變壓器出線套管線夾開裂事故分析與預防

胡潔梓，羅宏建，張 杰，周宇通，鄒君文

（國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014）

0 引言

設備線夾主要用于母線引下線與電氣設備的出線端子連接以及電氣設備之間的連接，由固定絞線部分和電氣設備連接部分組成，前者為管形結構或者壓蓋和線槽結構，后者為端子板（接線板）結構[1]。設備線夾按材質又可分為銅鋁過渡設備線夾和鋁設備線夾，設備多采用銅管/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，管形結構和端子板之間的接合處始終是一個薄弱環節，此處在加工過程中容易形成缺陷，在使用過程中容易產生失效，進而危及設備安全[3-4]。

自開展電網金屬監督工作以來，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行分析，并為相關設計生產廠家以及電網建設和運維單位提供參考[6]。

1 宏觀檢查

圖1 是某主變壓器（以下簡稱“主變”）B 相35 kV 側出線套管線夾（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。

圖2 是另一主變110 kV 套管線夾（2 號線夾）裂紋宏觀照片，裂紋由外壁延伸至內壁，已貫穿。開裂處位于線夾的變截面部位，且貫穿整個部件。

圖1 1 號線夾裂紋宏觀照片

圖2 2 號線夾裂紋宏觀照片

圖3（3 號線夾）和圖4（4 號線夾）是同一主變發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構和端子板結合位置，且裂紋都沿45°方向貫穿壁厚。

圖3 3 號夾裂紋宏觀照片

圖4 4 號線夾裂紋宏觀照片

綜上，這幾起線夾開裂位置均位于變截面、變弧處等應力集中處。

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Axiovert 200 MAT 研究級大型金相顯微鏡下觀察和拍照，結果如下：

1 號線夾內部裂紋與金相組織如圖5 所示，裂紋沿晶擴展，內部原始小缺陷眾多，且多平直；內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）析出相三相構成，屬于HPb59-1 黃銅的正常金相組織。

圖5 1 號線夾內部裂紋金相照片

2 號線夾內部裂紋與金相組織如圖6 所示，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。

圖6 2 號線夾內部裂紋金相照片

3 號、4 號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體，在SEM（掃描電子顯微鏡）的高倍視場下析出相更明顯（見圖9 和圖10），成分待測定。

圖7 3 號線夾斷口邊緣金相照片

圖8 4 號線夾斷口邊緣金相照片

圖9 3 號線夾金相樣SEM 圖

圖10 4 號線夾金相樣SEM 圖

3 材質分析

材質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 牌號材質基本相符（Pb 略偏高，而GB/T 5231-2012《加工銅及銅合金牌號和化學成分》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 含量遠高于鉛黃銅對Pb 的要求（GB/T 5231-2012 根據所有鉛黃銅中Pb 含量不得超過4.5%），見表1。這幾起材質分析結果表明，線夾普通存在材質不清、錯用等問題。

4 能譜微區分析

選取3 號、4 號線夾的金相試樣在SEM 下觀察，結果分別如圖9 和圖10 所示。將凹坑位置標注Ⅰ區、晶界位置組織標注Ⅱ區、母材α 相標注Ⅲ區。對以上三區采集數據進行能譜分析，結果如表2 和表3 所示，Ⅰ區即凹坑位置也就是金相照片中的黑色雜質，成分以Pb 為主，Cu（銅）和Zn（鋅）含量遠小于黃銅中所占比例；Ⅱ區和Ⅲ區含量接近，基本就是銅鋅合金。能譜結合光譜成分結果，Pb 含量遠高于鉛黃銅系列對Pb 的標準要求，組織中的黑色雜質是鑄件中過量未完全固溶的Pb，Pb 雜質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，如圖11 所示。對譜圖1 裂紋位置，采集數據進行能譜分析，結果如表4 所示，裂紋中含有較高濃度的Cl（氯），促使黃銅發生腐蝕開裂，在裂紋中的腐蝕產物成分也較為復雜[7]。

表2 3 號線夾樣能譜分析結果（質量百分比）%

表3 4 號線夾樣能譜分析結果（質量百分比）%

圖11 4 號線夾金相樣裂紋SEM 圖

表4 4 號線夾樣裂紋能譜分析結果（質量百分比）%

5 分析與討論

對線夾的宏觀檢查、材質分析和金相分析等結果表明，這3 起案例中的失效線夾材質均屬于銅合金，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、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，接線板與線夾結合處就是厚大截面，是一個典型的熱節部位。此外，在澆注、凝固過程中，熔體在接合處改變流動方向，也使得熱節部位易產生縮孔、縮松等缺陷。這些鑄造缺陷在金相分析中已經得到證實，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 含量過高會導致無法完全固溶， 產生較多偏析，也會減少材料的有效承載[10]。而Zn 含量超過15%的黃銅較易發生應力腐蝕現象， 稱為季裂，這種應力腐蝕斷裂只有金屬材料在一定的腐蝕介質中并同時有一定的拉應力作用時才會發生。黃銅線夾在加工時產生的殘余內應力，結合外載荷工作應力，當外部存在一定腐蝕環境，如雨季的來臨或南方潮濕的空氣，都會增大黃銅出現季裂的概率[11-12]。

6 結論和建議

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]，裂紋缺陷較易在應力集中部位產生，加之Pb 含量過高產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成分和性能指標差異極大，設計單位需對不同部位線夾的整體強度進行校核，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。設計單位還應對該部位強度根據實際工況進行校核，明確線夾的材質信息和加工工藝[15]。

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

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

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