某500 kV组合电器断路器分闸不到位故障发现及分析

(国网四川省电力公司检修公司，四川 成都 610041)

0 引 言

四川某500 kV变电站某主变压器年检完成后，运行维护人员开始进行该主变压器送电操作。运行维护人员首先对与该主变压器500 kV侧电气相连的某500 kV组合电器断路器及隔离开关开始倒闸操作。送电操作时，运行维护人员将该组合电器断路器两侧隔离开关合闸后，在该断路器三相机械显示尚处于分闸状态(即该断路器尚未进行合闸操作)的情况下，与该断路器电气相连的主变压器突发空载励磁异响，主变压器500 kV侧引流线、CVT、避雷器表面都有明显的电晕放电现象；同时，主变压器及该组合电器断路器保护装置发出交流PT断线告警，监控后台显示：该组合电器断路器C相存在交流电压波形，主变压器高压侧C相存在60 V左右的相电压。将该组合电器断路器两侧隔离开关分闸后，以上现象消失。

1 断路器故障的初步分析

在该组合电器断路器机械显示尚处于分闸状态(见图1)的情况下，仅将其两侧隔离开关合闸后，就出现以上现象，这说明该组合电器断路器C相内部出现了显而易见的缺陷。出现缺陷的可能原因有：一是该组合电器断路器C相内部出现绝缘击穿现象，导致两侧隔离开关合上后主变压器就带电；二是该断路器C相内部存在分闸不到位的故障，该断路器实际上并不是处于分闸状态，而是处于合闸状态，或者说该断路器C相的分合闸机械显示并不真实，尽管显示的是分闸状态，但内部可能处于合闸状态。为判断第一种原因是否成立，应开展SF6气体试验[1-15]；而为判断第二种原因是否成立，应对该组合电器断路器动静触头状态开展X光检测[16-20]。

图1 组合电器断路器C相机械显示(分闸状态)

2 断路器故障的诊断试验

2.1 SF6气体试验及分析

为验证第1种导致缺陷的可能原因是否成立，在事故发生后，立即对该组合电器C相断路器、隔离开关气室开展了SF6气体试验，试验数据无异常。

在故障发生24 h后，再次对该组合电器C相断路器、隔离开关气室开展了SF6气体试验，试验数据依然无异常。

两次气体试验结果见表1。

表1 故障组合电器断路器C相SF6气体试验结果

气体分解产物试验无异常说明该断路器C相在主变压器送电操作时灭弧室内部应当没有大电弧现象，也没有发生内部放电现象、闪络现象、绝缘击穿现象。如果该组合电器断路器内部发生了放电故障，在放电的作用下，内部SF6气体将会发生分解，放电的主要分解产物是SOF2(氟化亚硫酰)，SOF2水解生成SO2和HF[1-15]。SF6气体分解产物检测具有受外界环境干扰小、灵敏度高、准确性好等优点[1-15]，然而两次SF6气体试验都没有检测到任何SO2分解产物成分，这说明该组合电器断路器内部没有发生任何放电故障，如此就排除了在运行维护人员倒闸操作合两侧倒闸过程中该组合电器断路器内部放电击穿导致主变压器带电的可能。

2.2 X光检测

为验证第2种导致缺陷的可能原因是否成立，对该故障组合电器断路器动静触头状态开展X光检测。

组合电器断路器的外壳使用的是铝合金材料，通过X光检测透过铝合金外壳材料探知组合电器内部状态是近年来发展起来的一种带电检测手段[16-20]，可以在不拆卸、不解体、不破坏组合电器断路器的情况下高效、准确地检测其内部状态。

1895年伦琴发现了X射线，后来X射线技术得到了广泛的工业应用[16-20]。20世纪70 年代以来开始了对 X 射线数字化成像的研究；20世纪70 年代末至 80 年代中期开发了X射线计算机数字摄影技术(X-ray computed radiography，X-CR)；20世纪90 年代中期，出现了直接数字 X 射线摄影技术(X-ray digital radiography,X-DR)[16-20]。CR 与 DR 成像技术是目前应用最广泛的两种技术，其原理如图2所示[16-20]。

X-CR技术是将 X 射线透过工件后的残留量透照在成像板上，成像板会记录下来，再通过扫描装置读取，最后由计算机生成数值化图像的技术[16-20]。而在X-CR 技术基础上发展起来的X-DR 技术是利用电子技术将 X 射线透过工件后的信息转化为数字化电子载体的 X 射线成像方法[16-20]。本次X光检测采用的就是X-DR 技术。

图2 X射线CR及DR检测技术[16-20]

通过X光检测发现的三相灭弧室动静触头状态对比如图3。通过图3的X光检测图像对比分析，可以清晰地发现，该故障断路器C相灭弧室动静触头实际上处于合闸状态，这与分合闸机械指示完全不符，或者说出现了分闸不到位的缺陷。而该断路器A相、B相灭弧室动静触头如图3所示都处于分闸状态，与分合闸机械指示相符。

图3 故障断路器三相灭弧室动静触头状态对比

3 故障断路器解体检查

初步判断C相故障断路器绝缘拉杆与连接臂之间发生了脱口或断裂现象。将该故障断路器返厂进行解体。将故障断路器灭弧室从罐体内部整体取出，发现断路器灭弧室连接臂端头连接孔部位断裂，如图4所示。

将灭弧室进一步解体，将连接臂取出，取出的连接臂断裂状态如图5所示。然后将连接臂断裂部分进行拼接，拼接状态见图6。断裂的连接臂与完好的连接臂对比如图7所示，在图7中，左侧的是完好的连接臂，右侧的是断裂的连接臂。

与该断裂连接臂相连的断路器主传动杆如图8所示，正是该主传动杆连接着断路器主绝缘拉杆和两个断口间的分绝缘拉杆。对于正常的断路器而言，该连接臂被装配入主传动杆上部的金属空心部分，并将二者孔洞对准，通过插入二者孔洞的金属销子固定连接在一起。然而该连接臂的断裂直接导致主传动杆脱落，从而造成绝缘拉杆脱落及分闸不到位。

图4 连接臂装配状态

图5 断裂的连接臂

图6 断裂的连接臂碎片拼接

图7 完好连接臂与断裂连接臂对比情况

图8 与故障连接臂相连的主传动杆

4 连接臂金属的检测情况

解体后，委托第三方对断裂的连接臂金属进行检测，检测项目包括：成分分析、金相及显微分析、断口分析。通过这三项检测没有发现任何金属材质质量缺陷，这说明造成该故障的根本原因不是金属材质质量缺陷。

4.1 成分分析

通过成分检测，样品组成为：基体Al，中量Si，少量Mg、Fe，微量Cu、Mn、Zn，质量分数占比情况为：Si 9.18%、Mg 0.26%、Fe 0.23%、Cu 0.019%、Mn 0.030%、Zn 0.023%。连接臂成分及比例符合标准要求。

4.2 断口分析

通过对样品断口进行微观形貌查看，显示该连接臂断口组织细密，无低倍组织缺陷，均为韧窝断口及少量解理断口，为正常铸硅铝合金断口。

4.3 金相组织纤维分析

对样品金相组织显微查看，检测结果如下：

变质显微组织特征显示α枝晶与共晶体分布均匀，共晶硅为点状或蠕虫状，变质正常，如图9。

过烧显微组织特征显示共晶硅边角已圆滑，但不聚集长大，为正常组织，如图10。

5 连接臂断裂的根本原因分析

对断裂的连接臂送交第三方检测，连接臂成分、断口、金相检测结果正常，这说明连接臂自身金属材质无质量问题，连接臂断裂故障的根本原因不是金属材质缺陷。

图9 变质显微组织检测结果

图10 过烧显微组织检测结果

图11 连接臂连接孔断裂位置凸楞

对故障断路器解体检查中发现灭弧室连接臂端头部位断裂部位的连接孔表面(断裂位置)有一条明显的凸楞，如图11所示，凸楞表面已挤压摩擦变亮。而同类结构的连接臂连接孔表面圆滑，无凸楞现象。

综合分析该连接臂断裂的根本原因为：连接臂在生产加工环节存在加工工艺质量缺陷，使得连接臂连接孔局部残存有一条凸起的楞。连接臂组装到产品上后，随着断路器厂内及现场分合闸操作，连接臂凸楞部位受到很强的挤压应力作用，使连接臂受力严重不均，最终造成连接臂断裂，从而导致主传动杆、绝缘拉杆无法传动以及断路器失去分合闸功能，最终发生断路器分闸不到位的故障。

6 结 语

在某主变压器本体及三侧年检完成后进行送电操作的过程中发现了与该主变压器直接电气相连的组合电器断路器C相分闸不到位的缺陷。故障发生后对该断路器C相进行了气体试验、X光试验。通过X光检测，发现该断路器C相出现了分闸不到位的缺陷，其灭弧室动静触头实际处于合闸状态，这与分合闸机械指示完全不符。正因为其处于合闸状态，所以仅将该断路器两侧隔离开关合闸后，就会立即出现主变压器带电的情形。由于断路器内部没有电弧现象、放电现象，断路器内部气体也就没有分解物产生，SF6分解产物测试结果为合格。

后对该故障断路器进行返厂解体，发现连接断路器主传动杆的连接臂金属断裂。综合对连接臂金属的各种检测分析(包括成分分析、金相及显微分析、断口分析)结果以及对连接臂金属臂断裂部分的外观检查，综合分析认为由加工工艺质量缺陷产生连接臂连接孔位置的凸楞是造成本次缺陷的根本原因。

为了避免今后类似故障再次发生，建议制造厂应从源头做好产品质量把控，具体措施为：

1)在连接臂生产制造环节，加强连接臂机加工后的质量管控，将连接臂连接孔的检查列为其中的一个检查项目，防止缺陷产品流入后续；

2)在产品制造环节，将连接臂的连接孔检查列为产品装配环节的一个检查项目，在连接臂装配前逐件检查连接臂连接孔的尺寸及内孔质量，防止问题零部件流入到产品上。