110 kV 变电站高压套管导电管断裂失效原因分析

高明德，尚国强，荆象阳

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南 250002；2.山东电力工业锅炉压力容器检验中心有限公司，济南 250002）

随着电网建设的突飞猛进，电力系统规模的不断扩大，变压器及其套管的使用量也随之迅猛增加，由于套管本身问题而导致的变电站停电事件越来越多，有逐年增大的趋势[1-3]。作为变压器外绝缘主要组件，变压器套管将变压器内部高低压引线引到油箱外部，支撑进、出引线并保证对地绝缘[4-5]。在变压器日常运行中，当短路在变压器外部发生时，套管中会出现短路电流，保证了变压器对电能的正常传输。变压器甚至整个电网能否安全稳定运行都与变压器套管的运行状况息息相关[6-9]。

1 变压器套管导电管结构及断裂事件描述

某供电公司110 kV 变电站2 号主变型号为SSZ11-50000/110，于2016 年5 月投运，其110 kV 侧A 相套管型号为BRDLW-126/630-4，该套管内部的绝缘介质形式为油浸式，采用的导电结构为穿缆式结构。该套管主要由电容芯子、空气端空心瓷绝缘子（即上瓷套）、油端空心瓷绝缘子（即下瓷套）、油枕和法兰等组成。主绝缘为电容芯子，采用同心电容串联而成，封闭在上下瓷套、油枕、法兰及底座组成的密封容器中，之间的接触面衬以耐油橡胶垫圈，并通过设置在油枕内的一组强力弹簧所施加的轴向压紧力作用，使各个组件形成整体的密封。套管内部处于良好的密封状态，与外界大气隔绝，套管内充有经过处理合格的变压器油，使内部主绝缘成为油纸结构，以提高绝缘能力。油枕可在套管温度、压力变化时进行补偿，其侧面设有油位计。法兰上设有取油装置和测量端子，测量端子与芯子末屏连接，作为套管介质损耗因数、电容量和局部放电量等测量之用。油枕和法兰均采用铝合金材料。

2020 年7 月31 日，该变电站2 号主变高压侧A相套管运行中出现喷油故障，紧急停电后对该套管吊芯检查，发现其导电管已经断裂，断裂位置位于导电管尾部加工螺纹的最后一圈根部，如图1 所示。设计要求材质为2A12-T4 铝合金管（合格导电管的抗拉强度不小于380 MPa、屈服强度不小于255 MPa），规格为Φ46 mm×5.5 mm。

图1 断裂的导电管

2 原因分析

2.1 宏观检查

对发生断裂的中心导电管进行宏观检查，发现断裂位置处在导电管从末端数第一道螺纹处，该部位为应力集中区域，在受到外部拉应力作用时容易在该应力集中区域发生断裂。断口较为粗糙，参差不齐，具有多个不同的台阶，脆性断裂特征较为明显。导电管端口宏观形貌如图2 所示。

图2 导电管端口宏观形貌

2.2 导电管受力分析

根据套管供应商提供的设计资料，导电管位于套管中心，起到卷电容芯子和产品整体紧固的作用，在运行中主要受到拉应力作用。利用设置在油枕内的一组强力弹簧所施加的轴向预紧力作用，套管各个组件形成整体的密封。弹簧预紧力通过上端压板传导到导电管上端的锁紧螺母上，从而使导电管上端的螺纹承受拉应力，相应的，导电管下段下瓷套与底座连接处的螺纹也承受一反向拉应力。弹簧正常的工作范围为40~60 kN 之间，在导电管螺纹部位（应力集中薄弱区）所施加的最大强度是128 MPa。导电管的结构示意图如图3 所示。

图3 导电管的结构示意图

2.3 材质分析

采用S1TITAN600 布鲁克X 射线荧光合金分析仪对断裂导电管进行材质分析，在横截面上任意选取导电管的3 个部位，材质分析结果见表1。从材质分析结果判断，断裂导电管的元素成分接近于6063 铝合金的元素成分。根据制造企业所提供的资料，导电管设计材质应为2A12-T4 铝合金，说明导电管材质不符合设计要求。另一方面，部分区域内Si 元素的含量偏高（测点2、测点3），说明存在成分偏析，Mg/Si 元素质量比小于平衡配比1.73∶1，Si 元素过剩。杂质Fe 与过剩的Si 容易与基体Al 结合，形成AlFeSi 二次相，该二次相的金相组织形貌为针状，其存在会引起合金脆化，降低材料的塑性[10-13]。

表1 断裂导电管材质分析结果及标准值

2.4 硬度检测

对断裂导电管金相横向取样，采用自动数显显微维氏硬度计Q30M 进行硬度检测，将测量得到的维氏硬度值换算为布氏硬度值。检测导电管横截面3 个部位，硬度检测结果见表2。从硬度检测结果判断，断裂导电管的材质符合6063 铝合金硬度要求。

表2 导电管硬度分析结果及标准值 HB

2.5 力学性能试验

对断裂导电管利用WDW-300E 试验机进行力学性能试验，试验项目包括抗拉强度、断后延伸率，试验结果见表3。该断裂套管的中心导电管设计要求材质为2A12-T4 铝合金管（合格2A12-T4 铝合金导电管的抗拉强度应不小于380 MPa，屈服强度应不小于255 MPa，断后延伸率应不小于10%）。

表3 导电管力学性能检测结果及标准值

断裂导电管的平均抗拉强度值为315 MPa，符合6063 铝合金的要求，与硬度检测结果一致，但该数值低于设计要求值（380 MPa），强度不达标；该样品的延伸率只有8%，低于6063 铝合金断后伸长率标准值（12%），说明其塑性较差。

2.6 扫描电镜分析

利用Zeiss Microscopy GmbH 73447 Oberkohen型扫描电子显微镜对A 相套管中心导电管断口进行分析，其断口微观形貌如图4、图5 所示，断口成典型的“冰糖状”沿晶脆性断裂特征，大量的细小韧窝散布于晶面上，说明该中心导电管的塑性较差。这与宏观检测的结果相一致，证明该导电铝管的断裂为脆性断裂。

图4 断口扫描电镜照片1

图5 断口扫描电镜照片2

2.7 金相分析

从断裂导电管上取样，采用AxioVert.A1 型金相显微镜对所截取的试样进行金相分析，其金相组织如图6 所示。在其金相组织中分布着较多的二次相（图中的球状黑点及黑条）。结合之前的材质分析结果，断裂导电管的Si 元素含量偏高，Si 在含有Mg 的铝合金中溶解度很低，从而在合金在凝固过程中发生共晶反应时产生二次相（不溶解组分相）[14]。由于二次相颗粒尺寸大（约1~100 μm 左右）、形状不规则和分布不均匀，属于脆性相，往往会成为裂纹萌生的源头，并且促使裂纹扩展，因而影响到材料的断裂强度和疲劳强度[15]。

图6 断裂导电管金相组织

因此，二次相的存在将导致材料塑性的降低，特别是当二次相沿晶界分布时，抗拉强度及塑性均会明显下降，易导致沿晶脆性断裂。由于套管材质较脆，裂纹产生之后，遇到外部载荷较高的情况（如大风、雨雪天气等）时，很容易迅速扩展，进而发生脆性断裂。

3 导电管断裂原因分析

综合上述试验分析，可以得出导电管断裂发生的主要原因。

（1）材质及元素成分。导电管使用的材质为6063铝合金，与原设计资料中所要求的2A12-T4 材质不符，所用材质的抗拉强度低于设计要求，且易引起合金脆化，降低塑性。

（2）自身结构。导电管自身的结构决定了导电管螺纹根部一定会存在应力集中，在受到外部较大的拉应力作用时容易发生断裂。

（3）加工工艺。制造加工工艺存在问题（成分偏析、二次相等）使得中心导电管延伸率偏低，断裂韧性较差，脆性较大。按照断裂力学的理论，断裂韧性越差的材料其裂纹失稳扩展的临界尺寸越小，中心导电管一旦萌生裂纹，就极易失稳扩展，从而发生脆性断裂。

上述3 个因素中，最根本的原因是实际材质与设计材质不符，导致其抗拉强度偏低，无法满足使用要求。

4 纠正预防措施

针对本次导电管断裂失效事件，具体提出以下3条纠正预防措施。

（1）导电管选用规定材质2A12-T4、抗拉强度不小于380 MPa 和屈服强度不小于255 MPa。

（2）每批导电管进厂，供方须提供合格证、质量检验报告，标明导电管材质、机械性能。

（3）对每批供货导电管按检验指导书规定进行材质检验，并做机械性能抽样检测。

5 结束语

高压套管是变压器的重要组成部分，在以往的运行中多注重其绝缘性能，对套管零部件的材质特性的质量把关不足，导致出现了一些原本可以避免的故障乃至停电事故。本文通过多种分析手段全面分析了导电管断裂的主要原因，对此类故障的预防和排查具有较高的参考价值。