰撞、腐蚀介质等）的联合作用下，拉杆中产生更多的裂纹，致使拉杆在刀闸使用很短的时间即发生断裂。

因此，制造厂家应加强对拉杆原材料的质量控制和入厂检验，进行光谱分析时应采用可以检测C、S、P、N等元素的检测方法（便携式直读光谱仪一般无法检测这些元素），供电局在制造监检或试验见证时应加强对拉杆质量检查试验的见证或者进行严格的到货抽检。

参考文献

[1] 西安电力机械制造公司.GW4-110隔离开关说明书[S].

[2] 魏远航.户外高压隔离开关存在问题和改进措施[J].广东电力，2001，14（3）：71-73.

[3] 丁昌国.隔离开关存在的问题及改进措施[J].吉林电力，2004，（6）：55-56.

作者简介：黄国良（1981—），男，广东惠州人，惠州供电局高级技师，工程师，研究方向：变电运行生产。