一例500kV高压隔离开关万向节头断裂情况的分析

蒋庆云　蒋林高

摘 要：针对某500 kV变电所GW35-550DW型高压隔离开关万向节头传动轴承倒闸操作过程中发生断裂的情况，对高压隔离开关断裂万向节头进行了外观检查、试验扫描电镜分析、金相分析以及化学成分分析。通过检查和试验分析发现，高压隔离开关断裂万向节头存在较多的铸造工艺缺陷，且其化学成分中碳含量明显超标，由此确定高压隔离开关万向节头断裂的主要原因为制造工艺缺陷和材质不良，并针对高压隔离开关故障提出了提高高压隔离开关运行可靠性的意见和建议。

关键词：隔离开关 万向节头 断裂 分析 铸造

中图分类号：TM564 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）11（a）-0032-02

高压隔离开关是电力系统中使用量最大、应用范围最广的高压电器设备，其可靠性事关电网安全可靠运行。但是由于高压隔离开关结构相对简单，制造相对不受重视，且由于制造工艺、维护管理、环境等因素的影响，其在运行中存在着诸如分合闸不到位、合分闸三相不同步、拒合、拒分、回路电阻超标、零部件表面锈蚀所致操作不灵、金属部件断裂等问题，因而其质量难以保证[1-2]。

2014年10月17日，某500 kV变电所一垂直伸缩式高压隔离开关在停电倒闸操作过程中其发生B、C相可调拉杆万向节头传动轴承断裂，下图1所示为该故障高压隔离开关导电底座装配图，发生断裂的部位为图示高压隔离开关右侧万向节头。故障高压隔离开关型号为GW35-550DW，出厂时间为2008年12月，投运时间为2009年12月。

1 高压隔离开关的外观检查

外观检查发现，故障高压隔离开关的断裂万向节头外观完整且无明显塑性变形，其裸露在空气中的关节轴承和部分螺杆表面有明显的红褐色腐蚀斑点，拧紧在拉杆内部的螺杆表面无腐蚀迹象。从故障高压隔离开关上更换下来的万向节头中观察，其中A相的一个万向节头也锈蚀较重，并存在大量的微裂纹，而其它万向节头锈蚀轻微或无明显锈蚀，且外观检查未见明显裂纹。

外观检查还发现，在断裂的万向节头轴承圆形受力区域表面分布有大量的宏观裂纹和微裂纹，而对断裂万向节头进行渗透探伤发现，经过渗透探伤后万向节头裂纹显示更明。在实验室对断裂的万向节头关节轴承断口形貌观察和分析，发现其断面粗糙、起伏明显，具有较强的金属光泽和粗大的条状结晶颗粒，且其部分区域已经生锈，但断口边缘没有明显的塑性变形痕迹，上述现象说明断裂万向节头断口具有铸件脆性断裂的典型特征[3]。

2 故障高压隔离开关的试验分析

2.1 断口的扫描电镜分析

扫描电镜是介于透射电镜和光学显微镜之间的一种微观性貌观扫描电子显微镜察手段，可直接利用样品表面材料的物质性能进行微观成像。将断裂的万向节头断口表面经超声波清洗后，在实验室扫描电镜下进行观察，其在低倍下断口即可观察到粗大的柱状晶颗粒，部分晶粒之间还存在晶间裂纹；另一部分区域可以明显的观察到河流状花纹，为准解理形貌，上述现象说明此次故障高压隔离开关万向节头断裂同时具有沿晶断裂和准解理断裂的特征，其属于脆性断裂。

2.2 金相分析

金相分析是金属材料试验研究的重要方法，采用定量金相学原理，由二维金相试样磨面或薄膜的金相显微组织的测量和计算来确定金属组织的三维空间形貌，从而建立合金成分、组织和性能间的定量关系。对断裂的高压隔离开关万向节头和新的万向节头取样制成金相样品，用FeCl3盐酸水溶液浸蚀，在实验室金相显微镜下观察。根据金相显微镜观察，两个试样的金相组织都是奥氏体，但断裂的万向节头其制造工艺为铸造，由金相试验还发现其金相组织晶粒明显粗大，大小不均匀，存在晶间孔洞和第二相组织，且其靠近边沿处还发现有晶间孔洞和晶间裂纹连接在一起形成的微裂纹。而新的万向节头其制造工艺为锻造，其金相组织晶粒细小、均匀，属于典型、正常的锻件组织[4]。

2.3 化学成分分析

化学分析从大类可分为经典的重量分析和容量分析。重量分析是指根据试样经过化学实验反应后生成产物的质量来计算式样的化学组成；而容量分析法则根据试样在反应中所需要消耗标准试液的体积测定式样的主要成分，也可以测定试样的次要成分。对断裂的高压隔离开关万向节头、未断裂且表面无锈迹的万向节头以及新的万向节头进行化学成分分析，分析结果如表1所示。由表1可知，其中断裂万向节头的碳元素含量明显偏高，不符合相关标准的技术要求，而未断裂的万向节头Ni元素含量略低于相关标准的技术要求，新的万向节头完全符合相关标准技术要求。

3 结语

高压隔离开关万向节头的外观检查结果表明，断裂万向节头的关节轴承塑性较差，其在使用过程中萌生了大量的宏观裂纹和微裂纹，且其表面有大量的锈斑。综合万向节头断口扫描电镜观察分析、金相分析、化学成分分析，断裂万向节头其材质的碳含量为国家标准两倍，同时存在较多的铸造缺陷。

不锈钢材质碳含量超标，其碳元素会与其他元素形成—系列复杂的碳化物，从而增加钢的冷脆性和时效敏感性，并容易引起晶间腐蚀和降低钢的耐大气腐蚀能力。此外，由于断裂万向节头属于铸造件，其内部容易出现组织粗大、孔洞、夹杂或第二相等冶金缺陷，而晶粒粗大会降低钢材的综合力学性能和裂纹扩展功并提高冷脆区域，不锈钢中存在的晶间孔洞和第二相会则会降低不锈钢的塑性和韧性，并在材质内部引起应力集中并导致微裂纹的产生。外观检查和试验分析表明，制造工艺缺陷以及材质不良是故障高压隔离开关万向节头断裂的主要原因。

提高高压隔离开关的可靠性事关电网安全可靠运行，针对该文中所反映出的高压隔离开关故障，建议设备运行维护单位加强入网设备及其零部件的质量验收与管理工作，特别是高压隔离开关的质量验收工作，并在高压隔离开关的招标技术协议中明确高压隔离开关的万向节头部件必须为锻造件，并在设备停电检修过程中加强对高压隔离开关万向节头等金属部件的检查和维护工作。

参考文献

[1] 钟振蛟.户外隔离开关机械故障的起因及预防[J].高压电器，2006，42（6）：55-56.

[2] 盛明学，王志清.户外高压隔离开关常见故障的原因分析与处理[J].高压电器，2010，46（10）：28-29.

[3] 郑伟涛.材料科学与工程导论[M].长春：吉林大学出版社，1999.

[4] 赵程，杨建民.机械工程材料[M].2版.北京：机械工业出版社，2007.