變壓器出線套管線夾開裂事故分析與預(yù)防

　　摘要：電力設(shè)備質(zhì)量是影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要因素，近年浙江省主變壓器套管線夾開裂事故頻發(fā)，對輸電設(shè)備運維工作和高壓電纜運維工作提出了更高要求。以近期幾起不同位置線夾失效事故為例，采用宏觀形貌檢查、光譜分析、金相組織、SEM(掃描電子顯微鏡)及能譜分析等手段進(jìn)行分析檢測。結(jié)果表明，原材料組織疏松和季裂腐蝕是導(dǎo)致開裂事故頻發(fā)的主要原因，并依此提出了相應(yīng)的防范和改善措施。

　　關(guān)鍵詞：線夾,裂紋,季裂,光譜分析,金相檢驗

　　0引言

　　設(shè)備線夾主要用于母線引下線與電氣設(shè)備的出線端子連接以及電氣設(shè)備之間的連接，由固定絞線部分和電氣設(shè)備連接部分組成，前者為管形結(jié)構(gòu)或者壓蓋和線槽結(jié)構(gòu)，后者為端子板(接線板)結(jié)構(gòu)[1]。設(shè)備線夾按材質(zhì)又可分為銅鋁過渡設(shè)備線夾和鋁設(shè)備線夾，設(shè)備多采用銅管/鋁管焊接端子板或整體鑄造的方法加工[2]。

　　然而，無論是采用焊接還是鑄造的加工方法，管形結(jié)構(gòu)和端子板之間的接合處始終是一個薄弱環(huán)節(jié)，此處在加工過程中容易形成缺陷，在使用過程中容易產(chǎn)生失效，進(jìn)而危及設(shè)備安全[3-4]。自開展電網(wǎng)金屬監(jiān)督工作以來，在所接觸到的線夾開裂事故中，尤以銅制出線套管線夾的開裂事故最為典型和相似[5]。

　　本文選取3起典型案例，通過宏觀檢查、光譜分析、金相檢驗等手段對各線夾斷裂原因進(jìn)行分析，并為相關(guān)設(shè)計生產(chǎn)廠家以及電網(wǎng)建設(shè)和運維單位提供參考[6]。

　　1宏觀檢查

　　B相35kV側(cè)出線套管線夾(1號線夾)裂紋的局部照片，裂紋貫穿整個橫面，但未貫穿縱面，底部尚有部分相連。該線夾系一體鑄造而成，廠家提供為HPb59-1材質(zhì)。另一主變110kV套管線夾(2號線夾)裂紋宏觀照片，裂紋由外壁延伸至內(nèi)壁，已貫穿。開裂處位于線夾的變截面部位，且貫穿整個部件。同一主變發(fā)生的多起套管線夾碎裂事故中的其中兩個失效線夾，可見其斷裂位置均位于線夾管型結(jié)構(gòu)和端子板結(jié)合位置，且裂紋都沿45°方向貫穿壁厚。綜上，這幾起線夾開裂位置均位于變截面、變弧處等應(yīng)力集中處。

　　2金相組織分析

　　分別對以上4個缺陷線夾開裂位置附近取樣鑲嵌、拋光、侵蝕后，在Axiovert200MAT研究級大型金相顯微鏡下觀察和拍照，結(jié)果如下：

　　1號線夾內(nèi)部裂紋與金相組織裂紋沿晶擴展，內(nèi)部原始小缺陷眾多，且多平直;內(nèi)部金相組織由白色條狀的α相、灰色基體β相和黑色顆粒即Pb(鉛)析出相三相構(gòu)成，屬于HPb59-1黃銅的正常金相組織。

　　2號線夾內(nèi)部裂紋與金相組織，裂紋尖端沿晶擴展，有分叉，主裂紋附近有微裂紋;金相組織顯示是銅基材常見的α相+β相，晶界分明，柱狀晶粒粗大。

　　3號、4號線夾斷口裂紋金相組織，斷口附近的裂紋較為平直，沿晶和穿晶擴展兼具，深度不一，部分微裂紋匯聚形成孔洞缺陷;線夾基體金相組織是鉛黃銅鑄件常見的α相+β相，并伴有明顯的黑色雜質(zhì)體，在SEM(掃描電子顯微鏡)的高倍視場下析出相更明顯，成分待測定。

　　3材質(zhì)分析

　　材質(zhì)問題在線夾多次斷裂事故中最為普遍。這3起線夾事故中，除了第一起失效線夾與廠家提供的HPb59-1牌號材質(zhì)基本相符(Pb略偏高，而GB/T5231-2012《加工銅及銅合金牌號和化學(xué)成分》中PHb59-1的Pb含量要求在0.8%~1.9%)，其余兩起的失效線夾因廠家拒絕提供材質(zhì)信息，只能粗定基材屬于鉛黃銅，但無法判斷其成分合格與否;而第三起的2個失效線夾材料中的Pb含量遠(yuǎn)高于鉛黃銅對Pb的要求(GB/T5231-2012根據(jù)所有鉛黃銅中Pb含量不得超過4.5%)。

　　這幾起材質(zhì)分析結(jié)果表明，線夾普通存在材質(zhì)不清、錯用等問題。4能譜微區(qū)分析選取3號、4號線夾的金相試樣在SEM下觀察。將凹坑位置標(biāo)注Ⅰ區(qū)、晶界位置組織標(biāo)注Ⅱ區(qū)、母材α相標(biāo)注Ⅲ區(qū)。對以上三區(qū)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行能譜分析，Ⅰ區(qū)即凹坑位置也就是金相照片中的黑色雜質(zhì)，成分以Pb為主，Cu(銅)和Zn(鋅)含量遠(yuǎn)小于黃銅中所占比例;Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)含量接近，基本就是銅鋅合金。

　　能譜結(jié)合光譜成分結(jié)果，Pb含量遠(yuǎn)高于鉛黃銅系列對Pb的標(biāo)準(zhǔn)要求，組織中的黑色雜質(zhì)是鑄件中過量未完全固溶的Pb，Pb雜質(zhì)的偏析將影響材料的強度。另選取4號線夾金相試樣在SEM下觀察裂紋形貌。對譜圖1裂紋位置，采集數(shù)據(jù)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如表4所示，裂紋中含有較高濃度的Cl(氯)，促使黃銅發(fā)生腐蝕開裂，在裂紋中的腐蝕產(chǎn)物成分也較為復(fù)雜[7]。

　　5分析與討論

　　對線夾的宏觀檢查、材質(zhì)分析和金相分析等結(jié)果表明，這3起案例中的失效線夾材質(zhì)均屬于銅合金，是一體成型的鑄件，且開裂位置類似，均起源于鑄件變徑處，即線夾變截面部位。通常鑄件在厚大截面位置容易形成缺陷，特別是在不合理的工藝條件下(例如澆注溫度控制不當(dāng)、冷卻條件不佳或卷入較多氣體)，一些鑄件的厚大截面處會產(chǎn)生顯著的鑄造缺陷(縮孔、縮松)。

　　對于出線套管線夾而言，接線板與線夾結(jié)合處就是厚大截面，是一個典型的熱節(jié)部位。此外，在澆注、凝固過程中，熔體在接合處改變流動方向，也使得熱節(jié)部位易產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷。這些鑄造缺陷在金相分析中已經(jīng)得到證實，縮孔、縮松缺陷不僅會減少材料的有效承載面積，也會使裂紋常與其共生[8-9]。

　　再者，第三起失效案例中的線夾Pb含量過高會導(dǎo)致無法完全固溶，產(chǎn)生較多偏析，也會減少材料的有效承載[10]。而Zn含量超過15%的黃銅較易發(fā)生應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象，稱為季裂，這種應(yīng)力腐蝕斷裂只有金屬材料在一定的腐蝕介質(zhì)中并同時有一定的拉應(yīng)力作用時才會發(fā)生。黃銅線夾在加工時產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力，結(jié)合外載荷工作應(yīng)力，當(dāng)外部存在一定腐蝕環(huán)境，如雨季的來臨或南方潮濕的空氣，都會增大黃銅出現(xiàn)季裂的概率[11-12]。

　　6結(jié)論和建議

　　綜上所述，這幾起銅制線夾失效事故是因為原材料組織疏松[13]，裂紋缺陷較易在應(yīng)力集中部位產(chǎn)生，加之Pb含量過高產(chǎn)生偏析致使材料有效承載降低和黃銅季裂，裂紋在較大的外部載荷下加速擴展，直至斷裂[14]。建議如下：

　　(1)因銅合金和鋁合金種類繁多，不同系列和加工工藝下合金材料的化學(xué)成分和性能指標(biāo)差異極大，設(shè)計單位需對不同部位線夾的整體強度進(jìn)行校核，明確各部件材料牌號，盡量避免使用黃銅、鋁合金這類模糊概念，給制造單位過大的自由選擇空間。設(shè)計單位還應(yīng)對該部位強度根據(jù)實際工況進(jìn)行校核，明確線夾的材質(zhì)信息和加工工藝[15]。

　　(2)制造單位除了進(jìn)行必要的原材料力學(xué)性能、成分分析等試驗，還需向使用單位提供線夾的再結(jié)晶退火和去應(yīng)力退火的工藝報告，使產(chǎn)品質(zhì)量具有可追溯性。

　　(3)安裝單位在安裝環(huán)節(jié)必須注意零部件的質(zhì)量問題，有條件的可在安裝前進(jìn)行必要的外觀及探傷檢查，避免因零部件缺陷導(dǎo)致設(shè)備存在安全隱患[16]。

　　(4)使用單位應(yīng)加強對線夾的檢查，特別是在環(huán)境污染較大地區(qū)的雨季時節(jié)，黃銅線夾發(fā)生季裂的概率較大。

　　參考文獻(xiàn)：

　　徐雪霞，歐陽杰，馮硯廳，等.設(shè)備線夾開裂失效原因分析[J].金屬鑄鍛焊技術(shù)，2011，40(13):160-163.

　　鄭研，崔殊，李昊，等.銅鋁過渡線夾故障探究與防范[J].東北電力技術(shù)，2018，39(1):43-50.

　　楊軍偉.銅鋁過渡線夾事故分析及預(yù)防措施[J].電力科技，2017(9):213.

　　董瑾，鐘相源，安江英.變電站銅鋁過渡設(shè)備線夾斷裂原因[J].中國電力，2010，43(12):27-30.

　　湯曉磊，陳國宏，劉俊建，等.平面接觸型銅鋁過渡設(shè)備線夾的大氣腐蝕行為[J].電力建設(shè)，2014，35(4):65-69.胡家瑞，

　　劉純，歐陽克檢，等.500kV直流輸電線路耐張線夾斷裂的原因分析[J].電力建設(shè)，2012，33(7):82-85.

　　王若民，吳剛，嚴(yán)波，等.高壓輸電用耐張線夾的失效分析[J].熱處理，2018，33(4):41-47.

　　電力方向刊物推薦：電力建設(shè)對社會經(jīng)濟(jì)有著明顯的拉動作用，而中國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，電力供應(yīng)相對緊張。為滿足國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的需要，國家需要加快電力建設(shè)力度。一直以來，國家工業(yè)增加值與電力建設(shè)存在正相關(guān)的關(guān)系，隨著電力建設(shè)的增加，特別是工業(yè)用電的增加，工業(yè)增加值也隨之增加。

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