某變電站電容式電壓互感器附件L型接線板的斷裂原因

韓紀層，何 建，林德源，邵艷群，鄭躍勝

(1.國網福建省電力有限公司電力科學研究院，福州 350007；2.國網強臺風環境抗風減災實驗室(培育)，福州 350007；福州大學3.材料科學與工程學院，4.電氣工程與自動化學院，福州 350116)

0 引 言

電力金具是連接和組合電力系統中的各類裝置，起到傳遞機械負荷、電氣負荷及某種防護作用的金屬附件。電力金具的質量、正確安裝與否均對電網設備的安全穩定運行具有十分重要的影響。由于電力金具長年暴露在自然環境中遭受環境的侵蝕以及受到各種外力作用，因此經常會發生失效事故[1-6]。目前，雖然工廠對原材料的質量控制越來越嚴格，但仍然存在很多電力金具遠未達到其設計壽命而失效的事故[7-9]。

2018年，福建省沿海某變電站2號并聯電抗器500 kV側電容式電壓互感器(CVT)附件L型接線板在臺風中發生突然斷裂。接線板用材料為ZL101鋁合金，經過砂型鑄造、T6熱處理制造而成，其生產過程符合工藝要求。為防止此類事故的再次發生，作者對L型接線板進行失效分析，并對其受力情況進行有限元模擬，以為相關生產廠家以及電網建設和運維單位提供試驗參考。

1 理化檢驗及結果

1.1 宏觀形貌

由圖1可以看出，接線板與CVT及出線線夾通過螺栓連接，出線線夾較厚，其厚度約為接線板的2倍，接線板中間有加強筋。觀察發現，接線板所連接的引線較長，且處于松弛狀態。在強臺風環境中，引線會發生劇烈舞動，從而產生交變應力，并通過出線線夾傳遞到接線板上。

圖1 接線板結構示意

由圖2可知：接線板在其與CVT頂端的連接側斷裂，接線板與CVT頂端凸臺的接觸面有一條小裂紋，接線板在沿A到B的方向發生開裂；接線板由向內45°轉換到向外45°開裂，說明接線板不是單一方向受力，而是多個方向受力；在接線板的螺栓孔處，接線板與CVT頂端凸臺有明顯的摩擦痕跡(圓圈所示位置)，并形成明顯的壓痕，說明該處的接線板發生了塑性變形。塑性變形會導致該處截面積減小，所受應力增加，導致接線板發生脆性斷裂。

圖2 失效接線板的宏觀形貌

1.2 化學成分

在接線板斷裂位置附近取樣，按照GB/T 7999-2015，采用Bruker Q8型固定式金屬元素分析儀對其化學成分進行分析。由表1可知，失效接線板的化學成分滿足GB/T 1173-2013的規定，也符合采購要求[10-12]，但硅含量處在規定值的上限。

表1 失效接線板的化學成分(質量分數)

1.3 物相組成

采用MiniFlex 600型X射線衍射儀(XRD)對失效接線板進行物相分析，采用連續掃描模式，管電壓為40 kV，管電流為15 mA，掃描范圍為5°～85°。由圖3可知，該接線板主要由鋁相和硅相組成，未檢測到其他物相。

圖3 失效接線板的XRD譜

1.4 顯微組織與斷口形貌

在接線板斷裂位置附近截取金相試樣，經打磨、拋光，用Keller溶液(1 mL HF+1.5 mL HCl+2.5 mL HNO3+95 mL H2O)腐蝕后，在光學顯微鏡(OM)上觀察顯微組織。由圖4(a)可知：接線板的顯微組織主要由共晶硅和鋁基體組成，與XRD分析結果一致，表明該合金未經變質處理；共晶硅分布在基體鋁相的晶界處，晶粒尺寸較大，約為100 μm，主要呈球狀、板條狀和長片狀。板條狀與長片狀的共晶硅為脆性相，割裂了晶粒的延續性，對材料性能有不利影響。

采用SUPRA 55型場發射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察失效接線板斷口形貌，并利用附帶的能量色散X射線能譜儀(EDS)進行微區成分分析。由圖4(b)～圖4(d)可以看出：接線板斷口上未見氧化物，說明斷口新鮮；斷口表面有較多微裂紋，未見明顯韌窩，說明接線板的斷裂類型主要為脆性斷裂；裂紋兩側主要為硅元素，推測裂紋沿晶界處共晶硅相延伸擴展；微量鐵元素的分布范圍較廣，但分布不均勻，在裂紋萌生處分布較多，同時未檢測出鎂元素。失效接線板斷口微區域含有過量硅元素和鐵雜質元素，說明合金中存在粗大AlFeSi第二相顆粒，粗大的第二相顆粒是應力集中和裂紋萌生之處[13-16]。

圖4 失效接線板斷口附近的顯微組織與斷口SEM形貌及元素面掃描結果

1.5 硬 度

按照GB/T 231.1-2009，采用UH250型布洛維硬度計對失效接線板斷口附近的硬度進行測試。測得失效接線板的平均硬度為92 HBW，最小硬度為85 HBW，符合GB/T 1173-2013標準規定的經砂型鑄造、T6熱處理后ZL101合金的硬度不小于70 HBW的要求。

1.6 拉伸性能

按照GB/T 228.1-2010，在失效接線板上截取標準拉伸試樣，在CMT5205型微機控制電子萬能試驗機上進行拉伸試驗，拉伸速度為1.5 mm·s-1。由表2可知，該接線板的拉伸性能符合GB/T 1173-2013標準的要求。

表2 失效接線板的拉伸性能

1.7 受力情況分析

為方便分析，將接線板與出線線夾連接的螺栓孔依次標記為C1，C2，C3，C4，將L接線板與CVT頂端連接的螺栓孔依次標記為D1，D2，D3，D4，如圖5(a)所示。由圖5可以看出，C1，C2，C3，D1，D2螺栓孔均與螺栓發生摩擦，螺栓孔處留下螺紋磨損痕跡。對螺紋痕跡分析可以判斷出，該接線板在臺風作用下受到明顯的扭矩與拉力作用而產生塑性變形。

圖5 失效接線板上螺栓孔處的宏觀形貌

接線板在運行過程中，除受到出線線夾的重力和拉力作用外，在臺風環境中還受到出線線夾的扭轉作用。采用Ansys workbench 15.0有限元模擬軟件對接線板進行有限元建模并劃分網格，網格劃分采用三角形自由網格劃分，共劃分22 221個網格。接線板的有限元模型如圖6(a)所示。D1～D4螺栓孔固定，在C1～C4螺栓孔上施加1 kN的重力、1 kN的拉力以及1 kN·m的彎矩，然后進行有限元求解，得到接線板的等效應力分布，如圖6(b)所示。由圖6(b)可知，接線板在直邊與圓弧過渡處存在應力集中，而D1螺栓孔與CVT頂端凸臺邊緣接觸處的應力集中程度最大。

圖6 接線板的有限元模型及模擬得到的等效應力分布

2 斷裂原因分析

由上述檢驗結果可知，該接線板的化學成分與力學性能均符合標準要求，但因未經變質處理，顯微組織中存在尺寸較大的長片狀或板條狀共晶硅相和粗大的AlFeSi第二相顆粒。共晶硅分布在基體鋁相的晶界處，割裂了晶粒之間的連續性。微區成分分布不均勻，過量硅元素和鐵元素聚集形成了粗大的AlFeSi第二相顆粒，并成為應力集中和裂紋萌生處。接線板的設計厚度偏薄，在臺風的作用下，當引線劇烈舞動產生的扭矩和拉應力超過接線板的承載強度時，接線板會產生變形開裂。綜上所述，顯微組織中尺寸較大的長片狀或板條狀共晶硅相和粗大的AlFeSi第二相是接線板斷裂的主要原因，而結構設計不合理是其斷裂的另一原因。在引線因受臺風影響劇烈舞動產生的拉應力和扭矩作用下，接線板螺栓孔與CVT頂端凸臺邊緣接觸處的應力集中程度較大，微裂紋在應力集中位置的粗大第二相AlFeSi顆粒處萌生，然后沿脆性共晶硅相擴展，最終導致接線板發生脆性斷裂。

3 結 論

(1) CVT附件L型接線板的斷裂性質為脆性斷裂。接線板顯微組織中尺寸較大的長片狀或板條狀共晶硅和AlFeSi第二相是其斷裂的主要原因，而結構設計不合理是其斷裂的另一原因；在引線因受臺風影響劇烈舞動產生的拉應力和扭矩作用下，微裂紋在接線板螺栓孔與CVT頂端凸臺邊緣接觸處應力集中位置的粗大AlFeSi第二相顆粒處萌生，并沿脆性共晶硅相擴展，最終導致接線板發生脆性斷裂。

(2) 為避免類似事故發生，建議增加L型接線板的厚度或使用更高強度的鋁合金，以提高其整體強度；增加CVT頂端凸臺與接線板的接觸面積，避免凸臺邊緣與螺栓孔處應力的疊加；通過有限元模擬等方法進行零件受力分析，以指導產品的設計與開發。