電網(wǎng)鑄鋁設(shè)備線夾缺陷分析

李元佳 何鳳生 孫德興 李文勝

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，廣東523008；2. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東510080)

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電網(wǎng)鑄鋁設(shè)備線夾缺陷分析

李元佳1何鳳生2孫德興1李文勝2

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，廣東523008；2. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東510080)

針對鑄鋁設(shè)備線夾缺陷，采用宏觀檢查、光譜分析、硬度試驗(yàn)、金相試驗(yàn)和掃描電鏡分析等試驗(yàn)方法，得出缺陷產(chǎn)生原因是制造工藝控制不當(dāng)和材料組織不理想。

電網(wǎng)；鑄鋁線夾；缺陷分析

電網(wǎng)設(shè)備線夾是連接導(dǎo)線和電氣設(shè)備的重要金具，由緊固導(dǎo)線部分和電氣設(shè)備連接部分組成，前者為管形結(jié)構(gòu)，后者為端子板結(jié)構(gòu)[1-3]。而鋁設(shè)備線夾的加工形式通常為鋁管焊接端子板或整體鑄造，管形結(jié)構(gòu)和端子板之間的接合處是一個薄弱部位，在制造過程中容易形成缺陷，在使用過程中容易發(fā)生失效進(jìn)而危及電網(wǎng)設(shè)備安全[3-7]。

通過分析電網(wǎng)鑄鋁設(shè)備線夾缺陷，為設(shè)計(jì)制造、檢驗(yàn)檢測與運(yùn)行維護(hù)提供參考。

1 試驗(yàn)方法

近期，電網(wǎng)發(fā)生了一起500 kV變電站主變壓器開關(guān)設(shè)備鑄鋁線夾斷裂故障[3]。為避免類似故障的出現(xiàn)，對同一廠家生產(chǎn)的、仍在運(yùn)行中的鑄鋁設(shè)備線夾進(jìn)行了更換和檢驗(yàn)。

首先對線夾進(jìn)行整體拉力試驗(yàn)，然后根據(jù)線夾實(shí)際斷裂情況取樣，進(jìn)行宏觀檢查、光譜分析、硬度試驗(yàn)、金相試驗(yàn)和掃描電鏡分析。

線夾的外觀結(jié)構(gòu)如圖1所示。在進(jìn)行拉力試驗(yàn)后，沿著兩個平行的橫截面切出一段試樣，兩個切面的標(biāo)號分別為1-2切面和3-4切面。取樣位置如圖2所示。

2 試驗(yàn)分析

2.1 宏觀檢查

圖1 設(shè)備線夾外觀

圖2 取樣位置示意圖

整體拉力試驗(yàn)過程中線夾發(fā)生斷裂，斷裂位置在端子板上靠線夾本體的一排開孔水平中心線位置，即整個線夾受力截面最小處。線夾斷口形貌如圖3所示。肉眼觀察斷口比較致密，斷口處未見明顯的塑性變形。

對線夾試樣內(nèi)部的切面進(jìn)行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)試樣的1-2切面和3-4切面上有集中的縮孔和分散的疏松或針孔(見圖4)。通過檢查發(fā)現(xiàn)，1-2切面上的縮孔與3-4切面上的縮孔是貫通的，即縮孔貫穿了整個線夾試樣。

2.2 光譜分析

采用島津PDA—7000型火花光電直讀光譜儀對試樣進(jìn)行材質(zhì)分析。據(jù)了解，鑄鋁線夾所用材料牌號為ZAlSi12，材料代號為ZL102，化學(xué)成分執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 1173—1995《鑄造鋁合金》[8]。表1為測試樣品的成分分析結(jié)果。測試樣的成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 硬度試驗(yàn)

用沃波特3000BLD型數(shù)顯式布氏硬度計(jì)對試樣進(jìn)行硬度試驗(yàn)，硬質(zhì)合金球直徑選用5 mm，試驗(yàn)載荷選用2 500 N，實(shí)測硬度平均值為50.1HBW。GB/T 1173—1995規(guī)定ZAlSi12鑄件硬度應(yīng)不低于50HBW。試樣的實(shí)測硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 線夾斷口形貌

(a)1-2切面(b)3-4切面

圖4 線夾內(nèi)部切面宏觀形貌

圖5 試樣的組織形貌

Figure 5 The microstructure of sample

2.4 金相試驗(yàn)

試樣經(jīng)磨制、拋光并用0.5%氫氟酸水溶液浸蝕后，在Leica DMI 3000M型光學(xué)顯微鏡上觀察顯微組織形貌。

圖5和圖6為試樣的組織形貌。在圖5中，白色基體是α固溶體，用a標(biāo)識；灰色粗大條片狀為共晶體(α+Si)中的Si(或稱共晶硅)，用b標(biāo)識；灰色粗大塊狀相是初晶硅，用c標(biāo)識；亮灰色針狀為初晶β(Al9Fe2Si2)相，用d標(biāo)識，并用箭頭指出；淺灰色骨骼狀是α(Al12Fe3Si)相，用e標(biāo)識。在圖6中，還出現(xiàn)了過燒組織(復(fù)熔共晶球團(tuán))。復(fù)熔球團(tuán)和骨骼狀α(Al12Fe3Si)相交織在一起后，復(fù)熔球團(tuán)的尺寸超過50 μm。

圖6 過燒組織及骨骼狀α相

圖7 掃描電鏡背散射電子(BSE)圖像

圖8 骨骼狀α(Al12Fe3Si)相掃描電鏡背散射電子(BSE)圖像

Figure 8 The image of backscattered electron (BSE) of skeletal α phase(Al12Fe3Si)

2.5 掃描電鏡及能譜分析

為進(jìn)一步了解組織并確認(rèn)相的組成，在Hitachi S—3400N型掃描電子顯微鏡(SEM)下對金相試樣進(jìn)行觀察和分析。

圖9 骨骼狀α相能譜分析結(jié)果

圖10 針狀β相能譜分析結(jié)果

圖7和圖8為試樣的掃描電鏡背散射電子(BSE，backscattered electron)圖像。在圖7中，基體α固溶體顯示為深色，粗大條片狀共晶硅和粗大塊狀初晶硅均顯示為亮灰色，針狀初晶β(Al9Fe2Si2)相顯示為亮白色。在圖8中清晰的顯示出亮白色的骨骼狀α(Al12Fe3Si)相。

圖9為骨骼狀α(Al12Fe3Si)相的能譜分析結(jié)果。在骨骼狀α相中檢測到Al、Si、Fe三個元素。

圖10為針狀β(Al9Fe2Si2)相的能譜分析結(jié)果，在選區(qū)中也準(zhǔn)確檢測到Al、Si、Fe元素。

3 討論

(1)宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，鑄鋁線夾內(nèi)部存在較多的縮孔縮松等鑄造缺陷。線夾的端子板與線夾本體接合處為厚大截面，是一個典型的熱節(jié)部位。鑄件的厚大截面處容易形成縮孔縮松，特別是在不穩(wěn)定的工藝條件下(例如，澆注溫度控制不當(dāng)、冷卻條件不佳或卷入氣體)，該位置更容易產(chǎn)生顯著的宏觀缺陷。另外，從斷口形貌來看，未見明顯的塑性變形。

(2)光譜分析得出所檢測線夾的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)硬度試驗(yàn)得出所檢測線夾材料的硬度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

(4)金相試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，所檢測線夾材料的組織中有大量共晶硅，還有少量塊狀初晶硅，在局部有較多的骨骼狀α相和針狀β相，并發(fā)現(xiàn)復(fù)熔共晶球(過燒組織)。骨骼狀α相和針狀β相是兩種金屬間化合物，一般以共晶體形式存在，它們會顯著降低合金的力學(xué)性能，特別是塑性和韌性[9]。此外，共晶硅也是典型的脆性相。總之，線夾材料的組織為未經(jīng)變質(zhì)處理的不良組織。

(5)在掃描電鏡中觀察通過不同襯度鑒別出基體、共晶硅、初晶硅、骨骼狀α相和針狀β相，能譜分析則驗(yàn)證了α相和β相這兩個特殊相的存在。掃描電鏡觀察分析進(jìn)一步確認(rèn)了金相試驗(yàn)所獲得的結(jié)果。

4 結(jié)論

通過對電網(wǎng)鑄鋁設(shè)備線夾缺陷開展的試驗(yàn)，得出線夾測試部位的化學(xué)成分和硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。然而，由于制造工藝控制不當(dāng)導(dǎo)致線夾內(nèi)部質(zhì)量欠佳，存在較多的針孔、縮松、縮孔等缺陷，而且未獲得理想的顯微組織，材料脆性特征較明顯。在使用過程中，線夾缺陷處易產(chǎn)生裂紋，在受風(fēng)荷載、短路電流沖擊等作用下裂紋會迅速擴(kuò)展并導(dǎo)致線夾發(fā)生脆性斷裂。

[1] 董吉諤. 電力金具手冊(第3版)[M]. 北京：中國電力出版社，2010.

[2] DL/T 346—2010，設(shè)備線夾[S].北京：中國電力出版社，2011.

[3] 盧振宇，李文勝，何鳳生.500kV變電站SSY型設(shè)備線夾斷裂分析[J]. 廣東電力，2015，28(3)：77-81.

[4] 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)，2012，3(34)：423-425.

[5] 徐雪霞，歐陽杰，馮硯廳，等. 設(shè)備線夾開裂失效原因分析[J]. 熱加工工藝，2011，40(13)：160-163.

[6] 徐賢，吳國忠，包艷蓉，等. 變電站鋁設(shè)備線夾斷裂事故分析[J]. 熱加工工藝，2012，41(7)：191-195.

[7] 劉建軍，高山，張建國. 雙分裂設(shè)備線夾短路電流沖擊受力分析[J]. 電力建設(shè)，2014，35(3)：79-82.

[8] GB/T 1173—1995，鑄造鋁合金[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.

[9] 田榮璋. 鑄造鋁合金[M]. 長沙：中南大學(xué)出版社，2006.

編輯 杜 敏

Analysis on Defect of Cast Aluminum Terminal Connector for Power Grid

Li Yuanjia, He Fengsheng, Sun Dexing, Li Wensheng

By adopting the macroscopic test, the spectral analysis, the hardness test, the metallographic test and SEM analysi etc., the causes of defect of cast aluminum terminal connector have been obtained. And the causes are that the controlling of manufacturing process is improper and the microstucture of material is not ideal.

power grid; cast aluminum terminal connector; defect analysis

2016—05—24

中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目(GDKJ00000081)

TG115

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