110 kV 變電站高壓套管導電管斷裂失效原因分析

高明德，尚國強，荊象陽

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，濟南 250002；2.山東電力工業(yè)鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，濟南 250002）

隨著電網(wǎng)建設的突飛猛進，電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，變壓器及其套管的使用量也隨之迅猛增加，由于套管本身問題而導致的變電站停電事件越來越多，有逐年增大的趨勢[1-3]。作為變壓器外絕緣主要組件，變壓器套管將變壓器內部高低壓引線引到油箱外部，支撐進、出引線并保證對地絕緣[4-5]。在變壓器日常運行中，當短路在變壓器外部發(fā)生時，套管中會出現(xiàn)短路電流，保證了變壓器對電能的正常傳輸。變壓器甚至整個電網(wǎng)能否安全穩(wěn)定運行都與變壓器套管的運行狀況息息相關[6-9]。

1 變壓器套管導電管結構及斷裂事件描述

某供電公司110 kV 變電站2 號主變型號為SSZ11-50000/110，于2016 年5 月投運，其110 kV 側A 相套管型號為BRDLW-126/630-4，該套管內部的絕緣介質形式為油浸式，采用的導電結構為穿纜式結構。該套管主要由電容芯子、空氣端空心瓷絕緣子（即上瓷套）、油端空心瓷絕緣子（即下瓷套）、油枕和法蘭等組成。主絕緣為電容芯子，采用同心電容串聯(lián)而成，封閉在上下瓷套、油枕、法蘭及底座組成的密封容器中，之間的接觸面襯以耐油橡膠墊圈，并通過設置在油枕內的一組強力彈簧所施加的軸向壓緊力作用，使各個組件形成整體的密封。套管內部處于良好的密封狀態(tài)，與外界大氣隔絕，套管內充有經(jīng)過處理合格的變壓器油，使內部主絕緣成為油紙結構，以提高絕緣能力。油枕可在套管溫度、壓力變化時進行補償，其側面設有油位計。法蘭上設有取油裝置和測量端子，測量端子與芯子末屏連接，作為套管介質損耗因數(shù)、電容量和局部放電量等測量之用。油枕和法蘭均采用鋁合金材料。

2020 年7 月31 日，該變電站2 號主變高壓側A相套管運行中出現(xiàn)噴油故障，緊急停電后對該套管吊芯檢查，發(fā)現(xiàn)其導電管已經(jīng)斷裂，斷裂位置位于導電管尾部加工螺紋的最后一圈根部，如圖1 所示。設計要求材質為2A12-T4 鋁合金管（合格導電管的抗拉強度不小于380 MPa、屈服強度不小于255 MPa），規(guī)格為Φ46 mm×5.5 mm。

圖1 斷裂的導電管

2 原因分析

2.1 宏觀檢查

對發(fā)生斷裂的中心導電管進行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)斷裂位置處在導電管從末端數(shù)第一道螺紋處，該部位為應力集中區(qū)域，在受到外部拉應力作用時容易在該應力集中區(qū)域發(fā)生斷裂。斷口較為粗糙，參差不齊，具有多個不同的臺階，脆性斷裂特征較為明顯。導電管端口宏觀形貌如圖2 所示。

圖2 導電管端口宏觀形貌

2.2 導電管受力分析

根據(jù)套管供應商提供的設計資料，導電管位于套管中心，起到卷電容芯子和產(chǎn)品整體緊固的作用，在運行中主要受到拉應力作用。利用設置在油枕內的一組強力彈簧所施加的軸向預緊力作用，套管各個組件形成整體的密封。彈簧預緊力通過上端壓板傳導到導電管上端的鎖緊螺母上，從而使導電管上端的螺紋承受拉應力，相應的，導電管下段下瓷套與底座連接處的螺紋也承受一反向拉應力。彈簧正常的工作范圍為40~60 kN 之間，在導電管螺紋部位（應力集中薄弱區(qū)）所施加的最大強度是128 MPa。導電管的結構示意圖如圖3 所示。

圖3 導電管的結構示意圖

2.3 材質分析

采用S1TITAN600 布魯克X 射線熒光合金分析儀對斷裂導電管進行材質分析，在橫截面上任意選取導電管的3 個部位，材質分析結果見表1。從材質分析結果判斷，斷裂導電管的元素成分接近于6063 鋁合金的元素成分。根據(jù)制造企業(yè)所提供的資料，導電管設計材質應為2A12-T4 鋁合金，說明導電管材質不符合設計要求。另一方面，部分區(qū)域內Si 元素的含量偏高（測點2、測點3），說明存在成分偏析，Mg/Si 元素質量比小于平衡配比1.73∶1，Si 元素過剩。雜質Fe 與過剩的Si 容易與基體Al 結合，形成AlFeSi 二次相，該二次相的金相組織形貌為針狀，其存在會引起合金脆化，降低材料的塑性[10-13]。

表1 斷裂導電管材質分析結果及標準值

2.4 硬度檢測

對斷裂導電管金相橫向取樣，采用自動數(shù)顯顯微維氏硬度計Q30M 進行硬度檢測，將測量得到的維氏硬度值換算為布氏硬度值。檢測導電管橫截面3 個部位，硬度檢測結果見表2。從硬度檢測結果判斷，斷裂導電管的材質符合6063 鋁合金硬度要求。

表2 導電管硬度分析結果及標準值 HB

2.5 力學性能試驗

對斷裂導電管利用WDW-300E 試驗機進行力學性能試驗，試驗項目包括抗拉強度、斷后延伸率，試驗結果見表3。該斷裂套管的中心導電管設計要求材質為2A12-T4 鋁合金管（合格2A12-T4 鋁合金導電管的抗拉強度應不小于380 MPa，屈服強度應不小于255 MPa，斷后延伸率應不小于10%）。

表3 導電管力學性能檢測結果及標準值

斷裂導電管的平均抗拉強度值為315 MPa，符合6063 鋁合金的要求，與硬度檢測結果一致，但該數(shù)值低于設計要求值（380 MPa），強度不達標；該樣品的延伸率只有8%，低于6063 鋁合金斷后伸長率標準值（12%），說明其塑性較差。

2.6 掃描電鏡分析

利用Zeiss Microscopy GmbH 73447 Oberkohen型掃描電子顯微鏡對A 相套管中心導電管斷口進行分析，其斷口微觀形貌如圖4、圖5 所示，斷口成典型的“冰糖狀”沿晶脆性斷裂特征，大量的細小韌窩散布于晶面上，說明該中心導電管的塑性較差。這與宏觀檢測的結果相一致，證明該導電鋁管的斷裂為脆性斷裂。

圖4 斷口掃描電鏡照片1

圖5 斷口掃描電鏡照片2

2.7 金相分析

從斷裂導電管上取樣，采用AxioVert.A1 型金相顯微鏡對所截取的試樣進行金相分析，其金相組織如圖6 所示。在其金相組織中分布著較多的二次相（圖中的球狀黑點及黑條）。結合之前的材質分析結果，斷裂導電管的Si 元素含量偏高，Si 在含有Mg 的鋁合金中溶解度很低，從而在合金在凝固過程中發(fā)生共晶反應時產(chǎn)生二次相（不溶解組分相）[14]。由于二次相顆粒尺寸大（約1~100 μm 左右）、形狀不規(guī)則和分布不均勻，屬于脆性相，往往會成為裂紋萌生的源頭，并且促使裂紋擴展，因而影響到材料的斷裂強度和疲勞強度[15]。

圖6 斷裂導電管金相組織

因此，二次相的存在將導致材料塑性的降低，特別是當二次相沿晶界分布時，抗拉強度及塑性均會明顯下降，易導致沿晶脆性斷裂。由于套管材質較脆，裂紋產(chǎn)生之后，遇到外部載荷較高的情況（如大風、雨雪天氣等）時，很容易迅速擴展，進而發(fā)生脆性斷裂。

3 導電管斷裂原因分析

綜合上述試驗分析，可以得出導電管斷裂發(fā)生的主要原因。

（1）材質及元素成分。導電管使用的材質為6063鋁合金，與原設計資料中所要求的2A12-T4 材質不符，所用材質的抗拉強度低于設計要求，且易引起合金脆化，降低塑性。

（2）自身結構。導電管自身的結構決定了導電管螺紋根部一定會存在應力集中，在受到外部較大的拉應力作用時容易發(fā)生斷裂。

（3）加工工藝。制造加工工藝存在問題（成分偏析、二次相等）使得中心導電管延伸率偏低，斷裂韌性較差，脆性較大。按照斷裂力學的理論，斷裂韌性越差的材料其裂紋失穩(wěn)擴展的臨界尺寸越小，中心導電管一旦萌生裂紋，就極易失穩(wěn)擴展，從而發(fā)生脆性斷裂。

上述3 個因素中，最根本的原因是實際材質與設計材質不符，導致其抗拉強度偏低，無法滿足使用要求。

4 糾正預防措施

針對本次導電管斷裂失效事件，具體提出以下3條糾正預防措施。

（1）導電管選用規(guī)定材質2A12-T4、抗拉強度不小于380 MPa 和屈服強度不小于255 MPa。

（2）每批導電管進廠，供方須提供合格證、質量檢驗報告，標明導電管材質、機械性能。

（3）對每批供貨導電管按檢驗指導書規(guī)定進行材質檢驗，并做機械性能抽樣檢測。

5 結束語

高壓套管是變壓器的重要組成部分，在以往的運行中多注重其絕緣性能，對套管零部件的材質特性的質量把關不足，導致出現(xiàn)了一些原本可以避免的故障乃至停電事故。本文通過多種分析手段全面分析了導電管斷裂的主要原因，對此類故障的預防和排查具有較高的參考價值。