特高壓變電站高壓電抗器地屏銅條斷裂原因分析

周宇通，王炯耿，張 杰，胡潔梓，梅 簡

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

特高壓變電站高壓電抗器地屏銅條斷裂原因分析

周宇通，王炯耿，張 杰，胡潔梓，梅 簡

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

某特高壓變電站1臺高壓電抗器地屏中的銅條異常斷裂，導(dǎo)致設(shè)備停運。運用SEM和EDS等技術(shù)對銅條斷裂原因進行了分析。結(jié)果表明：銅條斷口表面不存在撕裂棱、韌窩等塑性斷裂的典型特征；斷口附近組織的平均晶粒尺寸明顯大于遠離斷口的區(qū)域；粘附在銅條表面的黑色固態(tài)粘性物質(zhì)為絕緣紙的高溫碳化物。基于上述3點，可以判定銅條并非是機械振動拉斷，而是由于局部過熱熔斷的。

特高壓變電站；高壓電抗器；銅條；斷裂

0 引言

2016年5月下旬，某特高壓變電站1臺投運不到3年的高壓電抗器因再次出現(xiàn)乙炔含量突增而被迫停機，乙炔含量最高值達到19.1 μL/L。局部放電在線監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示該高壓電抗器在過去6個月內(nèi)出現(xiàn)了數(shù)次明顯的局部放電現(xiàn)象。而振動在線檢測的結(jié)果表明：在乙炔增長期，除鐵心振動以外還存在非鐵心振動引起的工頻振源。從以往的研究來看，局部放電現(xiàn)象在電抗器上并不罕見[1]，振動檢測也是判斷電氣設(shè)備狀態(tài)的一種通用方法[2]。

高壓電抗器采用雙器身串聯(lián)結(jié)構(gòu)，鐵心采用2個單相帶旁軛式結(jié)構(gòu)，心柱由鐵心餅組成。經(jīng)返廠解體檢查，在高壓電抗器內(nèi)部發(fā)現(xiàn)多處放電痕跡，并且其X柱地屏內(nèi)螺旋包覆在鐵心周圍的銅條發(fā)生多處斷裂。由于同時存在放電及振動的證據(jù)，銅條斷裂原因不明，這對制定相應(yīng)的維修方案造成了一定困難。同一廠家出產(chǎn)的相同設(shè)備也面臨相似風險，因而需對銅條進行詳細的宏觀及微觀分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀形貌分析

高壓電抗器地屏銅條的典型形貌如圖1所示。銅條寬約4 cm，厚度在微米級。發(fā)生斷裂的為X柱銅條，其兩端均存在不規(guī)則形狀的斷口。而A柱銅條并未發(fā)生斷裂，樣品是用剪刀直接剪下的，因而斷口十分平整。從兩者的表面狀況來看，未發(fā)生斷裂的A柱銅條之上包覆有絕緣紙層，并且在銅條表面，除膠水遺留下的少許痕跡（圖1（a）中央的深色區(qū)域）以及少數(shù)褶皺以外并未發(fā)現(xiàn)其他明顯異常情況。而斷裂的X柱銅條整體顏色偏暗，金屬光澤較A柱銅條明顯減弱。原本包覆在銅條上的絕緣紙層已消失，且其表面粘附有一層黑色的固體粘性物質(zhì)，覆蓋面積分數(shù)甚至超過了50%。這些粘性物質(zhì)的粘附力較強，需使用銼刀等專業(yè)工具才能將其從銅條表面清除。

圖1 高壓電抗器地屏銅條的宏觀形貌

1.2 金相分析

將X柱銅條的斷口部分鑲嵌制樣后自動打磨拋光，經(jīng)三氯化鐵鹽酸水溶液侵蝕約30 s后在Zeiss Axiovert 200型光學顯微鏡下觀察其金相組織，不同區(qū)域的典型金相組織如圖2所示。從圖中可以看出，經(jīng)拉拔及壓制成型等冷加工過程后，銅條中的晶粒（圖2中明暗程度不同的小區(qū)塊即為不同晶粒）普遍呈長條形，但不同區(qū)域的金相組織仍存在較大差異。在相同的長度標尺下，圖2（a）中大部分晶粒的長度都超過了100 μm，而圖2（b）中幾乎所有晶粒的長度均在100 μm以下。相同的視場面積下，后者圖中的晶粒數(shù)量遠遠多于前者。顯然，靠近斷口區(qū)域的平均晶粒尺寸明顯比遠離斷口區(qū)域的平均晶粒尺寸大很多。

1.3 SEM及EDS分析

將X柱銅條斷口樣品經(jīng)超聲清洗后于ZEISS EVO18型SEM（掃描電子顯微鏡）下攝取了相關(guān)微觀形貌的圖片，如圖3所示。從這些圖中可以看出，銅條斷口呈鋸齒狀，并不十分齊整，存在許多朝向不同方向的翻邊（如圖3（a）所示）。相較于A柱銅條，X柱銅條斷口處的厚度并沒有明顯減薄（如圖3（c）所示）。斷口表面形成了許多圓弧形的坑洞，將放大倍數(shù)提高至1000倍后也并未在坑洞附近發(fā)現(xiàn)撕裂棱、韌窩等塑性斷裂所具備的典型特征（如圖3（b）及圖3（d）所示）。與此同時，通過EDS（能譜儀）分析了粘附在X柱銅條表面黑色固態(tài)粘性物質(zhì)的化學成分。這些物質(zhì)在電子顯微鏡下呈干涸龜裂的土地狀。分析區(qū)域及分析結(jié)果分別如圖4及表1所示。排除基體材料Cu之外，從黑色固態(tài)粘性物質(zhì)中只分析出了C及O 2種元素，且兩者的含量基本相等，其質(zhì)量分數(shù)均在23%左右。

圖2 斷裂的X柱銅條光學顯微結(jié)構(gòu)

2 分析與討論

高壓電抗器是變電站的常見設(shè)備之一，其實質(zhì)即為電感[3]。一般來說，會在螺旋包圍的銅片中心插入鐵心以提高所形成的磁場強度。電抗器在運行中由于電磁感應(yīng)不可避免地會存在一定的振動。振動在線檢測中即發(fā)現(xiàn)了除鐵心振動以外的工頻振源。若振動情況嚴重，圍繞在鐵心四周的銅條就有可能在過大的振動幅度中損壞，甚至導(dǎo)致銅條拉斷。銅元素為面心立方結(jié)構(gòu)，滑移系眾多，塑性很好，低溫脆性傾向也不明顯。林陽洋等人的研究表明[4]，銅基材料即使在800～1000℃的高溫條件下被拉斷，斷口上依然有韌窩存在。因此，若此次事故中的銅條是被拉斷的，在斷口上一定存在塑性變形的典型特征——撕裂棱和韌窩[5]。但SEM微觀形貌顯示X柱銅條斷口表面并無撕裂棱或韌窩的存在，因此判定斷口特征不符合韌性斷裂，可以排除銅條是在鐵心振動過程中被塑性拉斷的。同時，金相分析結(jié)果顯示，X柱銅條靠近斷口區(qū)域的平均晶粒尺寸要比遠離斷口區(qū)域的平均晶粒尺寸大很多。考慮到局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)在過去半年間采集到的數(shù)次明顯局部放電現(xiàn)象，高壓電抗器解體檢查過程中也在其內(nèi)部發(fā)現(xiàn)多處放電痕跡，可以推斷斷口附近區(qū)域的組織應(yīng)經(jīng)歷過最高溫度大于0.4Tm=434℃的熱循環(huán)[6]。由于溫度較高，在熱循環(huán)過程中，該區(qū)域的晶粒依次發(fā)生了回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長大過程，因而其平均晶粒尺寸較其他區(qū)域得到了顯著增長。從其金相組織來看，銅條斷裂前應(yīng)較長時間處于高溫狀態(tài)。根據(jù)火災(zāi)科學對銅導(dǎo)線熔痕微觀形貌特征的研究成果，火燒熔痕中多層銅片會呈粘連狀態(tài)，并且斷口處會形成直徑較大的熔珠。而對于短路熔痕，其斷口表面一般會存在大小不一、分散程度各異的氣孔[7-8]。比較來看，此次斷裂銅條的斷口形貌與火燒熔痕及短路熔痕均不相符。綜合分析上述結(jié)果，銅條很可能是在放電條件下，由于電流過載，長時間過熱而被熔斷的。

圖3 X柱銅條斷口的SEM微觀顯微形貌

圖4 EDS分析區(qū)域及分析結(jié)果

表1 黑色固體粘性物質(zhì)的EDS分析結(jié)果

此外，根據(jù)對銅條表面黑色固態(tài)粘性物質(zhì)的EDS分析結(jié)果，知其主要組成元素為C及O兩種。由于H元素質(zhì)量太輕無法在EDS分析中被檢出，因而推測黑色粘性物質(zhì)的真實化學成分很可能由C，H及O這3種元素組成，并且其中C元素和O元素的構(gòu)成比例相同或十分接近。上述2點特征均與絕緣紙主要成分木質(zhì)纖維素（含有木糖C5H10O5及葡萄糖C6H10O6）的化學分子式（C5H10O5）n高度吻合[9]，因而可以確定黑色固態(tài)粘性物質(zhì)是由原本覆蓋在銅條上的絕緣紙在高溫放電條件下碳化而形成的。這也能較好地解釋為什么宏觀檢查時斷裂的X柱銅條表面絕緣紙會缺失以及為什么黑色固態(tài)粘性物質(zhì)與銅條結(jié)合得較好的實驗現(xiàn)象。

3 結(jié)論

此次特高壓變電站高壓電抗器地屏X柱銅條是由于局部放電，長時間溫度過高而熔斷的，并非鐵心振動引起的機械振動拉斷。這從銅條斷口區(qū)域的平均晶粒尺寸比遠離斷口區(qū)域的平均晶粒尺寸大以及銅條斷口表面不存在撕裂棱或韌窩等塑性變形特征2點證據(jù)上可以得到印證。而粘附在X柱銅條表面的黑色固態(tài)粘性物質(zhì)是原本覆蓋在銅條之上的絕緣紙在高溫放電條件下碳化所形成的。此次銅條斷裂原因的確定對之后維修方案的制定、同類事故的預(yù)防以及設(shè)備結(jié)構(gòu)的改進有所幫助。

[1]何毅帆.基于流體分析的并聯(lián)電抗器局部放電的識別與定位研究[J].浙江電力，2015，34（9）∶10-14.

[2]何文林，邵先軍，趙壽生，等.面向?qū)ο蟮倪\行中變壓器抗短路能力評估方法與應(yīng)用研究[J].浙江電力，2016，35（7）∶1-7.

[3]周勤勇，郭強，馮玉昌，等.可控高壓電抗器在西北電網(wǎng)的應(yīng)用研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（6）∶48-52.

[4]林陽洋，宋克興，國秀花.Al2O3/Cu復(fù)合材料的高溫拉伸性能研究[J].鑄造技術(shù)，2005，26（10）∶959-962.

[5]張繼東，李才巨，朱心昆，等.大塑性變形對純銅力學性能的影響[J].云南冶金，2007，36（1）∶56-68.

[6]趙品.材料科學基礎(chǔ)教程[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2009.

[7]王蕓，安曉利，魏星，等.銅導(dǎo)線短路熔痕微觀形貌特征分析與研究[J].火宅科學，2008，17（1）∶44-48.

[8]楊曉紅.火燒熔痕與短路熔痕形態(tài)特征差異研究[J].遼寧大學學報自然科學版，2014，41（3）∶230-234.

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（本文編輯：方明霞）

Cause Analysis on Copper Bars Fracture of a High-voltage Reactor Ground Screen of Ultra-high Voltage Substation

ZHOU Yutong，WANG Jionggeng，ZHANG Jie，HU Jiezi，MEI Jian
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

Copper bars of a high-voltage reactor ground screen located in an ultra-high voltage substation fractured，resulting in equipment shutdown.SEM （scanning electron microscopy），EDS（energy dispersive X-ray spectrometer）and other techniques are adopted to analyze the reasons of copper bars fracture.The results indicate that no tearing ridge and dimple can be found on the surface of the fracture.The average grain size of the regions near the fracture is much larger than that of the regions far away from the fracture.The black solid sticky substance on copper bar surface is carbide of electrical insulating paper.Based on the above three points，it can be inferred that the copper bars are fused due to local overheating instead of mechanical vibration.

ultra-high voltage substation；high-voltage reactor；copper bar；fracture

TM47

：B

：1007-1881（2017）03-0013-04

2016-10-10

周宇通（1987），男，工程師，博士，主要從事電力系統(tǒng)所涉及金屬材料的試驗研究和失效分析。