220 kV管母线水平线夹断裂原因分析

王斐斐，刘爽，马永泉，张鸿武

（国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250003）

220 kV管母线水平线夹断裂原因分析

王斐斐，刘爽，马永泉，张鸿武

（国网山东省电力公司电力科学研究院，济南250003）

通过电感耦合等离子体发光光谱仪、电子显微镜、金相显微镜等对线夹断口进行宏观形貌、化学元素成分、显微组织形貌试验分析，查找某220 kV变电站开关侧固定式管母线水平线夹发生断裂的原因。导致线夹断裂的原因一是该批次线夹存在超标铸造缺陷，二是线夹结构设计不合理，针对上述原因提出改进措施。

管母线；水平线夹；断裂；疏松

0引言

电网系统中带电部件一般不选用铁磁性材料，同时考虑到材料的导电性和防腐性，铸铝件在电网系统得到大力推广和普遍应用［1］。

近年来，随着电力建设的发展，电网铸铝件的用量日益增加，由于铸铝件结构相对简单，易于制造，生产厂家进入门槛低，且往往将其作为一种简易的电器进行粗放型生产，对产品的质量控制不够重视，在电网铸铝件的设计、材质和制造方均存在问题，从而导致铸铝件带“病”进入电网，造成失效断裂事故，给电网的安全经济运行带来不利影响［2］。例如，在铸造铝合金生产中，由于合金熔液在凝固过程中气体未能及时排出，而形成气孔、疏松等体积型缺陷，这不但降低了材料的致密度和气密性，还严重地影响材料的力学性能及抗蚀性［3］。

1 管母线水平线夹断裂情况

2014-02-27，某220 kV变电站开关侧固定式管母线水平线夹在运行中突然发生断裂，断裂位置在断路器侧管母水平设备线夹抱箍与接线板连接位置，接线板与断路器接线板通过4根螺栓连接，位于上部位置，抱箍部分位于B相管母端部。图1、图2为事故现场照片。该管母线水平线夹型号为MGP-110，材质为铸铝，2011-05-23投入运行。根据设备运行记录，该管母线设备水平线夹发生断裂前未有过热、过负荷记录，未承受短路电动力。

图1 线夹断裂现场情况

图2 线夹断裂位置

2 断口检测

采用ICAP-9000电感耦合等离子体发光光谱仪（ICP-AES）对抱箍的化学成分进行定量检测，采用蔡司MEF-4大型金相显微镜观察抱箍的显微组织，采用AMRAY1830／34-J-77扫描电子显微镜对抱箍金相表面形貌进行微观分析，加速电压为20.0 kV。

2.1 断口宏观形貌

管母线水平线夹两侧断口的表面宏观形貌基本一致，断口表面呈灰色颗粒状，较为粗糙，存在大量的解理纹和细小的孔洞，存在小刻面，没有塑性变形的痕迹，如图3所示。从断口的宏观形貌上判断，具备脆性断口的形貌特征。

图3 线夹断口形貌

2.2 元素成分分析

管母线水平线夹接线板和抱箍的ICP-AES分析结果见表1。管母线水平线夹两侧的合金元素含量基本一致，且Fe、Cu、Mg等杂质元素的含量基本符合GB／T 1196—2008《重熔用铝锭》标准规定。

表1 管母线水平线夹化学元素分析%

2.3 显微组织形貌

从管母线水平线夹接线板和抱箍断口处分别取样，进行显微组织分析，浸蚀剂为铸铝侵蚀溶液（VHF∶VHCl∶VHNO3∶VH2O＝1∶1.5∶2.5∶95，体积比），抱箍断口处的显微组织形貌如图4所示。管母线水平线夹接线板和抱箍断口处的显微组织主要都为白色枝晶状αAl+Si（共晶），以及β（FeSiAl5）、AlMnFeSi等杂质相，并且存在大量形状不规则的黑色区域。

利用SEM扫描电镜分别对两相隔离开关抱箍金相试样表面进行观察，如图5所示。黑色区域的微观形貌为形状不规则的气孔，内壁表面不光滑，为铸造过程中产生的疏松缺陷。根据标准GB／T 14999.7—2010《高温合金铸件晶粒度、一次枝晶间距和显微疏松测定方法》对疏松等级进行评级，抱箍疏松的等级为6～7级。根据DL／T 768.5—2002《电力金具制造质量铝制件》要求，电网金具铸铝件的重要部位（机械载荷部位）不允许有疏松、气孔、沙眼、渣眼等缺陷。根据GB／T 9438—1999《铝合金铸件》对铸铝件内部缺陷允许级别的规定（见表2），管母线水平设备线夹的疏松等级超出标准要求。

图4 管母线水平线夹接线板和抱箍的断口处显微组织形貌

图5 管母线水平线夹接线板和抱箍的断口处疏松SEM形貌

表2 铸铝件内部缺陷允许级别mm

3 断裂原因分析

3.1 试验结果分析

根据对管母线设备水平线夹断裂部位宏观检验结果，断口具有典型的脆性断口形貌特征，为脆性断口。

根据ICP-AES分析结果，管母线设备水平线夹为纯铝铸件，杂质元素含量基本符合标准要求。

根据对管母线设备水平线夹断口部位显微组织检测结果，组织正常，存在铸造缺陷气孔和疏松，疏松等级为6～7级。

根据上述试验结果，管母线设备水平线夹材质基本合格，但内部存在大量的铸造缺陷气孔和疏松，严重降低了线夹的结构强度。按照标准DL／T 768.5—2002和GB／T 9438—1999，判定属于不合格产品。

3.2 结构原因分析

根据管母线水平线夹运行状态分析，在无恶劣天气影响下，只承受自身重力和安装产生的附加应力作用。断裂发生时环境气温在4℃左右，天气晴，微风，并网电流7.5 A左右（考虑零漂现象，实际应为0 A），无系统扰动，可排除环境外力和运行电动力的影响。结合对线夹运行记录和宏观检测结果，管母线水平设备线夹无过热、过负荷记录，表面及断口处无熔化、变黑等情况。可以断定，管母线水平设备线断裂时处于正常运行状态，线夹受力状态为承受自身重力和安装时产生的附加应力。

从管母线水平线夹安装后的整体结构分析，线夹的两端都是固定在绝缘柱上，线夹的接线板与断路器侧接线板通过4根螺栓相连，并且处于上部位置，这样的结构会导致在自身重力作用下，管母线水平设备线夹抱箍与接线板过渡位置形成向上的剪切应力，属于应力集中部位。

4 结语

管母线水平设备线夹发生断裂的主要原因有两点：一是该批次线夹存在超标铸造缺陷，线夹内部存在大量铸造缺陷气孔和疏松，大大降低了线夹的结构强度，为不合格产品；二是线夹结构设计不合理，线夹安装后，在抱箍与接线板连接部位容易形成应力集中。

建议利用停电检修机会，对相同批次的管母线水平设备线夹抱箍与线夹根部位置进行表面无损检查，发现存在裂纹等缺陷应立即更换。应加强对电网铸铝件的金属监督力度，通过对产品入网前的检验，对供货商实行严格的电网设备准入制度，重要入网设备要做好驻厂监检和抽检，将设备质量把控关口前移，避免不合格产品用到设备上，保证电网安全稳定运行。

［1］赵杰，许丽，王世庆，等.电力节能金具中奥氏体稳定性的实验研究［J］.铸造技术，2011，32（3）：328-331.

［2］谢亿，陈军君，牟申周，等.电网铸铝件典型失效形式［J］.铸造技术，2012，33（4）：423-425.

［3］王肇经，李东升.铸造铝合金中的气体和非金属夹杂物［M］.北京：兵器工业出版社，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

刘爽（1982），男，工程师，从事火力发电厂机组金属监督检验、电站和电网重要金属部件的失效分析等方面的研究工作。