110 kV 變電站高壓套管導(dǎo)電管斷裂失效原因分析

高明德，尚國強(qiáng)，荊象陽

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

隨著電網(wǎng)建設(shè)的突飛猛進(jìn)，電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)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(dǎo)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(nèi)部高低壓引線引到油箱外部，支撐進(jìn)、出引線并保證對地絕緣[4-5]。在變壓器日常運(yùn)行中，當(dāng)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(yùn)行都與變壓器套管的運(yùn)行狀況息息相關(guān)[6-9]。

1 變壓器套管導(dǎo)電管結(jié)構(gòu)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(yùn)，其110 kV 側(cè)A 相套管型號為BRDLW-126/630-4，該套管內(nèi)部的絕緣介質(zhì)形式為油浸式，采用的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)為穿纜式結(jié)構(gòu)。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(shè)置在油枕內(nèi)的一組強(qiáng)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(nèi)部處于良好的密封狀態(tài)，與外界大氣隔絕，套管內(nèi)充有經(jīng)過處理合格的變壓器油，使內(nèi)部主絕緣成為油紙結(jié)構(gòu)，以提高絕緣能力。油枕可在套管溫度、壓力變化時進(jìn)行補(bǔ)償，其側(cè)面設(shè)有油位計(jì)。法蘭上設(shè)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(zhì)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(cè)A相套管運(yùn)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(dǎo)電管已經(jīng)斷裂，斷裂位置位于導(dǎo)電管尾部加工螺紋的最后一圈根部，如圖1 所示。設(shè)計(jì)要求材質(zhì)為2A12-T4 鋁合金管（合格導(dǎo)電管的抗拉強(qiáng)度不小于380 MPa、屈服強(qiáng)度不小于255 MPa），規(guī)格為Φ46 mm×5.5 mm。

圖1 斷裂的導(dǎo)電管

2 原因分析

2.1 宏觀檢查

對發(fā)生斷裂的中心導(dǎo)電管進(jìn)行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)斷裂位置處在導(dǎo)電管從末端數(shù)第一道螺紋處，該部位為應(yīng)力集中區(qū)域，在受到外部拉應(yīng)力作用時容易在該應(yīng)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(dǎo)電管端口宏觀形貌如圖2 所示。

圖2 導(dǎo)電管端口宏觀形貌

2.2 導(dǎo)電管受力分析

根據(jù)套管供應(yīng)商提供的設(shè)計(jì)資料，導(dǎo)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(yùn)行中主要受到拉應(yīng)力作用。利用設(shè)置在油枕內(nèi)的一組強(qiáng)力彈簧所施加的軸向預(yù)緊力作用，套管各個組件形成整體的密封。彈簧預(yù)緊力通過上端壓板傳導(dǎo)到導(dǎo)電管上端的鎖緊螺母上，從而使導(dǎo)電管上端的螺紋承受拉應(yīng)力，相應(yīng)的，導(dǎo)電管下段下瓷套與底座連接處的螺紋也承受一反向拉應(yīng)力。彈簧正常的工作范圍為40~60 kN 之間，在導(dǎo)電管螺紋部位（應(yīng)力集中薄弱區(qū)）所施加的最大強(qiáng)度是128 MPa。導(dǎo)電管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示。

圖3 導(dǎo)電管的結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 材質(zhì)分析

采用S1TITAN600 布魯克X 射線熒光合金分析儀對斷裂導(dǎo)電管進(jìn)行材質(zhì)分析，在橫截面上任意選取導(dǎo)電管的3 個部位，材質(zhì)分析結(jié)果見表1。從材質(zhì)分析結(jié)果判斷，斷裂導(dǎo)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(dǎo)電管設(shè)計(jì)材質(zhì)應(yīng)為2A12-T4 鋁合金，說明導(dǎo)電管材質(zhì)不符合設(shè)計(jì)要求。另一方面，部分區(qū)域內(nèi)Si 元素的含量偏高（測點(diǎn)2、測點(diǎn)3），說明存在成分偏析，Mg/Si 元素質(zhì)量比小于平衡配比1.73∶1，Si 元素過剩。雜質(zhì)Fe 與過剩的Si 容易與基體Al 結(jié)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(dǎo)電管材質(zhì)分析結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)值

2.4 硬度檢測

對斷裂導(dǎo)電管金相橫向取樣，采用自動數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)Q30M 進(jìn)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(dǎo)電管橫截面3 個部位，硬度檢測結(jié)果見表2。從硬度檢測結(jié)果判斷，斷裂導(dǎo)電管的材質(zhì)符合6063 鋁合金硬度要求。

表2 導(dǎo)電管硬度分析結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)值 HB

2.5 力學(xué)性能試驗(yàn)

對斷裂導(dǎo)電管利用WDW-300E 試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目包括抗拉強(qiáng)度、斷后延伸率，試驗(yàn)結(jié)果見表3。該斷裂套管的中心導(dǎo)電管設(shè)計(jì)要求材質(zhì)為2A12-T4 鋁合金管（合格2A12-T4 鋁合金導(dǎo)電管的抗拉強(qiáng)度應(yīng)不小于380 MPa，屈服強(qiáng)度應(yīng)不小于255 MPa，斷后延伸率應(yīng)不小于10%）。

表3 導(dǎo)電管力學(xué)性能檢測結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)值

斷裂導(dǎo)電管的平均抗拉強(qiáng)度值為315 MPa，符合6063 鋁合金的要求，與硬度檢測結(jié)果一致，但該數(shù)值低于設(shè)計(jì)要求值（380 MPa），強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)；該樣品的延伸率只有8%，低于6063 鋁合金斷后伸長率標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)電管斷口進(jìn)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(xì)小韌窩散布于晶面上，說明該中心導(dǎo)電管的塑性較差。這與宏觀檢測的結(jié)果相一致，證明該導(dǎo)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(dǎo)電管上取樣，采用AxioVert.A1 型金相顯微鏡對所截取的試樣進(jìn)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(diǎn)及黑條）。結(jié)合之前的材質(zhì)分析結(jié)果，斷裂導(dǎo)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(yīng)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(kuò)展，因而影響到材料的斷裂強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度[15]。

圖6 斷裂導(dǎo)電管金相組織

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

3 導(dǎo)電管斷裂原因分析

綜合上述試驗(yàn)分析，可以得出導(dǎo)電管斷裂發(fā)生的主要原因。

（1）材質(zhì)及元素成分。導(dǎo)電管使用的材質(zhì)為6063鋁合金，與原設(shè)計(jì)資料中所要求的2A12-T4 材質(zhì)不符，所用材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度低于設(shè)計(jì)要求，且易引起合金脆化，降低塑性。

（2）自身結(jié)構(gòu)。導(dǎo)電管自身的結(jié)構(gòu)決定了導(dǎo)電管螺紋根部一定會存在應(yīng)力集中，在受到外部較大的拉應(yīng)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(dǎo)電管延伸率偏低，斷裂韌性較差，脆性較大。按照斷裂力學(xué)的理論，斷裂韌性越差的材料其裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界尺寸越小，中心導(dǎo)電管一旦萌生裂紋，就極易失穩(wěn)擴(kuò)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(shí)際材質(zhì)與設(shè)計(jì)材質(zhì)不符，導(dǎo)致其抗拉強(qiáng)度偏低，無法滿足使用要求。

4 糾正預(yù)防措施

針對本次導(dǎo)電管斷裂失效事件，具體提出以下3條糾正預(yù)防措施。

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

（2）每批導(dǎo)電管進(jìn)廠，供方須提供合格證、質(zhì)量檢驗(yàn)報(bào)告，標(biāo)明導(dǎo)電管材質(zhì)、機(jī)械性能。

（3）對每批供貨導(dǎo)電管按檢驗(yàn)指導(dǎo)書規(guī)定進(jìn)行材質(zhì)檢驗(yàn)，并做機(jī)械性能抽樣檢測。

5 結(jié)束語

高壓套管是變壓器的重要組成部分，在以往的運(yùn)行中多注重其絕緣性能，對套管零部件的材質(zhì)特性的質(zhì)量把關(guān)不足，導(dǎo)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(dǎo)電管斷裂的主要原因，對此類故障的預(yù)防和排查具有較高的參考價值。