隔離開關是電力系統中一種很重要的開關設備，在隔離開關缺陷類型統計中，隔離開關故障有絕緣子斷裂、開關拒分拒合、合閘不到位、導電回路異常發熱、絕緣子破損或有裂紋、操動機構故障等，其中發熱是電氣故障，其他的都是機械故障。

1 故障情況

2021年7月10日，在220kV某變電站220kV某線送電過程中，運維操作人員拉開2號主變22023隔離開關時，隔離開關出現操作不到位故障，搶修人員與設備廠家一同對操動機構進行解體分析，將機構從殼體中取出，發現連接驅動板與小拐臂的軸發生斷裂，導致作用在傳動軸上的力無法繼續傳遞，動力輸出中斷。現場傳動軸檢查情況如圖1所示。

為進一步分析故障原因，搶修人員將該斷裂傳動軸（1號試樣）與同型號操動機構傳動軸（2號試樣）一同送往實驗室進行對比試驗分析。

圖1 現場傳動軸檢查情況

該隔離開關為2020年3月20日出廠，型號為NGDS2—I Ⅲ，所配操動機構型號為CJ23，未投運。

2 檢查與試驗

2.1 外觀檢查

搶修人員現場檢查軸的斷裂位置在軸六棱面與圓柱面交界處，斷口平整、無明顯的塑性變形，整個斷口呈明顯的脆性斷裂，另外中部的顏色較邊緣深，呈灰黑色，如圖2所示。

圖2 傳動軸斷裂位置及斷口形貌

進一步對斷口進行體視顯微鏡放大檢查，發現局部存在疑似裂紋，如圖3所示，另外可觀察到中部圓形顏色較深的斷裂紋路與邊緣明顯不同。

2.2 光譜分析檢測

對操動機構傳動軸進行光譜分析檢測，檢測結果見表1，結果表明傳動軸的化學成分符合設計材質。

圖3 體視顯微鏡檢查斷口結果

表1 傳動軸元素檢測結果

2.3 硬度試驗

對傳動軸的截面進行硬度試驗，試驗結果見表2。試驗結果表明，斷裂的1號傳動軸的硬度不滿足相關文獻的標準要求，而2號未斷裂傳動軸的硬度滿足標準要求。

表2 截面硬度試驗結果

2.4 金相分析檢測

對主動軸斷裂部位附近截取橫斷面進行金相組織分析，如圖4所示，其顯微組織為回火索氏體，相比芯部，邊緣部位存在少量的鐵素體。

圖4 1號試樣斷面微觀金相組織

對2號試樣軸的相同部位截取橫截面，對其橫截面進行檢驗，未見微裂紋等異?，F象，且組織形貌為回火馬氏體，如圖5所示。

圖5 2號試樣斷面微觀金相組織

2.5 斷口形貌分析

對斷口進行掃描電鏡分析，其掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope, SEM）形貌如圖6所示，發現斷口存在部分軸向裂紋，在裂紋附近還存在孔洞，個別孔洞邊緣已延伸成小裂紋。

3 故障原因分析

1）從光譜分析及微觀金相組織分析結果看，該軸材料化學元素滿足40Cr標準要求，其微觀金相組織也為調質處理（淬火加高溫回火）。

圖6 斷口SEM形貌

2）從硬度檢測結果看，斷軸（1號試樣）較未斷軸（2號試樣）的硬度稍高。

3）從斷口的SEM形貌看，斷口分布長短不一的軸向裂紋，在軸向裂紋附近還存在一定數量的孔洞，部分孔洞邊緣已發展至微裂紋。

綜上所述，該主動軸內部存在裂紋缺陷是此次斷裂的主要原因，裂紋產生的原因與該軸熱處理的工藝有關，通常在淬火組織處理中過熱就會造成淬火裂紋；其次通過外觀檢查該軸圓柱過渡至六棱柱的不連續臺階，也是應力最集中的部位，軸內部若有缺陷，極易在此部位斷裂。

4 結論

通過外觀檢查及試驗檢測分析，該220kV GIS隔離開關傳動軸熱處理出現淬火組織過熱嚴重，即淬火溫度控制工藝出現問題，導致軸內部出現孔洞，受力時產生裂紋，最終導致傳動軸斷裂的故障。因此，針對該典型的隔離開關傳動軸故障提出以下防范措施：

1）對同批次和同型號的傳動軸進行光譜分析、硬度檢測等專項排查，對排查不合格的要求廠家進行整體更換。

2）設備廠家按照《國家電網有限公司十八項電網重大反事故措施(2018年修訂版)》中對金屬材料和部件材質的要求，加強設備操動機構關鍵受力部件出廠時的檢驗，保障部件無問題出廠。

3）應加強設備采購時的技術質量管控，落實設備質量抽檢，除了對設備本體的檢測，還應加強設備附屬機構、材料等檢測，確保設備各項參數合格。

4）項目管理單位應加強驗收，對設備出廠試驗報告、金屬材料抽檢報告等進行驗收，無檢測報告的視為產品不合格。

本文編自2022年第5期《電氣技術》，論文標題為“一起220kV隔離開關操動機構故障分析”，作者為陳莉、張瑞明 等。