500 kV變電站斷路器導氣管接頭開裂原因

黃 蓉, 王 軍, 謝 億, 馮 超

(1.湖南省湘電試驗研究院有限公司, 長沙 410004； 2.國網湖南省電力公司 電力科學研究院, 長沙 410007)

高壓六氟化硫斷路器是變電站的主要電力控制設備。電力系統發生故障時，斷路器和繼電保護配合，迅速地切除故障電路，保證系統安全運行；電力系統正常運行時，斷路器能切斷和接通高壓電路中的空載電流和負載電流[1]。高壓六氟化硫斷路器是采用高絕緣性能的六氟化硫氣體作為絕緣和滅弧介質的新型高壓斷路器，具有工作電流大、開斷能力強、絕緣水平高和斷口電壓高等傳統油斷路器和壓縮空氣斷路器無法比擬的優點[2]，被廣泛地應用于電力系統。

2021年5月，某500 kV變電站高壓六氟化硫斷路器發生泄壓故障，集控站監控發現斷路器低氣壓告警，六氟化硫分合閘閉鎖?，F場檢查發現B相斷路器導氣管接頭部位開裂，無法通過補氣修復，開裂部位如圖1所示。該斷路器為LW35-252型設備，服役時間約為兩個月；該斷路器導氣管及其接頭材料均為黃銅。

圖1 斷路器導氣管接頭處開裂宏觀形貌

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

導氣管接頭沿橫截面呈不規則開裂，斷口表面大部分區域呈現明顯的黑色，斷裂接頭的宏觀形貌如圖2所示。

圖2 斷裂導氣管接頭的宏觀形貌(虛線框內區域呈黑色)

1.2 化學成分分析

根據YS/T 482—2005 《銅及銅合金分析方法 光電發射光譜法》，采用直讀光譜儀對導氣管接頭進行化學成分分析。根據GB/T 5231—2012 《加工銅及銅合金牌號和化學成分》，接頭材料大致確定為HPb59系列，但是鐵元素和雜質含量的實測值大于GB/T 5231—2012標準規定范圍，具體化學成分分析結果如表1所示。

表1 化學成分分析結果 %

1.3 硬度測試

依據標準GB/T 4340.1—2009 《金屬維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，采用維氏硬度計對導氣管接頭進行硬度測試，其平均硬度為157 HV，維氏硬度測試結果見表2。

表2 維氏硬度測試結果 HV

1.4 金相檢驗

采用三氯化鐵+鹽酸+乙醇溶液對拋光后接頭的表面進行侵蝕，然后在光學顯微鏡下觀察導氣管接頭的顯微組織[3]。從圖3可以看出，試樣的顯微組織是由灰色基體β相+白色針條狀α相+彌散分布的黑色點狀鉛顆粒組成。該組織晶粒異常粗大，同時白色針條狀α相沿晶界呈網絡狀分布。粗晶組織會降低材料的力學性能，沿晶界網絡狀分布的針條狀α相會降低合金晶界的結合能力，以上兩種情況均容易使導氣管接頭在服役過程中產生沿晶開裂缺陷。

圖3 導氣管接頭顯微組織形貌

1.5 掃描電鏡和能譜分析

采用掃描電鏡觀察導氣管接頭斷口表面的微觀形貌，掃描區域如圖4所示，斷口微觀形貌如圖5所示。同時對宏觀斷口處黑色、黃色及其交界區域進行能譜分析，能譜分層圖像如圖6所示，其中，鉛元素分布呈現明顯的宏觀偏析現象。表3是能譜分析面總譜圖和分布區1～4的元素含量，由表3可知，在分布區1和分布區3的鉛元素含量明顯高于分布區2和分布區4的鉛元素含量，整個斷口區域的鉛元素總含量也明顯高于工件的平均鉛元素含量(1.87%)。鉛元素分布情況如圖7所示，由圖7可以看出:斷口黑色區域的鉛元素含量明顯高于黃色區域，存在鉛元素宏觀偏析現象，這會導致導氣管接頭的塑性降低，脆性增強，易產生開裂缺陷。對斷口表面微觀形貌進行分析,可見較多的微小裂紋(見圖8)。

圖4 斷口電鏡掃描區域

圖5 斷口微觀形貌

圖6 斷口處黑色、黃色及其交界區域能譜分層圖像

圖7 鉛元素能譜分布圖像

圖8 斷口表面微觀形貌

表3 能譜分析面總譜圖和分布區1～4的元素含量 %

對顯微組織的α相和β相腐蝕后進行掃描電鏡和能譜分析，在晶界處可看到針條狀分布的α相，α相和β相能譜圖未見異常(見圖9～11)。

圖9 掃描電鏡下的α相和β相微觀形貌

圖10 α相能譜圖

圖11 β相能譜圖

1.6 氨熏試驗

對尚未安裝的全新導氣管接頭采用氯化銨24 h試驗法進行氨熏試驗，試驗前將試樣分為兩組,分別施加安裝預應力和未施加安裝預應力。從氨熏試驗結果可知，施加安裝預應力的黃銅接頭表面有明顯裂紋，而未施加應力的黃銅接頭表面也存在微裂紋缺陷(見圖12)。由圖12可以看出，裂紋位置很可能是導氣管接頭的開裂源，與圖2所示開裂位置吻合。

圖12 黃銅接頭氨熏試樣宏觀形貌

2 綜合分析

2.1 顯微組織

導氣管接頭顯微組織晶粒異常粗大，α相沿晶界呈針條狀網絡分布的原因是：導氣管接頭采用熱鍛成型，在熱加工生產過程中，坯料鍛造溫度過高或者加熱時間過長，使得晶粒粗大；熱加工過程成型很快，成型過程中沒有明顯降溫，終鍛溫度仍然很高，在這種條件下，如果冷卻速率較快，α相將在較高的過冷溫度下析出，相變因受應力的作用而具有位向性，并且不均勻地發展，使析出的α相呈現針條狀分布在晶界[4-5]。晶粒粗大、針條狀網絡組織均會降低合金晶界的結合能力，從而導致導氣管接頭在服役過程中沿著晶界產生開裂缺陷。

2.2 斷口分析

導氣管接頭的斷口處存在較多微裂紋和明顯的鉛元素宏觀偏析現象，且試樣的鉛元素含量高出導氣管接頭的平均鉛元素含量10多倍[6-8]。這是因為材料在熔煉澆鑄環節熔液不均勻，導致鉛元素宏觀偏析，加工后導氣管接頭的塑性降低，脆性增強，從而易產生開裂缺陷。

2.3 材料選擇

根據GB 2314—2016 《電力金具通用技術條件》標準規定，以銅合金材料制造的金具，其銅元素含量應不低于80%，如果黃銅材料如果加工和熱處理工藝不當,也容易產生應力腐蝕和氫脆開裂等缺陷。

2.4 內應力和環境影響

如果導氣管接頭在加工過程中工藝不良，接頭內部就會存在加工應力，而且在熱處理過程中,退火不充分會導致材料產生內應力；另外,導氣管接頭在裝配過程中也需要施加安裝預應力，從而產生內應力，接頭在內應力和大氣腐蝕介質(大氣中的CO2，SO2，NO2等氣體溶解于雨水中,容易形成酸性、氧化性化合物)的共同作用下，表面的氧化膜被腐蝕而受到破壞,破壞的表面和未破壞的表面分別形成陽極和陰極，陽極處的金屬成為離子而被溶解，產生電流流向陰極，從而導致接頭發生應力腐蝕開裂。

3 結論及建議

3.1 結論

斷路器導氣管接頭開裂的主要原因是導氣管接頭材料本身的缺陷，包括顯微組織異常、鉛元素宏觀偏析和材料選擇不當，另外導氣管接頭在加工、熱處理和安裝過程產生的內應力以及大氣腐蝕介質的存在，導致其在設備運行過程中開裂失效。

3.2 建議

(1) 目前大部分變電站斷路器導氣管接頭和導氣管材料為黃銅，而黃銅材料不適合用于導氣管接頭和導氣管，建議更換為純銅、鉻青銅或316不銹鋼。

(2) 導氣管接頭在加工和使用過程中容易產生內應力，建議采用超聲波應力檢測法[9]對安裝前后的導氣管接頭進行內應力檢測，從而減少導氣管接頭的應力腐蝕缺陷。

(3) 設備運行過程中，建議使用X射線對金屬部件進行在線檢測，以避免因斷路器泄壓而導致停電事故。

(4) 建議動態監視六氟化硫氣壓表，安裝低氣壓報警裝置，一旦發現壓力過低，相關部門應立即啟動預警方案。

(5) 建議加強入網設備和金具的質量檢測，施工單位嚴格按電網標準自檢到位，運檢人員加強基建工程中間驗收，尤其是隱蔽工程和關鍵工藝的全過程驗收，確保設備零缺陷投運。