500 kV断路器分闸异常原因分析

胡发平，刘荣海，杨明昆

（云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650217）

0 前言

高压断路器是远距离输电线路中一种常见的控制和保护装置，在线路正常运行时起到切断和闭合线路电流的作用，系统发生短路、过载等故障时可以快速断开电路，起到保护电路的作用。断路器的正常运行对维持电网的安全和稳定均具有重要意义，一旦断路器分合闸发生卡涩、拒动等故障，容易造成大面积停电甚至失稳等[1-4]。

2022年3月26 日，云南某供电局运行人员按照调度令操作遥控断开500 kV某线断路器，后台检查发现B相仍有240 A的电流，现场检查发现B相断路器在合闸位置，断路器机构储能电机一直打压，压力未到正常值。

1 事故原因分析

1.1 现场检查结果

断路器现场检查结果如图1所示。A相电磁铁顶杆三个电磁铁均正常复位，断路器B相合闸电磁铁和C相分闸电磁铁2均为复位，如图中红色箭头所示。

图1 断路器B相(a)和C相(b)现场照片

将断路器拆开后发现断路器三相的顶杆均发生不同程度的锈蚀，同时与多数顶杆紧邻的顶杆套也发生了锈蚀，如图2所示。其中顶杆两端较细部分（细部）基本都很光亮无腐蚀痕迹。顶杆中间较粗部分（粗部），有两个表面颜色偏黄，无肉眼可见锈蚀，其余均有明显腐蚀，将顶杆按照同一方向摆放（根据顶杆两端细部的长短），可以看出图片中顶杆下部腐蚀较为严重，上部还保留一部分未腐蚀区域，对应到分合闸运行现场，分合闸安装时头部斜向下，因此，锈蚀严重部位靠近分合闸头部，即在下方。图2中还给出了三个典型的顶杆套内部的照片，可以看到明显的黄色锈蚀产物。

图2 顶杆及典型顶杆套内部锈蚀照片

1.2 微观组织分析

利用扫描电镜对粗部表面偏黄未见明显锈蚀的试样（1#样和2#样）和表面锈蚀的试样（3#和6#样）分别做形貌观察和能谱分析，其中对1#样和3#样表面做了分析，随后利用线切割将2#和6#样沿粗部径向切割后观察断面。

图3为1#表面的扫面电镜分析结果。放大倍数较低时可以看出耐腐蚀性较好的1#试样表面有泛白的区域和偏黑色的区域（图3(a)），放大后，泛白区域表面有裂纹翘起（图3(b)），偏黑的区域表面较为光滑，有类似裂纹的白色网格线（图3(c)）。能谱结果显示（表1），表面主要成分为氧、铬、铁、锌等，其中铬含量在3%~5%左右。值得注意的是，图谱3和4中铬含量显著偏低，均不到1%，锌含量相对较高，从图中可以看出，图谱3和4点位于翘起的裂纹下面，因此铬主要位于最表面翘起的涂层中，往里为镀锌层。据此推测，1#样表面进行了两道镀层工艺，先是镀锌，随后再在表面镀一层很薄的铬层，铬镀层较脆，容易产生裂纹。

表1 图3中标记的点的能谱结果（wt.%）

图3 不锈蚀的1#不同放大倍数下的SEM图片

沿粗部切开后2#和6#的横截如图4所示，可以看出粗部和细部并非一体，而是分别加开工后组装到一起的。

图4 2#和6#样沿粗部切开后的横截面图片

图5为2#样横截面扫描电镜照片，图5(a)为粗部和细部分界处，图5(b)为粗部外边缘，图中图谱1-4处做了能谱面扫描，图谱5-8处做了能谱点扫描，结果如表2所示。根据表2可知，细部的主要成分（图谱2、4）为碳、铬、锰、铁、镍，这是不锈钢的主要成分，正因为如此，顶杆细部未发生腐蚀。粗部的主要成分（图谱1、3、6）为碳、铁以及少量的锰，为碳钢。在粗部外边缘处可以清晰地看到一层镀层，主要成分（图谱5、7、8）为锌和铁，在镀层中未检测出铬，可能是因为铬层非常薄且在最外侧，或者因为铬层较脆，在切割、打磨过程中易脱落。

表2 图5中对应区域或点的能谱结果（wt.%）

图5 2#样横截面扫描电镜照片

图6为3#样表面的扫描电镜照片，观察发现表面大部分区域覆盖有氧化物，如图6(b)所示，图6(b)为腐蚀区域与未腐蚀区域的交界处。对图中标记的7个点做能谱分析结果如表3所示，未腐蚀区域的图谱1、2、3出主要元素为氧和锌，为镀锌层，腐蚀刚开始的区域（图谱4）主要元素也是氧和锌，不过氧含量显著提高，说明主要为氧化锌，即刚开始腐蚀时主要为镀层锌的氧化，形成氧化锌。腐蚀严重的区域，腐蚀产物明显变厚，主要元素为氧、铁、锌（图谱5、6、7），锌的含量较图谱1~4显著减少，说明随着腐蚀的加剧，表面镀锌层完全氧化后，内部的铁基体也被氧化。

表3 图6中标记的7个点的能谱分析结果

图6 3#样表面腐蚀与未腐蚀区域交界出

6#样横截面扫描电镜图片如图7所示，(a)和(b)分别为细部和粗部。图中图谱1~3做了能谱面扫描，图谱4-6做了能谱点扫描，结果如表4所示。6#样细部主要成分（图谱1、2、3）为碳、铬、锰、铁、镍，与2#样一样，为不锈钢的主要成分，粗部的主要成分（图谱6）为铁、碳以及少量的锰，为碳钢，与2#样基体一致。在粗部的边缘有一层很薄的镀层，成分（图谱4、5）为锌及少量的铁和氧，即为镀锌层。

表4 图7中标记的面或点的能谱结果（wt.%）

图7 6#横截面扫描电镜照片

2 结果分析

1）来样中3~9#样表面均有不同程度的腐蚀，且腐蚀严重的区域均在断路器开关的下端，1#和2#顶杆表面基本没有腐蚀，同时在顶杆套内部的金属也有明显的腐蚀，所有顶杆的细部均未发现明显的腐蚀。分析显示，3#~9#顶杆粗部表面均为几微米的镀锌层，内部为碳钢，镀锌层在干燥环境下具有很好的耐腐蚀性，但红河局地区气候潮湿，拆开断路器后甚至可以在内部看到水滴，水滴因重力聚集在顶杆下部，在这种环境下，顶杆下部表面镀锌层易与空气中的氧或顶杆套中的铁发生电化学腐蚀[5]，锌镀层腐蚀完以后，顶杆内部的铁基体也开始腐蚀，另外镀锌层较软，在摩擦或磕碰中很容易被破坏，镀锌层破坏后大气直接与铁基体接触，也会加速铁基体腐蚀，最终在顶杆表面形成疏松的氧化物堆积，造成开关卡涩或堵死。

2）1#和2#样粗部基体也是碳钢，表面镀层分两层，最表面为很薄的镀铬层，往里是镀锌层，镀铬层在潮湿的大气中具有很好的耐腐蚀性能[6]，同时附着力强、硬度高、耐磨性好，虽然较脆易脱落，但扫描电镜观察显示，1#、2#号顶杆表面的大部分区域铬镀层完好，能起到很好的保护作用，只有极少区域铬镀层翘起，露出镀锌层。因此，1#、2#顶杆表面基本不锈。

3）顶杆粗部与细部是组合在一起的，细部主要成分为不锈钢，因此，所有顶杆的细部均未见明显腐蚀。

3 结束语

此次红河局断路器开关卡涩（堵死）是由顶杆表面锈蚀，疏松的腐蚀产物堆积引起的，锈蚀的主要原因为表面镀锌层在当地潮湿环境下易形成电化学腐蚀，腐蚀速度快，同时镀锌层较软，摩擦或磕碰过程中易被破坏，削弱保护效果。

建议：

对当地其余断路器开关适时开展开合闸动作检查、X射线检查等，对有卡涩、动作不到位的开关进行更换；在潮湿环境下，选用表面镀铬或不锈钢材质的顶杆。