一起220 kV设备引线线夹的失效故障分析

范明，夏强峰，屠晔炜，王彪，言伟

（嘉兴电力局，浙江嘉兴314033）

一起220 kV设备引线线夹的失效故障分析

范明，夏强峰，屠晔炜，王彪，言伟

（嘉兴电力局，浙江嘉兴314033）

通过对某变电站220 kV设备失效引线线夹的宏观检验、成分光谱分析、金相组织分析、材料力学性能测试等，对设备引线线夹的开裂失效原因进行了初步分析。分析认为，设备线夹安装残余应力导致其受力不均，线夹铸造材质疏松、晶粒粗大，选用线夹材料强度不当，水汽渗入引线线夹压接头内部等，是线夹开裂的主要原因，并据此提出了改进建议。

变电站；引线线夹；失效；分析

1 引线线夹失效概况

2011年3月12日，对嘉兴某500 kV变电站1号母联、副母分段间隔充气式SF6电流互感器进行反措调换工作时，现场安全管理人员发现拆下的220 kV副母分段电流互感器至副母分段Ⅰ段母线侧闸刀引线的线夹（截面1 440 mm2）根部有严重开裂现象，如图1所示。次日，检修试验工区成立专项隐患排查小组，对该500 kV变电站进行统一排查，发现220 kV正母分段和副母分段、220 kV 1号母联和2号母联、1号主变压器220 kV侧、2号主变压器220 kV侧等间隔均存在设备引线线夹开裂现象。

这批设备线夹均为2002年5月该500 kV变电站一期投产时采用的大截面导线设备线夹。220 kV设备引线线夹包括SY-1440N A型（0°角）、SY-1440N B型（30°角）、SY-1440N C型（90°角，镗孔贯穿）3种型号，本次出现开裂问题的均为A型和B型线夹而且均为引线向上。

图1 设备引线线夹开裂

设备线夹主要用于引线与电气设备出线端子的连接，引导线一般以钢芯铝绞线为主要载流体。线夹开裂现象的存在会导致变电设备的安全运行系数大大下降，甚至对电网的安全运行构成威胁。因此有必要对设备引线线夹的失效情况进行分析，为设计、施工、维护等工作提供参考依据。本文通过对A型和B型试样进行的宏观检查、成分光谱分析、金相组织分析、材料力学性能检验等，对线夹失效的原因进行分析。

2 检验结果及其分析

2.1 宏观检验

图2和图3分别是A型和B型线夹的宏观照片。A型0°引线向下，B型呈30°引线向上连接。如图3所示，B型线夹缺陷裂纹的位置处在压接管末端区域，该裂纹区域正是钢芯铝绞线和线夹的压接处。统计现场有缺陷的B型线夹，发现缺陷均出现在该区域，可见B型线夹在该区域容易出现裂纹和塑性变形。

图2 线夹整体宏观形貌

图3 B型线夹开裂缺陷宏观形貌

图4（a）和图4（b）分别是B型线夹和A型线夹的剖面宏观照片，可以发现内部组织疏松多孔，截面粗糙，凹凸起伏，表明该批次线夹材质耐腐蚀性较差，内部存在一定的缺陷。图4（c）和图4（d）是B型线夹缺陷位置的宏观照片，可见缺陷内部不规则孔洞明显，大小不一，开裂缺陷边缘尖锐，表面有一定腐蚀现象。

2.2 材质成分光谱分析

由于该批次线夹的具体材质牌号和型号未知，需要通过光谱成分分析来初步确定。成分分析试验采用材料分析移动工作站SPECTROTEST，试验分析结果见表1。

图4 A型和B型线夹剖面宏观形貌

表1 线夹材质成分光谱分析结果

由试验分析结果可知：A型线夹和B型线夹中Al元素的含量都是99.6%，初步判断是纯铝材质。依照DL/T 346-2010《设备线夹》的相关要求规定，设备线夹本体按GB/T 1196《重熔用铝锭技术条件》，采用铝含量不低于99.5%的铝材制造，该类型重熔用铝锭材料化学成份（质量分数）应符合以下要求：AL≥99.5%，Fe≤0.30%，Si≤0.22%，Cu≤0.02%，Ga≤0.03%，Mg≤0.05%，Zn≤0.05%，其他≤0.03%。本次试验分析中A型和B型线夹材质中铝含量均大于99.5%，说明该批次线夹的材质成分基本符合相关技术标准。

2.3 金相组织分析

对A型和B型线夹试样按照金相分析要求进行处理后在金相显微镜下观察，显微镜配有相关图像分析系统，可以利用电脑进行图像采集和处理。金相分析试验结果如图5、图6所示。

由图5（a）可知，缺陷首先在晶界处形成，图5（b）显示缺陷相连聚集呈小孔洞；图5（c）和图5（d）中A型线夹的金相组织晶粒粗大，晶界较粗。

图5 A型线夹金相组织分析结果

图6 B型线夹金相组织分析结果

由图6（a）可知，B型线夹晶界处裂纹细小，呈树枝状分叉，并沿晶扩展，逐渐形成小孔洞；图6（b）中小孔洞渐渐聚集形成较大孔洞；最后形成图6（c）（横向最长处0.75 mm，纵向最宽处0.45 mm）和图6（d）（横向最长处0.8 mm，纵向最宽处0.4 mm）中所示的大孔洞。图6（e）和图6（f）是B型线夹无孔洞缺陷的金相组织，和A型一样，组织晶粒较大，晶界较粗。

2.4 力学性能分析

金属材料的力学性能是指金属材料在外力作用下表现出来的特性，如强度、硬度、弹性、塑性、冲击韧性等，是工程上用来描述材料性能的重要指标。材料的强度和塑性可以通过拉伸试验来确定。由拉伸试验机（WES-600C/055）对A型和B型线夹进行拉伸试验，结果见表2。

表2 线夹力学性能测试结果

由力学性能试验结果可知，A型线夹拉伸试样的抗拉强度和断后伸长率平均值分别是67 MPa和34%；B型线夹拉伸试样的抗拉强度和断后伸长率平均值分别是71 MPa和24%（一般铸造铝合金的抗拉强度为150～400 MPa）。而DL/T 346-2010《设备线夹》的相关要求规定，挤压铝管抗拉强度不应低于78 MPa。

可见经过长时间的现场运行后，A型和B型线夹的抗拉强度已经下降，且具有一定的塑性，不符合相关标准要求。

3 线夹失效原因分析

该类设备引线线夹由铝锭铸造加工成坯，再在线夹接头末端沿中心轴线按尺寸要求进行镗孔，将钢芯铝绞线插入其中，并采用机械压力压接而成。目前该线夹已运行10年，在其未压区段圆柱体根部(与压接区段交界处)发生了开裂。综合宏观检验、材质成分光谱分析、金相组织分析、力学性能分析等检验检测结果进行分析，初步得出了220 kV设备引线线夹失效的原因。

3.1 线夹所受应力不均导致开裂

设备线夹的受力可以分为工作应力和残余应力。工作应力包括线夹导线的自身重力、横向拉应力、故障时流过导线电流产生的电动力。开裂的B型线夹受线夹引线的自身重力、横向拉应力、故障电流电动力的合成，此合成力与线夹弯角的方向不一致，同时线夹弯角处的机械性能也是该类线夹较薄弱的部位，故该区域易发生材料塑性变形，长期运行后出现裂纹。

线夹的残余应力是施工安装过程中线夹螺栓紧固力矩不均匀引起的，此应力会导致线夹引线受到一定的扭矩或者受力不均匀应力，长期作用下使线夹材质薄弱处出现裂纹。B型线夹安装时应使引线两端的高度与引线投影到水平方向的长度相当，投影长度越长，说明B型线夹弯角处受到的力矩越大，如图7所示。故应注意线夹安装的工艺要求和安装质量。

图7 B型线夹受力分析

相关文献研究表明，风载荷对线夹受力不均有一定影响，虽然因风速的影响而使线夹受力的大小不足以直接造成设备线夹出现裂纹，但由于风的作用使设备线夹处于交变载荷的作用下，线夹可能出现疲劳裂纹，甚至引起线夹疲劳断裂。

3.2 水汽、温度等气候环境因素的影响

通过现场排查发现，导线向上的线夹压接头内部存在渗水和积水的可能性。

对于B型线夹，雨水可以沿着铝绞线的缝隙和钢芯间的空隙渗入接头底部的空隙内。当外部温度骤降时，水结成冰后体积膨胀，使压接头铝腔壁产生塑性变形；当气温升高时，空隙内的冰融化成水，压接头铝腔体积收缩。当再次遇到阴雨天气并且降温至0℃以下时，空隙内的水再次冰冻。反复多次就可能导致线夹压接头处开裂。由宏观分析可知，B型线夹出现的裂纹处于线夹折角连接位置，故该批次B型线夹可能在线夹与钢芯铝绞线接头部位存在空隙，长期运行后，连接部位已不能完全将外部环境与压接头空隙隔离开来，压接头内部渗水的可能性很大，也可能是引起该批次线夹开裂的主要原因之一。

3.3 线夹的材质问题

由金相检验结果分析可知，该批线夹金相组织存在明显的缺陷和孔洞组织，线夹剖面疏松多孔，而且都是由内部小孔聚集而成，这种组织形态将严重影响金属材料的强度和韧性，粗大晶粒和材质疏松又加剧了裂纹的产生与发展。由线夹的力学性能试验分析可知，A型和B型线夹的抗拉强度低于一般铸造铝合金抗拉强度的44.7%和47.3%。由于线夹本身材质为纯铝，抗拉强度不够也是导致线夹出现裂纹的原因之一。

4 结论与建议

根据以上分析，建议从以下几方面对线夹开裂问题进行处理和改进：

（1）选择合适的设备引线线夹，并提高安装质量。在变电站设计、施工过程中，应根据线夹引线对线夹受力的影响，选择合适弯曲角度的线夹。

（2）提高对设备线夹材料工艺的要求，解决材料晶粒粗大、材质疏松等缺陷，减少可能的裂纹源，减少开裂倾向。

（3）选用合适、优良的线夹材料，提高线夹材料自身的抗拉强度，减少线夹开裂的隐患。

（4）改进压接头的制作工艺，减小线夹压接后在钢芯铝绞线中各股钢丝和铝丝间的缝隙，避免线夹与钢芯铝绞线接头部位出现空隙，消除线夹内部易出现渗水或积水的条件，或者采用大截面线夹并在下部开滴水孔等，防止线夹压接头内部积水。

[1]钟相源.变电站铜铝过渡设备线夹断裂分析[D].华北电力大学硕士论文，2007.

[2]无损检测员（基础知识）[M].北京：中国劳动出版社社会保障出版社，2010.

[3]DL/T 346-2010设备线夹[S].北京：中国电力出版社，2011.

[4]GB/T 1196-2008重熔用铝锭[S].北京：中国标准出版社，2008.

（本文编辑：龚皓）

Analysis on a Cleat Failure of 220 kV Fixture Wire

FAN Ming，XIA Qiang-feng，TU Ye-wei，WANG Biao，YAN Wei
（Jiaxing Electric Power Bureau，Jiaxing Zhejiang 314033，China）

The cause for cleat crack of 220 kV fixture wire is preliminarily analyzed in this paper on the basis of macroscopic examination,spectral analysis on the composition,metallographic structure analysis and test on mechanical property of material.It is concluded by the analysis that the cleat crack was mainly caused by uneven stress due to residual stress during installation,loosen casting material of cleat and gross grain,inappropriate strength of material of the cleat and inleakage of steam into the clamp joint,according to which the improvement is proposed.

substation；wire cleat；failure；analysis

TM407

：B

：1007-1881（2013）08-0029-04

2012-10-09

范明（1981-），男，浙江嘉兴人，工程师，从事变电检修管理和金属监督工作。