变压器出线套管线夹开裂事故分析与预防

蔡莉姿

摘要：21世纪电力电网的迅猛发展已经成为我国经济建设快速增长的强效助推剂，而电力设备特别是主变压器设备的运行质量是影响电网安全稳定运行的重要因素，近几年浙江省主变压器套管线夹开裂事故频发，对电网的可靠性和设备运维工作提出了更高的要求。

关键词：变压器;出线套管线夹开裂;事故分析与预防

引言

随着人们生活水平和经济发展水平的不断提高，对于电力需求与日俱增，电网安全显得尤为重要。主变压器及其附属设备质量问题造成的设备事故中，出线套管线夹开裂事故占据过半数比例。据了解，主变设备出线套管线夹按材质又可分为铜铝过渡设备线夹和铝设备线夹，现有运行设备多采用铜管/铝管焊接端子板或整体铸造的方法加工。然而，无论是采用焊接还是铸造的加工方法，管形结构和端子板之间的接合处始终是一个薄弱环节，此处在加工过程中容易形成缺陷，在使用過程中容易产生失效，进而危及设备安全。

1宏观检查

在近期发生的主变压器（以下简称“主变”）出线套管线夹事故中，我选取了三起典型的事故进行宏观检查。一是某变电站一台500kV主变B相35kV侧出线套管线夹（1号线夹）裂纹的局部照片，如图1，裂纹贯穿整个横面，但未贯穿纵面，底部尚有部分相连。该线夹系一体铸造而成，厂家提供为HPb59-1材质。二是另一主变110kV套管线夹（2号线夹）裂纹宏观照片，如图2所示，裂纹由外壁延伸至内壁，已贯穿。开裂处位于线夹的变截面部位，且贯穿整个部件。这三起典型事故是同一主变发生的多起套管线夹碎裂事故中的其中两个失效线夹，如图3（3号线夹）和图4（4号线夹）所示，可见其断裂位置均位于线夹管型结构和端子板结合位置，且裂纹都沿45°方向贯穿壁厚。综上，这三起典型线夹开裂位置均位于变截面、变弧处等应力集中处。

2变压器套管引出线及出线结构特点介绍

①低压线圈导线（1）轴向出线后以一角度（避开夹件腹板下边沿）从线圈压板的豁口引出，沿线圈压板向变压器油箱侧水平布置，直到伸出线圈压板边沿第一距离后再向下方垂直布置到第二距离，最后向两边（a，x各走一边）水平布置到低压引线接线端子（4），与铜排（3）连接，再由铜排（3）引出到低压套管接线板（8）上。②铜排到低压套管接线板（8）之间的连接采用铜接线脚（7）上固接软铜接线片（6）的结构，接线脚（7）一端连接低压套管接线板（8），软铜接线片（6）一端连接铜排（3）。③在低压升高座（11）壁上固接无磁钢脚板（10），以接线脚夹持件（9）做为装配夹持件对接线脚（7）进行固定和限位。④在靠近低压套管接线板处固接冷却器相连的冷却联管（12）。如图五，图六所示。

3材质分析

材质问题在线夹多次断裂事故中最为普遍。这三起线夹事故中，除了第一起失效线夹与厂家提供的HPb59-1牌号材质基本相符（Pb略偏高，而GB/T5231-2012《加工铜及铜合金牌号和化学成分》中PHb59-1的Pb含量要求在0.8%～1.9%），其余两起的失效线夹因厂家拒绝提供材质信息，只能粗定基材属于铅黄铜，但无法判断其成分合格与否;而第三起的2个失效线夹材料中的Pb含量远高于铅黄铜对Pb的要求（GB/T5231-2012根据所有铅黄铜中Pb含量不得超过4.5%）。这三起材质分析结果表明，线夹普通存在材质不清、错用等问题。

4金相组织分析

分别对以上4个缺陷线夹开裂位置附近取样镶嵌、抛光、侵蚀后，在Axiovert200MAT研究级大型金相显微镜下观察和拍照，结果如下：1号线夹内部裂纹与金相组织，裂纹沿晶扩展，内部原始小缺陷众多，且多平直;内部金相组织由白色条状的α相、灰色基体β相和黑色颗粒即Pb（铅）析出相三相构成，属于HPb59-1黄铜的正常金相组织。2号线夹内部裂纹与金相组织，裂纹尖端沿晶扩展，有分叉，主裂纹附近有微裂纹;金相组织显示是铜基材常见的α相+β相，晶界分明，柱状晶粒粗大。3号、4号线夹断口裂纹金相组织，断口附近的裂纹较为平直，沿晶和穿晶扩展兼具，深度不一，部分微裂纹汇聚形成孔洞缺陷;线夹基体金相组织是铅黄铜铸件常见的α相+β相，并伴有明显的黑色杂质体，在SEM（扫描电子显微镜）的高倍视场下析出相更明显，成分待测定。

5能谱微区分析

选取3号、4号线夹的金相试样在SEM下观察。将凹坑位置标注Ⅰ区、晶界位置组织标注Ⅱ区、母材α相标注Ⅲ区。对以上三区采集数据进行能谱分析，结果如表2和表3所示，Ⅰ区即凹坑位置也就是金相照片中的黑色杂质，成分以Pb为主，Cu（铜）和Zn（锌）含量远小于黄铜中所占比例;Ⅱ区和Ⅲ区含量接近，基本就是铜锌合金。能谱结合光谱成分结果，Pb含量远高于铅黄铜系列对Pb的标准要求，组织中的黑色杂质是铸件中过量未完全固溶的Pb，Pb杂质的偏析将影响材料的强度。另选取4号线夹金相试样在SEM下观察裂纹形貌。对裂纹位置，采集数据进行能谱分析，裂纹中含有较高浓度的Cl（氯），促使黄铜发生腐蚀开裂，在裂纹中的腐蚀产物成分也较为复杂。

6建议

（1）因铜合金和铝合金种类繁多，不同系列和加工工艺下合金材料的化学成分和性能指标差异极大，设计单位需对不同部位线夹的整体强度进行校核，明确各部件材料牌号，尽量避免使用黄铜、铝合金这类模糊概念，给制造单位过大的自由选择空间。设计单位还应对该部位强度根据实际工况进行校核，明确线夹的材质信息和加工工艺。（2）制造单位除了进行必要的原材料力学性能、成分分析等试验，还需向使用单位提供线夹的再结晶退火和去应力退火的工艺报告，使产品质量具有可追溯性。（3）安装单位在安装环节必须注意零部件的质量问题，有条件的可在安装前进行必要的外观及探伤检查，避免因零部件缺陷导致设备存在安全隐患。（4）使用单位应加强对线夹的检查，特别是在环境污染较大地区的雨季时节，黄铜线夹发生开裂的概率较大。

结语

综上所述，这三起铜制线夹失效事故是因为原材料组织疏松，裂纹缺陷较易在应力集中部位产生，加之Pb含量过高产生偏析致使材料有效承载降低和黄铜季裂，裂纹在较大的外部载荷下加速扩展，直至断裂。

参考文献

[1]徐雪霞，欧阳杰，冯砚厅，等.设备线夹开裂失效原因分析[J].金属铸锻焊技术，2011，40（13）：160-163.