變壓器出線套管線夾開裂事故分析與預防

蔡莉姿

摘要：21世紀電力電網(wǎng)的迅猛發(fā)展已經(jīng)成為我國經(jīng)濟建設(shè)快速增長的強效助推劑，而電力設(shè)備特別是主變壓器設(shè)備的運行質(zhì)量是影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要因素，近幾年浙江省主變壓器套管線夾開裂事故頻發(fā)，對電網(wǎng)的可靠性和設(shè)備運維工作提出了更高的要求。

關(guān)鍵詞：變壓器;出線套管線夾開裂;事故分析與預防

引言

隨著人們生活水平和經(jīng)濟發(fā)展水平的不斷提高，對于電力需求與日俱增，電網(wǎng)安全顯得尤為重要。主變壓器及其附屬設(shè)備質(zhì)量問題造成的設(shè)備事故中，出線套管線夾開裂事故占據(jù)過半數(shù)比例。據(jù)了解，主變設(shè)備出線套管線夾按材質(zhì)又可分為銅鋁過渡設(shè)備線夾和鋁設(shè)備線夾，現(xiàn)有運行設(shè)備多采用銅管/鋁管焊接端子板或整體鑄造的方法加工。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，進而危及設(shè)備安全。

1宏觀檢查

在近期發(fā)生的主變壓器（以下簡稱“主變”）出線套管線夾事故中，我選取了三起典型的事故進行宏觀檢查。一是某變電站一臺500kV主變B相35kV側(cè)出線套管線夾（1號線夾）裂紋的局部照片，如圖1，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)。二是另一主變110kV套管線夾（2號線夾）裂紋宏觀照片，如圖2所示，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。這三起典型事故是同一主變發(fā)生的多起套管線夾碎裂事故中的其中兩個失效線夾，如圖3（3號線夾）和圖4（4號線夾）所示，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，這三起典型線夾開裂位置均位于變截面、變弧處等應力集中處。

2變壓器套管引出線及出線結(jié)構(gòu)特點介紹

①低壓線圈導線（1）軸向出線后以一角度（避開夾件腹板下邊沿）從線圈壓板的豁口引出，沿線圈壓板向變壓器油箱側(cè)水平布置，直到伸出線圈壓板邊沿第一距離后再向下方垂直布置到第二距離，最后向兩邊（a，x各走一邊）水平布置到低壓引線接線端子（4），與銅排（3）連接，再由銅排（3）引出到低壓套管接線板（8）上。②銅排到低壓套管接線板（8）之間的連接采用銅接線腳（7）上固接軟銅接線片（6）的結(jié)構(gòu)，接線腳（7）一端連接低壓套管接線板（8），軟銅接線片（6）一端連接銅排（3）。③在低壓升高座（11）壁上固接無磁鋼腳板（10），以接線腳夾持件（9）做為裝配夾持件對接線腳（7）進行固定和限位。④在靠近低壓套管接線板處固接冷卻器相連的冷卻聯(lián)管（12）。如圖五，圖六所示。

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。這三起線夾事故中，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%）。這三起材質(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。

5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。將凹坑位置標注Ⅰ區(qū)、晶界位置組織標注Ⅱ區(qū)、母材α相標注Ⅲ區(qū)。對以上三區(qū)采集數(shù)據(jù)進行能譜分析，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含量遠高于鉛黃銅系列對Pb的標準要求，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。對裂紋位置，采集數(shù)據(jù)進行能譜分析，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)物成分也較為復雜。

6建議

（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(shè)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(shè)計單位還應對該部位強度根據(jù)實際工況進行校核，明確線夾的材質(zhì)信息和加工工藝。（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(jié)晶退火和去應力退火的工藝報告，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行必要的外觀及探傷檢查，避免因零部件缺陷導致設(shè)備存在安全隱患。（4）使用單位應加強對線夾的檢查，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)生開裂的概率較大。

結(jié)語

綜上所述，這三起銅制線夾失效事故是因為原材料組織疏松，裂紋缺陷較易在應力集中部位產(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。

參考文獻

[1]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.