变电站铝合金接线板失效分析

陈家慧,刘 曦,冯 杰,赵兴虹,赵玉珍,吴隆文

(1. 国网四川省电力公司电力科学研究院，成都 610041； 2. 四川蜀能电力有限公司高新分公司，成都 610041；3. 清华大学 材料学院，北京 100084； 4. 四川大学 电气工程学院，成都 610065)

铸造铝合金因具有导电性好、比强度高、零件结构设计限制小等综合优点，在电网系统中得到广泛的应用[1-8]。铸造铝合金接线板是连接变电站导线与电网设备的重要电气部件，对电网的安全、稳定、经济运行有重要的辅助作用。由于其制造门槛低，若生产过程中对产品质量把控不严，如材质选择不当、结构设计不合理、铸造质量差等[9-10]，铸造铝合金接线板会出现缺陷。铝合金接线板工作时，大多直接暴露在大气中，易受腐蚀介质影响[11-14]。其自身缺陷和腐蚀环境均会导致接线板开裂失效事件的发生，给电网运行带来重大隐患。2018年9月，某变电站电容式电压互感器(CVT)顶部接线板出现不同程度的断裂或开裂，如图1所示。接线板为一体式铸造铝合金，投运时间为2005年6月。本工作以该起典型事故为例，通过宏观检查、材料检测、力学试验等理化分析手段分析了接线板失效的原因，并提出了有效防护措施，为接线板的设计、制造、维护等工作提供参考。

(a) 两侧断裂(b) 一侧断裂(c) 一侧开裂图1 现场失效接线板的宏观形貌Fig. 1 Macrographs of failed terminal boards on site: (a) fracture on both sides; (b) fracture on one side; (c) crack on one side

1 理化检验与结果

1.1 宏观形貌

正常情况下，接线板通过螺栓分别与CVT顶盖和30°双导线设备线夹相连。裂纹和开裂均出现在垂直板与底板的侧面交界处，在底板与钢制CVT顶盖接触面有大量的白色粉末及块状腐蚀产物，CVT顶盖表面凹凸不平，已被严重锈蚀，如图1所示。

选取一侧开裂的接线板进行进一步观察，如图2所示。可见，接线板结构近似一个倒置的T型，底板厚11 mm、垂直板厚14 mm，垂直板与底板在正面与背面的连接处有弧形过渡，在两侧面则为直角连接，裂纹位于一侧直角连接处，贯穿底板表面，且在A端的深度和宽度大于B端的，这表明裂纹是由上而下、从A端扩展到B端，其中垂直板与双导线设备线夹的接触面与B端在同一侧。从接线板的断面可见腐蚀深度已达4 mm，断口整体较平整，未见明显塑性变形，可见较多气孔缺陷，具有脆性断口特征，如图2(d)所示。

1.2 化学成分

通过直读火花光谱仪分析失效接线板的化学成分，结果如表1所示。可见，该接线板的化学成分接近GB/T 1173-2013《铸造铝合金》标准对ZL108铝合金的要求 ，但Zn、Fe、Pb含量高于标准ZL108铝合金的，Mn含量低于标准ZL108铝合金的。ZL108铝合金具有优良的铸造性、耐磨性及耐热性，但耐蚀性较差，过量的三种杂质元素会进一步降低材料的耐蚀性。

1.3 力学性能

从失效接线板上切取3块尺寸为5 mm×10mm×130mm的试样进行拉伸试验。结果表明，试样的抗拉强度分别为128、149、110 MPa，均小于GB/T 1173-2013标准中对ZL108铝合金抗拉强度的最低要求(195 MPa)。

(a) 正视图(b) 侧视图(c) 底面 (d) 断面 图2 开裂接线板的宏观形貌Fig. 2 Macrographs of cracked terminal board: (a) front view; (b) side view; (c) under-surface; (d) fracture

表1 失效接线板的化学成分(质量分数)Tab. 1 Chemical composition of failed terminal board (mass fraction) %

1.4 显微组织

在失效接线板断口附近取样进行金相分析，腐蚀剂为Keller′s试剂(VH2O∶VHNO3∶VHCl∶VHF=95.0∶2.5∶1.5∶1.0)。由图3(a)可知，开裂接线板组织为白色固溶体α相(Al)、灰色针状β相(Al-Fe-Si)和块状初晶Si，属于未经变质处理的过共晶铸造铝硅合金。图3(b)显示，裂纹主要沿针状β相扩展，断口附近存在较多形状不规则的黑色区域，为铸造过程中产生的孔洞缺陷。通过扫描电镜附带的能谱仪对断口附近的针状β相进行分析，结果如图4所示。从微观形貌可见，针状β相内部存在明显的裂纹，其组成元素为Al，Si，Fe。

(a) 无裂纹处

(b) 裂纹处图3 失效接线板的显微组织Fig. 3 Microstructure of failed terminal board: (a) crack free zone; (b) crack zone

1.5 断口形貌

通过扫描电镜观察失效接线板断口的微观形貌。由图5(a)和5(b)可知，图2中近A侧断口的腐蚀深度大于近B侧断口的，这与裂纹从A端向B端扩展的路径相符合。进一步放大近B侧断口后可见，区域I呈“泥纹和龟裂”特征，为明显的应力腐蚀产物形貌，区域II以准解理形貌为主，符合脆性断裂特性，如图5(c)和图5(d)所示。

图4 针状β相的微观形貌及能谱图Fig. 4 Micro-morphology and energy spectrum of needle-like β phase

1.6 腐蚀产物

从图5中断口Ⅰ区域腐蚀产物取样，采用扫描电镜附带的能谱仪及X射线衍射仪进行分析。能谱分析结果表明，失效接线板的腐蚀产物的化学成分(质量分数)为：62.7% O、33.5% Al、1.9% Fe、0.9%Si、0.9%S；XRD谱显示，腐蚀产物为Al(OH)3,如图6所示。

1.7 结构分析

通过Abquas有限元分析软件，对失效接线板的受力情况进行模拟计算，结果如图7所示。模拟计算结果表明，垂直板与底板的交界处为应力集中区域，底面孔边距会影响接线板受力情况：当接线板底面螺栓孔的边距L为20 mm，最大等效应力值为2.9 MPa。当L为40 mm和60 mm时，最大等效应力均有所减小，分别为2.4 MPa和2.1 MPa。

2 失效原因分析

通过材料的化学成分和显微组织分析可见，铁含量过高会导致铝合金中出现大量针状β相。β相硬而脆，不溶于铝合金基体，铝合金受力时易在硬脆性相处形成应力集中而产生裂纹，大大降低了铝合金的抗拉强度、延伸性及耐蚀性。另外，铝合金中的孔洞为受力薄弱区域，为裂纹的产生和扩展提供有利条件。在β相和孔洞缺陷共同作用下，铝合金接线板的抗拉强度远小于标准要求值。

从接线板断裂的现场形貌可知，钢制CVT顶盖与接线板底板通过螺栓连接，两者之间缝隙较小，易聚集潮气和雨水，形成腐蚀环境。腐蚀产物分析结果显示，除了氧元素以外，腐蚀产物中存在一定比例的硫元素，这表明腐蚀介质中含有硫。这些硫主要来自于周边工业区产生的SO2。SO2在水中溶解后呈酸性，易破坏铝合金表面的氧化膜，使新鲜金属基体裸露在环境中并被不断腐蚀为Al3+，最终在阴极区吸氧形成白色腐蚀产物[14]。接线板与引线均通过30°双线夹相连，接线板长期承受由引线弹力及重力产生的外应力。由力学模拟结果可知，受力时在接线板垂直板与底板的交界处形成应力集中区，最大等效应力为2.9 MPa，增大底面螺栓孔边距可以有效减小应力。在腐蚀介质和应力的共同作用下，接线板在垂直板与底板的交界处产生应力腐蚀开裂。由失效接线板的显微组织和断口形貌分析可知，接线板断裂为沿晶脆性断裂，断口被“泥纹和龟裂”状腐蚀产物覆盖，具有应力腐蚀断口特征。

(a) 近A侧(b) 近B侧

(c) Ⅰ区域(d) Ⅱ区域图5 失效接线板的断口形貌Fig. 5 Fracture morphology of failed terminal board: (a) near A side; (b) near B side; (c) at Ⅰ area; (d) at Ⅱ area

图6 腐蚀产物的XRD谱Fig. 6 XRD pattern of corrosion products

钢制品在空气中极易氧化，常采用热镀锌层对其进行腐蚀防护。该事故变电站CVT顶盖为镀锌钢板，锌和铁的标准电极电位分别为-0.762 V和-0.441 V，在酸性腐蚀环境中镀锌层作为牺牲阳极对钢板起到阴极保护作用，随着镀锌层腐蚀程度的加重，钢板失去了锌的防护作用而开始氧化，产生红褐色腐蚀产物[15]。另一方面，铝的电极电位负于铁且电位差较大，铝合金和失去保护层的钢板通过介质溶液接触，形成原电池，发生电偶腐蚀，电位较低的铝作为阳极不断被氧化，腐蚀速率加快，铁作为阴极吸收离子，腐蚀速率降低。接线板的腐蚀减薄，极大削弱了其力学性能，促进了裂纹的扩展，严重时造成接线板断裂。

(a) 20 mm (b) 40 mm (c) 60 mm图7 底面孔边距对接线板受力情况的影响Fig. 7 The influence of hole edge space on the stress of terminal board

3 结论与建议

铝合金中大量针状β(Al-Fe-Si)相及孔洞缺陷导致接线板抗拉强度偏低，在外应力和腐蚀介质的共同作用下，在接线板的垂直板与底板交界处产生应力腐蚀开裂，铝合金底板与失去保护层的钢通过腐蚀介质接触形成原电池，加速了铝合金的腐蚀溶解，使底板厚度不断减薄，增大了裂纹扩展速率，严重时可导致接线板快速断裂。

根据以上分析，为今后工作提出以下几点建议：

(1) 加强对接线板的监督检测，防止部件“带病”入网。

(2) 优化接线板结构设计，减小接线板受力，如增大接线板底面螺栓孔边距。

(3) 改变接线板与CVT顶盖的连接方式，避免产生电化学腐蚀。