变电站断路器卷簧断裂分析

叶建锋，熊 宇，田 泽，梅云平，沈祎侬

（1.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉430077；2.湖北方源东力电力科学研究有限公司，湖北 武汉430077）

0 引言

断路器属于高压开关类设备的一种，在变电站中的作用是切断故障电流，保护主变压器等重要设备，防止事故扩大的主要机构［1-2］。断路器可分为油断路器、SF6断路器、压缩空气断路器、真空断路器等［3］。断路器一般由导电部分、绝缘部分、接触与灭弧部分及操动机构部分，其中操动机构部分是保证断路器快速切断故障电流的主要部分，其故障发生率在断路器的故障中占比较大［4-5］。

操动机构分为液压操动机构、弹簧操动机构以及电磁操动机构，其中弹簧操动机构由于其操作能量小、分合闸速度快、机械寿命长等特点在断路器中被广泛使用，同时，由于弹簧操动机构故障而导致的断路器故障时有发生［6-14］。

1 概况

某500 kV 变电站的220 kV 断路器A 相于2019 年12月出现异常的反复打压现象，拆解后发现断路器储能机构中的卷簧断裂。

该断路器为A 厂家生产的断路器，2007 年7 月投运，上次年度检修时间为2016年5月，上次年度检修时各项试验数据合格。

图1为卷簧的加工图纸，从图纸可知，该卷簧材质为DIN 1.7701（51CrMoV4）的弹簧钢，执行标准为DIN EN 10089-2003，卷簧厚度为11.2 mm，宽度为120 mm，由7圈组成，断口位于从内向外数第3圈。

该标准对该牌号弹簧钢的化学成分、硬度、力学性能和表面脱碳层均作出规定，以下将通过磁粉检测、渗透检测、光谱分析、硬度测量、拉力试验、脱碳层检测、金相检验、断口分析等试验对卷簧断裂原因进行分析，图纸中有规定质量要求的项目按照图纸执行，否则按标准《DIN EN 10089-2003 淬火和回火弹簧用热轧钢材.交货技术条件》执行。

2 试验与分析

2.1 试验计划

根据故障情况、加工图纸及目前掌握的信息计划做表1中的试验。

图1 卷簧加工图Fig.1 Drawing of coil spring

表1 试验计划Table 1 Test plans

2.2 磁粉检测、渗透检测

对卷簧进行磁粉检测［15-18］及渗透检测，未发现裂纹及其他缺陷。

2.3 光谱分析

使用M5000 全元素光谱仪对卷簧进行光谱分析，结果如表2所示，从光谱分析结果可见，卷簧的化学成分符合标准要求。

表2 光谱分析结果Table 2 Results of spectral analysis

2.4 硬度测量

使用HBRV-187.5布洛维硬度计对卷簧进行硬度测量，结果如表3 所示，图纸要求硬度为45～48 HRC，从表3可见，该卷簧的硬度偏高［19-21］，不符合图纸上的技术要求。

2.5 拉力试验

使用WAW-600 kN 万能试验机对卷簧进行拉力试验，抗拉强度实测值为1 777 MPa，标准中抗拉强度的参考值为1 450～1 750 MPa，从实测结果可见，该卷簧的抗拉强度偏高。

表3 硬度测试结果Table 3 Results of hardness

2.6 脱碳层检验

对卷簧进行脱碳层检验［22-24］，脱碳层实测深度如表4 所示，从实测结果可见，脱碳层深度符合标准要求。

表4 脱碳层深度测量结果Table 4 Results of decarburization layer detection

2.7 金相检验

使用Axio Observer金相显微镜对卷簧取样进行金相检验，金相组织为回火索氏体，如图2所示。

图2 金相组织Fig.2 Metallographic structure

2.8 断口分析

对卷簧的断面进行宏观检查，如图3所示，从断面的宏观形貌可以判断，下图中红框部位为裂纹起源部位（河流花样的收敛部位），而卷簧的4 个边沿为最终断裂部位（最终断裂部位存在剪切唇），裂纹扩展方向为箭头所指方向。

图3 断口宏观形貌Fig.3 Macroscopic fracture morphology

使用扫描电镜对裂纹起源区进行观察，结果如图4～图6所示。

图4中红色方框部位有深度约1.5 mm的磨损挤压痕迹，为卷簧形成初始裂纹后裂纹两边相互挤压导致的磨损挤压痕迹，该磨损挤压痕迹导致裂纹起源处的部分原始形貌破坏。

图5和图6分别为图4中1号和2号红色圆圈部位的放大图，从图5、图6 可见，该部位为沿晶开裂，即脆性开裂。

图4 裂纹起源区Fig.4 Crack origin area

图5 裂纹起源区Fig.5 Crack origin area

图6 裂纹起源区Fig.6 Crack origin area

对裂纹扩展区进行观察，结果如图7～图8所示，图8 为图7 中红色方框放大图，从图8 中可见，裂纹扩展区存在韧窝，为韧性开裂。

图7 裂纹扩展区Fig.7 Crack growth area

图8 裂纹扩展区Fig.8 Crack growth area

3 断裂原因综合分析

断裂卷簧的化学成分、脱碳层深度均满足标准要求，磁粉检测及渗透检测未发现断裂处之外的部位存在裂纹的情况。

卷簧的硬度较图纸的要求值稍微偏高（抗拉强度偏高也验证了硬度偏高的事实）。

从扫描电镜分析可见，裂纹的扩展区，即断面的大部分区域均为韧性断面，由此可见，该材料在纯应力作用下呈现为韧性断裂，但裂纹起源区则为沿晶的脆性断面，由此推断裂纹的起源不是单纯由于应力导致（假如单纯由应力导致，则裂纹起源部位应该也为韧性断面），裂纹起源部位的沿晶断面应该为热处理导致的原始裂纹［25-29］。

综上所述，卷簧的断裂原因为热处理导致卷簧表面局部存在原始裂纹。

4 结语

建议生产厂家对加工成型后的卷簧进行无损检测，防止带有表面缺陷的卷簧投入使用。卷簧卷制后受检测空间的限制，使用常规的表面无损检测方法无法对其进行全面检测，超声导波由于其传播距离长的特点，且对于表面和内部有相同的检测灵敏度，可以用于卷簧表面缺陷的无损检测［30-31］。

建议设备运维单位加强同类型断路器操作机构的巡检。

［参考文献］（References）

［1］ 梁煜健.500 kV交流变电站断路器的运行情况及故障原因分析［D］.广州：华南理工大学，2013.LIANG Yujian.The operation of circuit breaker of 500 kV AC substation and the analysis of its fault reason［D］.Guangzhou：South China University of Technology，2013.

［2］ 匡子靓.断路器弹簧操作机构故障原因分析及解决策略［J］.科技与创新，2018，（17）：37-39.

［3］ 张佩.高压断路器机械故障诊断方法的研究［D］.北京：华北电力大学，2014.ZHANG Pei.Research on mechanical fault diagnosis method of high voltage circuit breaker［D］.Beijing：North China Electric Power University，2014.

［4］ 张玉伟.高压断路器常见故障原因的分析与处理［J］.大众标准化，2019，（12）：98，100.

［5］ 郭震.高压断路器工作原理及故障分析［J］.中国新技术新产品，2019，（21）：52-53.

［6］ 曾庆淳，王浩.一起ABB 公司BLK 型弹簧机构故障分析［J］.湖北电力，2009，33（02）：20-21.ZENG Qingchun，WANG Hao.The analysis of a BLK type spring mechanism fault from ABB company［J］.Hubei Electric Power，2009，33（02）：20-21.

［7］ 周国伟，董建新，肖珊珊，等.高压断路器弹簧操动机构典型故障应力分析［J］.浙江电力，2018，37（12）：93-99.ZHOU Guowei，DONG Jianxin，XIAO Shanshan，et al.Typical fault stress analysis of spring operating mechanism of highvoltage circuit breaker［J］.Zhejiang Electric Power，2018，37（12）：93-99.

［8］ 郭跃东，郭丽华，郭小娴.断路器弹簧机构储能故障分析［J］.电世界，2019，60（03）：17-19.

［9］ 何万涛.断路器弹簧机构常见故障分析与处理［J］.现代制造技术与装备，2019，（06）：188-189.HE Wantao.Analysis and treatment of common faults of circuit breaker spring mechanism［J］.Modern Manufacturing Technology and Equipment，2019，（06）：188-189.

［10］ 郑隆，李月青.一起断路器弹簧操动机构拒分闸故障的分析和处理［J］.电力设备管理，2019，（11）：38-39.

［11］ 徐木桂，章海斌，过羿.500 kV 断路器储能电机减速器轴销断裂故障机理分析及防范措施研究［J］.湖北电力，2019，43（03）：57-63.XU Mugui，ZHANG Haibin，GUO Yi.Mechanism analysis and preventive measures of reducer shaft pin fracture in energy storage motor of 500 kV circuit breaker［J］.Hubei Electric Power，2019，43（03）：57-63.

［12］ 张国宝，杨为，朱胜龙，等.一起CT20 型弹簧机构断路器拒分故障原因分析及处理［J］.电气技术，2019，20（12）：91-93.ZHANG Guobao，YANG Wei，ZHU Shenglong，et al.The breakdown reason and solving method of rejection of circuit breaker using CT20 spring mechanism［J］.Electrical Engineering，2019，20（12）：91-93.

［13］ 杨迎春.大理供电局220 kV 苏屯变苏崇线231 断路器储能弹簧断裂原因分析［C］.2011年云南电力技术论坛论文集.2011.

［14］ 陈汉阳.高压断路器储能弹簧失效分析及截面形状优化［D］.湘潭：湘潭大学，2018.CHEN Hanyang.Failure analysis and cross section shape optimization of high voltage circuit breaker energy storage spring［D］.Xiangtan：Xiangtan University，2018.

［15］ 苏晓冰.煤矿窄轨车辆用弹簧原材料表面磁粉探伤方法的研究［J］.科技资讯，2012，（12）：102.

［16］ 魏志奇.碟形弹簧的磁粉探伤［J］.无损检测，1993，15（01）：23-24.WEI Zhiqi.Magnetic particle inspection of dished springs［J］.Nondestructive Testing，1993，15（01）：23-24.

［17］ 王未，张子诚，陈善功.机车车辆热卷弹簧原材料表面磁粉探伤—超长杆件表面磁粉探伤实践［J］.无损检测，1990，12（11）：311-313，316.WANG Wei， ZHANG Zicheng， CHEN Shangong.Electromagnetic inspection of the row material surface of hot coiling spring for locomotive and rolling stock-practice of electromagnetic inspection of super long rods ［J］.Nondestructive Testing，1990，12（11）：311-313，316.

［18］ 杨田，韩永生，吕林川，等.机车转向架弹簧的磁粉探伤［J］.无损检测，2013，35（04）：21-24.YANG Tian，HAN Yongsheng，LV Linchuan，et al.Magnetic particle testing for bogie spring of locomotive ［J］.Nondestructive Testing，2013，35（04）：21-24.

［19］ 侯世耀.55CrMnA 弹簧扁钢表面硬度的研究［C］.2010 年全国轧钢生产技术会议文集，2010.

［20］ 王晓峰，陈伟庆.冷却速率对55CrSi弹簧钢的相变组织和显微硬度的影响［J］.上海金属，2010，32（06）：13-15.WANG Xiaofeng，CHEN Weiqing.Influence of cooling rate on transformation structure and micro-hardness of spring steel 55SiCr［J］.Shanghai Metals，2010，32（06）：13-15.

［21］ 马鸣图，齐显新.回火硬度对新型中碳弹簧钢应变疲劳特性的影响［J］.河南科学，1993，（01）：39-52.

［22］ 权淑丽，郭昭桥，郑开宇，等.脱碳层深度对弹簧钢55CrSiA 疲劳性能的影响［J］.浙江冶金，2015，（04）：26-28.

［23］ 刘义祥，罗志勇.金属弹簧脱碳层厚度与受热温度和时间的关系［J］.武警学院学报，2002，18（01）：20-22.LIU Yuxiang，LUO Zhiyong.The relationship between the thickness of decarbonic layer of metal spring and the temperature and time heated［J］.Journal Of The Chinese People's Armed Police Force Academy，2002，18（01）：20-22.

［24］ 高峰，唐日俊，宁玉涛.热工工艺对60Si2Mn 弹簧钢脱碳层深度的影响［J］.本钢技术，1996，（03）：32-35.

［25］ 甘达淅，龚荣.热处理后弹簧钢丝断裂原因分析［J］.热加工工艺，2018，47（14）：255-257，260.GAN Daxi，GONG Rong.Fracture cause analysis of spring steel wire after heat treatment［J］.Hot Working Technology，2018，47（14）：255-257，260.

［26］ 田琴，雷源源，杨明，等.50CrVA 弹簧生产过程中的断裂分析［J］.铸造技术，2010，31（03）：359-361.TIAN Qin，LEI Yuanyuan，YANG Ming，et al.Fracture analysis on 50CrVA spring during production process［J］.Foundry Technology，2010，31（03）：359-361.

［27］ 朱林，何宏梅，单以银，等.51CrV4钢弹簧材料回火特性研究［J］.热加工工艺，2010，39（20）：144-148.ZHU Lin，HE Hongmei，SHAN Yiyin，et al.Study on tempering characteristics of 51Crv4 spring steel［J］.Hot Working Technology，2010，39（20）：144-148.

［28］ 欧阳雅娜.弹簧钢的热处理工艺研究［D］.天津：河北工业大学，2015.OUYANG Yana.Research of heat treatment of spring steel［D］.Tianjin：Hebei University of Technology，2015.

［29］ 姜婷，汪开忠，于同仁，等.热处理工艺对弹簧钢55 SiCrV力学性能和组织的影响［J］.金属热处理，2019，44（10）：96-99.JIANG Ting，WANG Kaizhong，YU Tongren，et al.Effect of heat treatment process on mechanical properties and microstructure of 55 SiCrV spring steel［J］.Heat Treatment of Metals，2019，44（10）：96-99.

［30］ 覃小倩，毛汉领，易晓旭，等.卷簧缺陷检测的超声导波传感器研制［J］.电子制作，2019，（09）：52-54.

［31］ 边美华，梁世容，彭家宁，等.高压断路器大型储能卷簧应力状态及危险区域仿真分析［J］.中国工程机械学报，2018，16（05）：448-452.BIAN Meihua，LIANG Shirong，PENG Jianing，et al.Simulated analysis of the stress states and dangerous area in the storage coil spring of high voltage circuit breaker［J］.Chinese Journal of Construction Machinery，2018，16（05）：448-452.