500kV垂直伸縮式隔離開關導電臂斷裂原因分析

李少逸 林杰歡 梁永純 郭 琳

（廣東電網有限責任公司惠州供電局，惠州 516001）

500kV垂直伸縮式隔離開關導電臂斷裂原因分析

李少逸 林杰歡 梁永純 郭 琳

（廣東電網有限責任公司惠州供電局，惠州 516001）

采用宏觀檢查、光譜分析、硬度試驗、金相試驗、掃描電鏡及能譜分析等方法，對隔離開關導電臂的斷裂原因進行分析。分析結果認為，該導電臂采用的2系列鋁合金耐蝕性差，長期受腐蝕剝層，使構件強度降低而發生斷裂。

隔離開關 導電臂 T2系列鋁合金 剝層腐蝕 斷裂

引言

某變電站監控系統發出“500kV II母母差保護I裝置報警”“500kV II母母差保護II裝置報警”報文。后工作人員現場巡視發現，一組母線側垂直伸縮式隔離開關A相動靜觸頭已經分開，上導電臂完好，下導電臂上端完全折斷，一頭掉落在隔離開關與斷路器之間連接導線上，隔離開關B、C相正常。刀閘型號為TFB 525 pc 125+1E。根據廠家資料，該型號刀閘導電臂采用鋁合金材質。由于廠家提供的原始技術資料欠缺，決定從現場再拆下同年出廠的完好隔離開關導電臂，對斷裂的A相、完好的B、C相及另外一組完好的隔離開關導電臂進行理化檢驗，對照查找導電臂斷裂的原因。現予以介紹。

1 試驗方法與結果

1.1 宏觀檢查

1.1.1 斷裂導電臂

導電臂采用圓柱空心鋁合金材質，斷裂導電臂宏觀形貌、斷口宏觀形貌分別見圖1、圖2。

圖1 斷裂導電臂宏觀形貌

圖2 斷裂導電臂斷口宏觀形貌

由圖1、圖2可見，斷裂導電臂斷裂位置離焊接口約30mm，外部有青苔痕跡，由內而外氧化、鼓脹、剝層腐蝕嚴重，斷口附近的導電臂內壁布滿白色斑點，斷口呈多層松散結構，片狀鋁合金用手輕輕捏碰隨即脫落，用手一壓即成粉狀。

1.1.2 完好導電臂

導電臂上下各有一個直徑約3mm的排水孔，上排水孔距最頂端約30mm，在管的最頂端也有一個小孔，下排水孔距離最底端約50mm。完好導電臂宏觀形貌及橫截面見圖3。

圖3 完好導電臂宏觀形貌及橫截面

由圖3可見，完好導電臂未見青苔、鼓脹、裂紋。切開后，導電臂內側光亮，受腐蝕情況不明顯。

1.2 光譜分析試驗

1.2.1 取樣情況

對運行中發生斷裂的隔離開關和另外一組完好的隔離開關導電臂取樣進行檢驗分析，結果如表1所示。

表1 取樣情況

1.2.2 試驗結果

采用島津PDA-7000型火花光電直讀光譜儀對試樣1-3，用Niton手持式合金分析儀對試樣4-11進行材質分析，結果見表2。

由表1可知，試樣1、2的成分中含有較高含量的Cu元素，而試樣3中Cu元素含量較少。由于廠家未提供材料的設計材質，根據試驗室成分分析結果可以推測，試樣1和試樣2的材質接近GB/T 3190-2008《變形鋁及鋁合金化學成分》中2系列鋁合金（牌號為2014），試樣3的材質接近6系列鋁合金（牌號為6351）。

表2 試樣光譜分析結果（w t%）

由以上表2檢驗數據，可初步判別各檢驗的隔離開關導電臂的金屬材質，如表3所示。

表3 導電臂金屬材質

1.3 洛氏硬度試驗

用XHV-V3.0型全自動顯微硬度計對試樣1-3進行硬度試驗，試驗力標稱值選用1.961N，硬度符號為HV0.2，結果見表4。

表4 試樣硬度試驗結果

由表4可知，屬2系列鋁合金的1號和2號樣品的力學性能相同，屬6系列鋁合金的3號樣品與1、2號不同，硬度稍遜。

1.4 金相試驗

分別對送檢樣品1-3取樣、磨制、拋光和浸蝕后，采用Leica DMI3000M金相顯微鏡觀察拍照，金相試驗結果見圖4、圖5。圖4所示為隔離開關A相斷裂導電臂雙臂的組織形貌照片（試樣1），為α（Al）固溶基體上有黑色的雜質相和灰色的強化相Al2Cu。圖5所示為隔離開關B相未斷裂的導電臂的組織形貌照片（試樣2），為α（Al）固溶基體上析出大量的化合物質點。

圖4 試樣1組織形貌

圖5 試樣3組織形貌

1.5 掃描電鏡及能譜分析

將斷口腐蝕產物在Hitachi S-3400N型掃描電子顯微鏡（SEM）下進行觀察及能譜分析。從試驗結果可以看出，腐蝕產物中以Al2O3為主，同時含有一定量具有腐蝕性的Cl離子和S離子，如圖6所示。

2 分析與討論

從宏觀檢查的結果看，發生斷裂的隔離開關導電臂為鋁合金材質。鋁合金在存在腐蝕介質的情況下會產生腐蝕，長期腐蝕導致導電臂管壁厚度不斷減薄，進而導致承應力下降，低于導電臂設計受力要求而斷裂。

從導電臂的結構看，導電臂上下各有一個直徑約3mm的排水孔，上排水孔距最頂端約30mm，在管的最頂端也有一個小孔，下排水孔距離最底端約50mm。因此，當雨水進入排水孔后，會殘留一部分在最下端。這部分水受熱（陽光照射等）后，會產生水蒸氣向上升。大部分水蒸氣會從排水孔排出，

圖6 腐蝕產物能譜分析

但仍有部分水蒸氣殘留在最頂端。由于水蒸汽中含有腐蝕介質（大氣中含有硫離子、氯離子的化合物），因此這些含有腐蝕介質的水份長期存在是導致金屬腐蝕的重要原因。

從光譜分析的結果看，斷裂樣品中的鋁合金中含有較高含量的Cu元素。Cu元素在鋁合金中會形成Al2Cu相，是影響合金的耐蝕性能的重要指標，因此斷裂的導電臂耐蝕性能較低。斷裂樣品屬2系列鋁合金，其材質耐蝕性較差，不適合在戶外（特別是沿海地區）設備中使用。

從金相試驗的結果看，斷裂樣品中的鋁合金中含有的Al2Cu相，此種析出相的周圍是合金鈍化膜的薄弱點。一旦暴露于腐蝕介質中，此處的鈍化膜首先破裂并難以愈合，繼而導致材料不斷被腐蝕。

從掃描電鏡及能譜分析的結果看，腐蝕產物中以Al2O3為主，同時含有一定量具有腐蝕性的Cl離子和S離子，而Cl離子和S離子是大氣中存在的化學物，這些腐蝕介質長期腐蝕金屬。

3 結論

發生斷裂的導電臂材質為屬2系列鋁合金。該材質耐蝕性差，不適合在戶外（特別是沿海地區）的設備中使用。同時，導電臂結構設計存在缺陷，導電臂管預留的排水口長期留有腐蝕性水汽的隱患；導電臂長期受腐蝕，管壁厚度不斷剝層減薄，降低導電臂的強度，導致無法承受正常的工作應力而發生斷裂。

4 后續處理建議

（1）開展對同批次隔離開關更換改造；

（2）開展各廠家型號隔離開關導電臂金屬材質普查工作，逐步對2系列鋁合金材材料隔離開關導電臂進行更換；

（3）加強隔離開關金屬材質品控管理，編制隔離開關金屬材料的技術要求，對今后入網運行的隔離開關，各金屬部件禁止選用2系列鋁合金材料。

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Fracture Analysis of the Conductive Arm of the 500kV Vertical Telescopic Isolation Switch

LI Shaoyi, LI Jiehuan, LIANG Yongchun, GUO Lin
(Guangdong Power Supply Bureau, Huizhou Power Grid Co., Ltd., Huizhou 516001)

The fracture causes of the conducting arm of the isolation switch were analyzed by means of macroscopic examination, spectrum analysis, hardness test, metallographic test, scanning electron microscope and energy spectrum analysis. The analysis results show that the corrosion resistance of the 2 series aluminum alloy is poor, and the strength of the component is broken because of the corrosion layer.

isolation switch, conductive arm, T2 series aluminum alloy, stripping layer corrosion, fracture