750 kV变电站罐式断路器合闸电阻片失效分析

谢金鹏，张素慧，李 军，滕玉林，孙贺斌

(1.甘肃电力科学研究院技术中心有限公司,甘肃兰州 730070；2.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃兰州 730070)

0 引言

随着超高压、特高压的快速发展，GIS，HGIS、罐式断路器等装设合闸电阻的开关设备被广泛应用[1-2]。由于电压等级高，绝缘配合要求苛刻，操作过电压限制值更低，因此750 kV及以上电压等级线路断路器均采用带合闸电阻结构，用以抑制断路器分合闸过程中的合闸涌流与暂态过电压[3-9]。

1 概况

由于现场发现某公司生产的LW13-800型罐式断路器的合闸电阻片存在断裂情况，为避免因合闸电阻片破损放电引起电网事故并带来危害和经济损失，因此，对某750 kV变电站内的罐式断路器进行了开罐检修，对失效的电阻片进行了更换。为了查找失效原因，排除隐患，提出预防措施，防止同类事故发生，对失效的合闸电阻片取样进行了试验分析。

2 试验

某公司生产的LW13-800型罐式断路器，其灭弧室为双断口结构，2个断口完全对称，2组合闸电阻堆对称装配于断口静侧，通过电阻触头的分、合操作投入或退出运行，其结构如图1所示。

图1 LW13-800型罐式断路器结构

该公司使用的陶瓷电阻片主体由黏土、氧化铝和碳3种成分混合成型，采用粉末冶金工艺烧结得到圆片瓷体。电阻片的两端平面喷铝，表面均匀、平整、致密；电阻片的圆柱面上喷涂有耐电性能高、耐SF6分解物的涂层，以提高在空气或SF6气体中的绝缘可靠性。合闸电阻堆为6柱串联式结构。每一件电阻片串联装配在绝缘杆上，绝缘杆的两端为螺纹结构，一端与连接板直接连接，另一端装配有弹簧、连板和螺母。螺母与绝缘杆紧固时，通过连板压缩弹簧，弹簧的弹力即施加在电阻片之间，保证电阻之间可靠导通。6柱电阻串装配完成后，用连接板和铜板串联，随后通过绝缘支撑装配于灭弧室静侧法兰之上。

2.1 宏观检查

对破损的具有明显特征的合闸电阻片进行断口复原并进行宏观检查，其中破损位置及宏观形貌如图2所示，表面喷层色泽分布不均匀，部分区域发黑发亮，与金属支架接触面侧的表面共有4处破损位置，如图2(c)所示。图2中A侧为紧贴合闸电阻片支架根部的一侧。

图2 破损位置及宏观形貌

位置①处破损碎片位置复原后宏观形貌如图2(a)①所示。从破裂处电阻片上表面可以看到一条长约10 mm、宽约1.5 mm的区域，该区域表面发亮具有明显的金属光泽，不同于未受损位置呈颗粒粗糙的喷层表面，表明该位置承受了较大的局部应力；破裂处下表面也可以看出局部区域表面喷层具有同样的金属光泽，表明该区域电阻片两个表面均承受了较大的局部应力。另外，在位置1处A侧主断裂面旁边还可以看到与其基本平行、大小不等的三条裂纹。

位置②破损处宏观形貌如图2(a)②所示。从A侧表面也可以看出明显金属喷层受到压力和磨擦表面发黑的区域，且有长8 mm、宽1 mm的电阻片掉落，表明该区域同样承受了较大的局部应力。

位置③和④破损处宏观形貌分别如图2(a)③及2(a)④所示。可以看出仅在电阻片边缘有部分绿色绝缘涂层掉落，且涂层掉落位置附近处同样有具有表面镀铝层发黑区域，表明该区域承受较大的局部应力。

图2(b)为碎片断面，可以看出断面表面粗糙，有放射状纹理，放射状条纹沿箭头方向汇聚，汇聚处为裂纹起始位置。

综上所述，根部第一片电阻片与支架贴合时，表面受力不均，局部区域承受较大应力，导致电阻片边缘呈不同程度的破损。

2.2 微观形貌分析

为了解电阻片表面镀铝层、石墨烧结材料、外周绝缘层材料形貌和成分，对电阻片掉块部位及附近区域取样进行扫描电镜形貌及能谱分析。

2.2.1 SEM分析

通过合闸电阻片表面铝合金喷层压痕处扫描电镜微观形貌可以看出，电阻片镀铝层原始表面粗糙，凹陷部位表面呈颗粒状分布。而压力和磨擦作用致使表面突起部位变得平整光滑，部分区域镀铝层带有明显沿圆周方向的相对磨擦变形痕迹。

2.2.2 EDS分析

为确定电阻片表面喷层，边缘绝缘涂层及机构侧根部第一片缺损部位填充物的成分，对上述样品在扫描电镜下进行了能谱分析。结果显示电阻片表面镀铝层相对完好的区域及受挤压变形区域所包含的主要元素为铝，但受挤压磨损变形区所含其他杂质元素种类较多，这和与其相接触材料中所含元素及环境中其他杂质元素的污染有关；从掉下碎片中绝缘材料涂覆层和机构侧根部第一片电阻片缺损部位填充物取样的能谱分析结果来看，两种材料所含元素成分及比例基本相同，说明缺损部位填充材料与涂层材料相同或相近。

2.3 材质分析

如表1所示，该750 kV变电站石墨电阻片表面涂层为铝材，Al平均含量为97.215 %，Si平均含量为1.647 %，而表面涂层存在石墨裸露处平均Al含量为98.314 %，Si平均含量为0.759 %。对7751C机构侧根部第一片石墨层带区裸露划伤较严重处进行光谱分析，可知，其Al平均含量降低为73.327 %，Si平均含量提升至24.134 %，另外对7550C机构侧根部第一片断口石墨处进行光谱分析可知，Al平均含量为56.923 %，Si平均含量为40.733 %。

表1 样品元素含量(质量分数) %

2.4 X射线检测

对失效合闸电阻片进行了X射线检测，从电阻片轴向X射线检测影像可见部分边缘破损，电阻片内部材料均匀完好，未发现缺陷。从电阻片侧面进行透照检测时，断裂面与射线透照方向平行的裂纹可被发现，当断裂面与射线透照方向成一定角度时，裂纹或断裂很难检出。

结合检测人员在±800 kV祁连换流站对同一厂家的罐式断路器合闸电阻片拍摄情况，可以发现该厂家生产的罐式断路器里的部分合闸电阻片贴合不好，存在空隙，电阻片叠装不够紧密。

3 结论与建议

3.1 合闸电阻片失效原因

(1) 合闸电阻片的破裂原因为表面局部接触受力不均，造成局部区域压应力过大，导致电阻片边缘相对薄弱部位发生破损。

(2) 该厂家生产的罐式断路器部分合闸电阻片与支架端部压板贴合不良存在间隙，电阻片叠装不紧密，导致电阻片接触面受力不均，局部区域压应力超限。

(3) 因电阻片与金属支架或相邻电阻片局部接触，接触部位电流密度和温升增大，产生局部温差应力，也是造成电阻片局部开裂和镀铝层起皮脱落的重要因素。

3.2 建议

(1) 优化罐式断路器合闸电阻结构设计，在保证电阻片间接触良好及导流能力的前提下，减少电阻片边缘薄弱区域的受力，保证整个接触面压紧力均匀。

(2) 利用停电机会对该类型罐式断路器合闸电阻片进行检查、更换和改造。

(3) 对电阻片表面和支架表面平整度、喷层厚度进行出厂检测和技术监督，以保证电网设备的安全稳定运行。