變壓器出線套管線夾開(kāi)裂事故分析與預(yù)防

胡潔梓，羅宏建，張 杰，周宇通，鄒君文

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

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(guò)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(wú)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(gè)薄弱環(huán)節(jié)，此處在加工過(guò)程中容易形成缺陷，在使用過(guò)程中容易產(chǎn)生失效，進(jìn)而危及設(shè)備安全[3-4]。

自開(kāi)展電網(wǎng)金屬監(jiān)督工作以來(lái)，在所接觸到的線夾開(kāi)裂事故中，尤以銅制出線套管線夾的開(kāi)裂事故最為典型和相似[5]。本文選取3 起典型案例，通過(guò)宏觀檢查、光譜分析、金相檢驗(yàn)等手段對(duì)各線夾斷裂原因進(jìn)行分析，并為相關(guān)設(shè)計(jì)生產(chǎn)廠家以及電網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)維單位提供參考[6]。

1 宏觀檢查

圖1 是某主變壓器（以下簡(jiǎn)稱“主變”）B 相35 kV 側(cè)出線套管線夾（1 號(hào)線夾）裂紋的局部照片，裂紋貫穿整個(gè)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)。

圖2 是另一主變110 kV 套管線夾（2 號(hào)線夾）裂紋宏觀照片，裂紋由外壁延伸至內(nèi)壁，已貫穿。開(kāi)裂處位于線夾的變截面部位，且貫穿整個(gè)部件。

圖1 1 號(hào)線夾裂紋宏觀照片

圖2 2 號(hào)線夾裂紋宏觀照片

圖3（3 號(hào)線夾）和圖4（4 號(hào)線夾）是同一主變發(fā)生的多起套管線夾碎裂事故中的其中兩個(gè)失效線夾，可見(jiàn)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。

圖3 3 號(hào)夾裂紋宏觀照片

圖4 4 號(hào)線夾裂紋宏觀照片

綜上，這幾起線夾開(kāi)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(duì)以上4 個(gè)缺陷線夾開(kāi)裂位置附近取樣鑲嵌、拋光、侵蝕后，在Axiovert 200 MAT 研究級(jí)大型金相顯微鏡下觀察和拍照，結(jié)果如下：

1 號(hào)線夾內(nèi)部裂紋與金相組織如圖5 所示，裂紋沿晶擴(kuò)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。

圖5 1 號(hào)線夾內(nèi)部裂紋金相照片

2 號(hào)線夾內(nèi)部裂紋與金相組織如圖6 所示，裂紋尖端沿晶擴(kuò)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(jiàn)的α 相+β 相，晶界分明，柱狀晶粒粗大。

圖6 2 號(hào)線夾內(nèi)部裂紋金相照片

3 號(hào)、4 號(hào)線夾斷口裂紋金相組織分別如圖7和圖8 所示，斷口附近的裂紋較為平直，沿晶和穿晶擴(kuò)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(jiàn)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(chǎng)下析出相更明顯（見(jiàn)圖9 和圖10），成分待測(cè)定。

圖7 3 號(hào)線夾斷口邊緣金相照片

圖8 4 號(hào)線夾斷口邊緣金相照片

圖9 3 號(hào)線夾金相樣SEM 圖

圖10 4 號(hào)線夾金相樣SEM 圖

3 材質(zhì)分析

材質(zhì)問(wèn)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(hào)材質(zhì)基本相符（Pb 略偏高，而GB/T 5231-2012《加工銅及銅合金牌號(hào)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(wú)法判斷其成分合格與否；而第三起的2 個(gè)失效線夾材料中的Pb 含量遠(yuǎn)高于鉛黃銅對(duì)Pb 的要求（GB/T 5231-2012 根據(jù)所有鉛黃銅中Pb 含量不得超過(guò)4.5%），見(jiàn)表1。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(cuò)用等問(wèn)題。

4 能譜微區(qū)分析

選取3 號(hào)、4 號(hào)線夾的金相試樣在SEM 下觀察，結(jié)果分別如圖9 和圖10 所示。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(duì)以上三區(qū)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如表2 和表3 所示，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(duì)Pb 的標(biāo)準(zhǔn)要求，組織中的黑色雜質(zhì)是鑄件中過(guò)量未完全固溶的Pb，Pb 雜質(zhì)的偏析將影響材料的強(qiáng)度。

另選取4 號(hào)線夾金相試樣在SEM 下觀察裂紋形貌，如圖11 所示。對(duì)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(kāi)裂，在裂紋中的腐蝕產(chǎn)物成分也較為復(fù)雜[7]。

表2 3 號(hào)線夾樣能譜分析結(jié)果（質(zhì)量百分比）%

表3 4 號(hào)線夾樣能譜分析結(jié)果（質(zhì)量百分比）%

圖11 4 號(hào)線夾金相樣裂紋SEM 圖

表4 4 號(hào)線夾樣裂紋能譜分析結(jié)果（質(zhì)量百分比）%

5 分析與討論

對(duì)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(kāi)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(huì)產(chǎn)生顯著的鑄造缺陷（縮孔、縮松）。對(duì)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(gè)典型的熱節(jié)部位。此外，在澆注、凝固過(guò)程中，熔體在接合處改變流動(dòng)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(shí)，縮孔、縮松缺陷不僅會(huì)減少材料的有效承載面積，也會(huì)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(guò)高會(huì)導(dǎo)致無(wú)法完全固溶， 產(chǎn)生較多偏析，也會(huì)減少材料的有效承載[10]。而Zn 含量超過(guò)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(shí)有一定的拉應(yīng)力作用時(shí)才會(huì)發(fā)生。黃銅線夾在加工時(shí)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(lái)臨或南方潮濕的空氣，都會(huì)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?yàn)樵牧辖M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(guò)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(kuò)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(jì)單位需對(duì)不同部位線夾的整體強(qiáng)度進(jìn)行校核，明確各部件材料牌號(hào)，盡量避免使用黃銅、鋁合金這類模糊概念，給制造單位過(guò)大的自由選擇空間。設(shè)計(jì)單位還應(yīng)對(duì)該部位強(qiáng)度根據(jù)實(shí)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(yàn)，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(bào)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(wèn)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(qiáng)對(duì)線夾的檢查，特別是在環(huán)境污染較大地區(qū)的雨季時(shí)節(jié)，黃銅線夾發(fā)生季裂的概率較大。