220 kV管母線水平線夾斷裂原因分析

王斐斐，劉爽，馬永泉，張鴻武

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟南250003）

220 kV管母線水平線夾斷裂原因分析

王斐斐，劉爽，馬永泉，張鴻武

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟南250003）

通過電感耦合等離子體發(fā)光光譜儀、電子顯微鏡、金相顯微鏡等對線夾斷口進行宏觀形貌、化學(xué)元素成分、顯微組織形貌試驗分析，查找某220 kV變電站開關(guān)側(cè)固定式管母線水平線夾發(fā)生斷裂的原因。導(dǎo)致線夾斷裂的原因一是該批次線夾存在超標鑄造缺陷，二是線夾結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，針對上述原因提出改進措施。

管母線；水平線夾；斷裂；疏松

0引言

電網(wǎng)系統(tǒng)中帶電部件一般不選用鐵磁性材料，同時考慮到材料的導(dǎo)電性和防腐性，鑄鋁件在電網(wǎng)系統(tǒng)得到大力推廣和普遍應(yīng)用［1］。

近年來，隨著電力建設(shè)的發(fā)展，電網(wǎng)鑄鋁件的用量日益增加，由于鑄鋁件結(jié)構(gòu)相對簡單，易于制造，生產(chǎn)廠家進入門檻低，且往往將其作為一種簡易的電器進行粗放型生產(chǎn)，對產(chǎn)品的質(zhì)量控制不夠重視，在電網(wǎng)鑄鋁件的設(shè)計、材質(zhì)和制造方均存在問題，從而導(dǎo)致鑄鋁件帶“病”進入電網(wǎng)，造成失效斷裂事故，給電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行帶來不利影響［2］。例如，在鑄造鋁合金生產(chǎn)中，由于合金熔液在凝固過程中氣體未能及時排出，而形成氣孔、疏松等體積型缺陷，這不但降低了材料的致密度和氣密性，還嚴重地影響材料的力學(xué)性能及抗蝕性［3］。

1 管母線水平線夾斷裂情況

2014-02-27，某220 kV變電站開關(guān)側(cè)固定式管母線水平線夾在運行中突然發(fā)生斷裂，斷裂位置在斷路器側(cè)管母水平設(shè)備線夾抱箍與接線板連接位置，接線板與斷路器接線板通過4根螺栓連接，位于上部位置，抱箍部分位于B相管母端部。圖1、圖2為事故現(xiàn)場照片。該管母線水平線夾型號為MGP-110，材質(zhì)為鑄鋁，2011-05-23投入運行。根據(jù)設(shè)備運行記錄，該管母線設(shè)備水平線夾發(fā)生斷裂前未有過熱、過負荷記錄，未承受短路電動力。

圖1 線夾斷裂現(xiàn)場情況

圖2 線夾斷裂位置

2 斷口檢測

采用ICAP-9000電感耦合等離子體發(fā)光光譜儀（ICP-AES）對抱箍的化學(xué)成分進行定量檢測，采用蔡司MEF-4大型金相顯微鏡觀察抱箍的顯微組織，采用AMRAY1830／34-J-77掃描電子顯微鏡對抱箍金相表面形貌進行微觀分析，加速電壓為20.0 kV。

2.1 斷口宏觀形貌

管母線水平線夾兩側(cè)斷口的表面宏觀形貌基本一致，斷口表面呈灰色顆粒狀，較為粗糙，存在大量的解理紋和細小的孔洞，存在小刻面，沒有塑性變形的痕跡，如圖3所示。從斷口的宏觀形貌上判斷，具備脆性斷口的形貌特征。

圖3 線夾斷口形貌

2.2 元素成分分析

管母線水平線夾接線板和抱箍的ICP-AES分析結(jié)果見表1。管母線水平線夾兩側(cè)的合金元素含量基本一致，且Fe、Cu、Mg等雜質(zhì)元素的含量基本符合GB／T 1196—2008《重熔用鋁錠》標準規(guī)定。

表1 管母線水平線夾化學(xué)元素分析%

2.3 顯微組織形貌

從管母線水平線夾接線板和抱箍斷口處分別取樣，進行顯微組織分析，浸蝕劑為鑄鋁侵蝕溶液（VHF∶VHCl∶VHNO3∶VH2O＝1∶1.5∶2.5∶95，體積比），抱箍斷口處的顯微組織形貌如圖4所示。管母線水平線夾接線板和抱箍斷口處的顯微組織主要都為白色枝晶狀αAl+Si（共晶），以及β（FeSiAl5）、AlMnFeSi等雜質(zhì)相，并且存在大量形狀不規(guī)則的黑色區(qū)域。

利用SEM掃描電鏡分別對兩相隔離開關(guān)抱箍金相試樣表面進行觀察，如圖5所示。黑色區(qū)域的微觀形貌為形狀不規(guī)則的氣孔，內(nèi)壁表面不光滑，為鑄造過程中產(chǎn)生的疏松缺陷。根據(jù)標準GB／T 14999.7—2010《高溫合金鑄件晶粒度、一次枝晶間距和顯微疏松測定方法》對疏松等級進行評級，抱箍疏松的等級為6～7級。根據(jù)DL／T 768.5—2002《電力金具制造質(zhì)量鋁制件》要求，電網(wǎng)金具鑄鋁件的重要部位（機械載荷部位）不允許有疏松、氣孔、沙眼、渣眼等缺陷。根據(jù)GB／T 9438—1999《鋁合金鑄件》對鑄鋁件內(nèi)部缺陷允許級別的規(guī)定（見表2），管母線水平設(shè)備線夾的疏松等級超出標準要求。

圖4 管母線水平線夾接線板和抱箍的斷口處顯微組織形貌

圖5 管母線水平線夾接線板和抱箍的斷口處疏松SEM形貌

表2 鑄鋁件內(nèi)部缺陷允許級別mm

3 斷裂原因分析

3.1 試驗結(jié)果分析

根據(jù)對管母線設(shè)備水平線夾斷裂部位宏觀檢驗結(jié)果，斷口具有典型的脆性斷口形貌特征，為脆性斷口。

根據(jù)ICP-AES分析結(jié)果，管母線設(shè)備水平線夾為純鋁鑄件，雜質(zhì)元素含量基本符合標準要求。

根據(jù)對管母線設(shè)備水平線夾斷口部位顯微組織檢測結(jié)果，組織正常，存在鑄造缺陷氣孔和疏松，疏松等級為6～7級。

根據(jù)上述試驗結(jié)果，管母線設(shè)備水平線夾材質(zhì)基本合格，但內(nèi)部存在大量的鑄造缺陷氣孔和疏松，嚴重降低了線夾的結(jié)構(gòu)強度。按照標準DL／T 768.5—2002和GB／T 9438—1999，判定屬于不合格產(chǎn)品。

3.2 結(jié)構(gòu)原因分析

根據(jù)管母線水平線夾運行狀態(tài)分析，在無惡劣天氣影響下，只承受自身重力和安裝產(chǎn)生的附加應(yīng)力作用。斷裂發(fā)生時環(huán)境氣溫在4℃左右，天氣晴，微風(fēng)，并網(wǎng)電流7.5 A左右（考慮零漂現(xiàn)象，實際應(yīng)為0 A），無系統(tǒng)擾動，可排除環(huán)境外力和運行電動力的影響。結(jié)合對線夾運行記錄和宏觀檢測結(jié)果，管母線水平設(shè)備線夾無過熱、過負荷記錄，表面及斷口處無熔化、變黑等情況?？梢詳喽ǎ苣妇€水平設(shè)備線斷裂時處于正常運行狀態(tài)，線夾受力狀態(tài)為承受自身重力和安裝時產(chǎn)生的附加應(yīng)力。

從管母線水平線夾安裝后的整體結(jié)構(gòu)分析，線夾的兩端都是固定在絕緣柱上，線夾的接線板與斷路器側(cè)接線板通過4根螺栓相連，并且處于上部位置，這樣的結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致在自身重力作用下，管母線水平設(shè)備線夾抱箍與接線板過渡位置形成向上的剪切應(yīng)力，屬于應(yīng)力集中部位。

4 結(jié)語

管母線水平設(shè)備線夾發(fā)生斷裂的主要原因有兩點：一是該批次線夾存在超標鑄造缺陷，線夾內(nèi)部存在大量鑄造缺陷氣孔和疏松，大大降低了線夾的結(jié)構(gòu)強度，為不合格產(chǎn)品；二是線夾結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，線夾安裝后，在抱箍與接線板連接部位容易形成應(yīng)力集中。

建議利用停電檢修機會，對相同批次的管母線水平設(shè)備線夾抱箍與線夾根部位置進行表面無損檢查，發(fā)現(xiàn)存在裂紋等缺陷應(yīng)立即更換。應(yīng)加強對電網(wǎng)鑄鋁件的金屬監(jiān)督力度，通過對產(chǎn)品入網(wǎng)前的檢驗，對供貨商實行嚴格的電網(wǎng)設(shè)備準入制度，重要入網(wǎng)設(shè)備要做好駐廠監(jiān)檢和抽檢，將設(shè)備質(zhì)量把控關(guān)口前移，避免不合格產(chǎn)品用到設(shè)備上，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

［1］趙杰，許麗，王世慶，等.電力節(jié)能金具中奧氏體穩(wěn)定性的實驗研究［J］.鑄造技術(shù)，2011，32（3）：328-331.

［2］謝億，陳軍君，牟申周，等.電網(wǎng)鑄鋁件典型失效形式［J］.鑄造技術(shù)，2012，33（4）：423-425.

［3］王肇經(jīng)，李東升.鑄造鋁合金中的氣體和非金屬夾雜物［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，1989.

Fracture Causes of 220 kV Pipe Busbar Horizontal Line Clamps

WANG Feifei，LIU Shuang，MA Yongquan，ZHANG Hongwu
（Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China）

The fracture morphology，composition of chemical elements，metallographic examination and SEM of the fractured clamp are investigated by ICP-AES，SEM and metallurgical microscope，and fracture causes of the stationary tube bus bar horizontal clamp in a 220 kV substation are analyzed.The main cause is casting defects in this batch of horizontal line clamps，while the second cause is unreasonable structure design.Corresponding suggestions are proposed.

tubular bus bar；horizontal line clamp；fracture；loosen

TM216

B

1007－9904（2015）08－0051－03

2015-03-09

劉爽（1982），男，工程師，從事火力發(fā)電廠機組金屬監(jiān)督檢驗、電站和電網(wǎng)重要金屬部件的失效分析等方面的研究工作。