變壓器出線套管線夾開裂事故分析與預防

蔡莉姿

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

關鍵詞：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濟發展水平的不斷提高，對于電力需求與日俱增，電網安全顯得尤為重要。主變壓器及其附屬設備質量問題造成的設備事故中，出線套管線夾開裂事故占據過半數比例。據了解，主變設備出線套管線夾按材質又可分為銅鋁過渡設備線夾和鋁設備線夾，現有運行設備多采用銅管/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。

1宏觀檢查

在近期發生的主變壓器（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。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構和端子板結合位置，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構特點介紹

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）的結構，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管（12）。如圖五，圖六所示。

3材質分析

材質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根據所有鉛黃銅中Pb含量不得超過4.5%）。這三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，結果如下：1號線夾內部裂紋與金相組織，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。2號線夾內部裂紋與金相組織，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、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。對裂紋位置，采集數據進行能譜分析，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。

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。（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。（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，黃銅線夾發生開裂的概率較大。

結語

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。

參考文獻

[1]徐雪霞，歐陽杰，馮硯廳，等.設備線夾開裂失效原因分析[J].金屬鑄鍛焊技術，2011，40（13）：160-163.