特高压变电站高压电抗器地屏铜条断裂原因分析

周宇通，王炯耿，张 杰，胡洁梓，梅 简

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

特高压变电站高压电抗器地屏铜条断裂原因分析

周宇通，王炯耿，张 杰，胡洁梓，梅 简

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

某特高压变电站1台高压电抗器地屏中的铜条异常断裂，导致设备停运。运用SEM和EDS等技术对铜条断裂原因进行了分析。结果表明：铜条断口表面不存在撕裂棱、韧窝等塑性断裂的典型特征；断口附近组织的平均晶粒尺寸明显大于远离断口的区域；粘附在铜条表面的黑色固态粘性物质为绝缘纸的高温碳化物。基于上述3点，可以判定铜条并非是机械振动拉断，而是由于局部过热熔断的。

特高压变电站；高压电抗器；铜条；断裂

0 引言

2016年5月下旬，某特高压变电站1台投运不到3年的高压电抗器因再次出现乙炔含量突增而被迫停机，乙炔含量最高值达到19.1 μL/L。局部放电在线监测数据显示该高压电抗器在过去6个月内出现了数次明显的局部放电现象。而振动在线检测的结果表明：在乙炔增长期，除铁心振动以外还存在非铁心振动引起的工频振源。从以往的研究来看，局部放电现象在电抗器上并不罕见[1]，振动检测也是判断电气设备状态的一种通用方法[2]。

高压电抗器采用双器身串联结构，铁心采用2个单相带旁轭式结构，心柱由铁心饼组成。经返厂解体检查，在高压电抗器内部发现多处放电痕迹，并且其X柱地屏内螺旋包覆在铁心周围的铜条发生多处断裂。由于同时存在放电及振动的证据，铜条断裂原因不明，这对制定相应的维修方案造成了一定困难。同一厂家出产的相同设备也面临相似风险，因而需对铜条进行详细的宏观及微观分析。

1 理化检验

1.1 宏观形貌分析

高压电抗器地屏铜条的典型形貌如图1所示。铜条宽约4 cm，厚度在微米级。发生断裂的为X柱铜条，其两端均存在不规则形状的断口。而A柱铜条并未发生断裂，样品是用剪刀直接剪下的，因而断口十分平整。从两者的表面状况来看，未发生断裂的A柱铜条之上包覆有绝缘纸层，并且在铜条表面，除胶水遗留下的少许痕迹（图1（a）中央的深色区域）以及少数褶皱以外并未发现其他明显异常情况。而断裂的X柱铜条整体颜色偏暗，金属光泽较A柱铜条明显减弱。原本包覆在铜条上的绝缘纸层已消失，且其表面粘附有一层黑色的固体粘性物质，覆盖面积分数甚至超过了50%。这些粘性物质的粘附力较强，需使用锉刀等专业工具才能将其从铜条表面清除。

图1 高压电抗器地屏铜条的宏观形貌

1.2 金相分析

将X柱铜条的断口部分镶嵌制样后自动打磨抛光，经三氯化铁盐酸水溶液侵蚀约30 s后在Zeiss Axiovert 200型光学显微镜下观察其金相组织，不同区域的典型金相组织如图2所示。从图中可以看出，经拉拔及压制成型等冷加工过程后，铜条中的晶粒（图2中明暗程度不同的小区块即为不同晶粒）普遍呈长条形，但不同区域的金相组织仍存在较大差异。在相同的长度标尺下，图2（a）中大部分晶粒的长度都超过了100 μm，而图2（b）中几乎所有晶粒的长度均在100 μm以下。相同的视场面积下，后者图中的晶粒数量远远多于前者。显然，靠近断口区域的平均晶粒尺寸明显比远离断口区域的平均晶粒尺寸大很多。

1.3 SEM及EDS分析

将X柱铜条断口样品经超声清洗后于ZEISS EVO18型SEM（扫描电子显微镜）下摄取了相关微观形貌的图片，如图3所示。从这些图中可以看出，铜条断口呈锯齿状，并不十分齐整，存在许多朝向不同方向的翻边（如图3（a）所示）。相较于A柱铜条，X柱铜条断口处的厚度并没有明显减薄（如图3（c）所示）。断口表面形成了许多圆弧形的坑洞，将放大倍数提高至1000倍后也并未在坑洞附近发现撕裂棱、韧窝等塑性断裂所具备的典型特征（如图3（b）及图3（d）所示）。与此同时，通过EDS（能谱仪）分析了粘附在X柱铜条表面黑色固态粘性物质的化学成分。这些物质在电子显微镜下呈干涸龟裂的土地状。分析区域及分析结果分别如图4及表1所示。排除基体材料Cu之外，从黑色固态粘性物质中只分析出了C及O 2种元素，且两者的含量基本相等，其质量分数均在23%左右。

图2 断裂的X柱铜条光学显微结构

2 分析与讨论

高压电抗器是变电站的常见设备之一，其实质即为电感[3]。一般来说，会在螺旋包围的铜片中心插入铁心以提高所形成的磁场强度。电抗器在运行中由于电磁感应不可避免地会存在一定的振动。振动在线检测中即发现了除铁心振动以外的工频振源。若振动情况严重，围绕在铁心四周的铜条就有可能在过大的振动幅度中损坏，甚至导致铜条拉断。铜元素为面心立方结构，滑移系众多，塑性很好，低温脆性倾向也不明显。林阳洋等人的研究表明[4]，铜基材料即使在800～1000℃的高温条件下被拉断，断口上依然有韧窝存在。因此，若此次事故中的铜条是被拉断的，在断口上一定存在塑性变形的典型特征——撕裂棱和韧窝[5]。但SEM微观形貌显示X柱铜条断口表面并无撕裂棱或韧窝的存在，因此判定断口特征不符合韧性断裂，可以排除铜条是在铁心振动过程中被塑性拉断的。同时，金相分析结果显示，X柱铜条靠近断口区域的平均晶粒尺寸要比远离断口区域的平均晶粒尺寸大很多。考虑到局部放电在线监测系统在过去半年间采集到的数次明显局部放电现象，高压电抗器解体检查过程中也在其内部发现多处放电痕迹，可以推断断口附近区域的组织应经历过最高温度大于0.4Tm=434℃的热循环[6]。由于温度较高，在热循环过程中，该区域的晶粒依次发生了回复、再结晶和晶粒长大过程，因而其平均晶粒尺寸较其他区域得到了显著增长。从其金相组织来看，铜条断裂前应较长时间处于高温状态。根据火灾科学对铜导线熔痕微观形貌特征的研究成果，火烧熔痕中多层铜片会呈粘连状态，并且断口处会形成直径较大的熔珠。而对于短路熔痕，其断口表面一般会存在大小不一、分散程度各异的气孔[7-8]。比较来看，此次断裂铜条的断口形貌与火烧熔痕及短路熔痕均不相符。综合分析上述结果，铜条很可能是在放电条件下，由于电流过载，长时间过热而被熔断的。

图3 X柱铜条断口的SEM微观显微形貌

图4 EDS分析区域及分析结果

表1 黑色固体粘性物质的EDS分析结果

此外，根据对铜条表面黑色固态粘性物质的EDS分析结果，知其主要组成元素为C及O两种。由于H元素质量太轻无法在EDS分析中被检出，因而推测黑色粘性物质的真实化学成分很可能由C，H及O这3种元素组成，并且其中C元素和O元素的构成比例相同或十分接近。上述2点特征均与绝缘纸主要成分木质纤维素（含有木糖C5H10O5及葡萄糖C6H10O6）的化学分子式（C5H10O5）n高度吻合[9]，因而可以确定黑色固态粘性物质是由原本覆盖在铜条上的绝缘纸在高温放电条件下碳化而形成的。这也能较好地解释为什么宏观检查时断裂的X柱铜条表面绝缘纸会缺失以及为什么黑色固态粘性物质与铜条结合得较好的实验现象。

3 结论

此次特高压变电站高压电抗器地屏X柱铜条是由于局部放电，长时间温度过高而熔断的，并非铁心振动引起的机械振动拉断。这从铜条断口区域的平均晶粒尺寸比远离断口区域的平均晶粒尺寸大以及铜条断口表面不存在撕裂棱或韧窝等塑性变形特征2点证据上可以得到印证。而粘附在X柱铜条表面的黑色固态粘性物质是原本覆盖在铜条之上的绝缘纸在高温放电条件下碳化所形成的。此次铜条断裂原因的确定对之后维修方案的制定、同类事故的预防以及设备结构的改进有所帮助。

[1]何毅帆.基于流体分析的并联电抗器局部放电的识别与定位研究[J].浙江电力，2015，34（9）∶10-14.

[2]何文林，邵先军，赵寿生，等.面向对象的运行中变压器抗短路能力评估方法与应用研究[J].浙江电力，2016，35（7）∶1-7.

[3]周勤勇，郭强，冯玉昌，等.可控高压电抗器在西北电网的应用研究[J].电网技术，2006，30（6）∶48-52.

[4]林阳洋，宋克兴，国秀花.Al2O3/Cu复合材料的高温拉伸性能研究[J].铸造技术，2005，26（10）∶959-962.

[5]张继东，李才巨，朱心昆，等.大塑性变形对纯铜力学性能的影响[J].云南冶金，2007，36（1）∶56-68.

[6]赵品.材料科学基础教程[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2009.

[7]王芸，安晓利，魏星，等.铜导线短路熔痕微观形貌特征分析与研究[J].火宅科学，2008，17（1）∶44-48.

[8]杨晓红.火烧熔痕与短路熔痕形态特征差异研究[J].辽宁大学学报自然科学版，2014，41（3）∶230-234.

[9]牛涛，汤金婷，李志军，等.木质纤维素原料预处理前后主要糖成分的测定[J].酿酒科技，2009，8∶125-127.

（本文编辑：方明霞）

Cause Analysis on Copper Bars Fracture of a High-voltage Reactor Ground Screen of Ultra-high Voltage Substation

ZHOU Yutong，WANG Jionggeng，ZHANG Jie，HU Jiezi，MEI Jian
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

Copper bars of a high-voltage reactor ground screen located in an ultra-high voltage substation fractured，resulting in equipment shutdown.SEM （scanning electron microscopy），EDS（energy dispersive X-ray spectrometer）and other techniques are adopted to analyze the reasons of copper bars fracture.The results indicate that no tearing ridge and dimple can be found on the surface of the fracture.The average grain size of the regions near the fracture is much larger than that of the regions far away from the fracture.The black solid sticky substance on copper bar surface is carbide of electrical insulating paper.Based on the above three points，it can be inferred that the copper bars are fused due to local overheating instead of mechanical vibration.

ultra-high voltage substation；high-voltage reactor；copper bar；fracture

TM47

：B

：1007-1881（2017）03-0013-04

2016-10-10

周宇通（1987），男，工程师，博士，主要从事电力系统所涉及金属材料的试验研究和失效分析。