范明，夏強峰，屠曄煒，王彪，言偉

（嘉興電力局，浙江嘉興314033）

一起220 kV設(shè)備引線線夾的失效故障分析

范明，夏強峰，屠曄煒，王彪，言偉

（嘉興電力局，浙江嘉興314033）

通過對某變電站220 kV設(shè)備失效引線線夾的宏觀檢驗、成分光譜分析、金相組織分析、材料力學(xué)性能測試等，對設(shè)備引線線夾的開裂失效原因進行了初步分析。分析認(rèn)為，設(shè)備線夾安裝殘余應(yīng)力導(dǎo)致其受力不均，線夾鑄造材質(zhì)疏松、晶粒粗大，選用線夾材料強度不當(dāng)，水汽滲入引線線夾壓接頭內(nèi)部等，是線夾開裂的主要原因，并據(jù)此提出了改進建議。

變電站；引線線夾；失效；分析

1 引線線夾失效概況

2011年3月12日，對嘉興某500 kV變電站1號母聯(lián)、副母分段間隔充氣式SF6電流互感器進行反措調(diào)換工作時，現(xiàn)場安全管理人員發(fā)現(xiàn)拆下的220 kV副母分段電流互感器至副母分段Ⅰ段母線側(cè)閘刀引線的線夾（截面1 440 mm2）根部有嚴(yán)重開裂現(xiàn)象，如圖1所示。次日，檢修試驗工區(qū)成立專項隱患排查小組，對該500 kV變電站進行統(tǒng)一排查，發(fā)現(xiàn)220 kV正母分段和副母分段、220 kV 1號母聯(lián)和2號母聯(lián)、1號主變壓器220 kV側(cè)、2號主變壓器220 kV側(cè)等間隔均存在設(shè)備引線線夾開裂現(xiàn)象。

這批設(shè)備線夾均為2002年5月該500 kV變電站一期投產(chǎn)時采用的大截面導(dǎo)線設(shè)備線夾。220 kV設(shè)備引線線夾包括SY-1440N A型（0°角）、SY-1440N B型（30°角）、SY-1440N C型（90°角，鏜孔貫穿）3種型號，本次出現(xiàn)開裂問題的均為A型和B型線夾而且均為引線向上。

圖1 設(shè)備引線線夾開裂

設(shè)備線夾主要用于引線與電氣設(shè)備出線端子的連接，引導(dǎo)線一般以鋼芯鋁絞線為主要載流體。線夾開裂現(xiàn)象的存在會導(dǎo)致變電設(shè)備的安全運行系數(shù)大大下降，甚至對電網(wǎng)的安全運行構(gòu)成威脅。因此有必要對設(shè)備引線線夾的失效情況進行分析，為設(shè)計、施工、維護等工作提供參考依據(jù)。本文通過對A型和B型試樣進行的宏觀檢查、成分光譜分析、金相組織分析、材料力學(xué)性能檢驗等，對線夾失效的原因進行分析。

2 檢驗結(jié)果及其分析

2.1 宏觀檢驗

圖2和圖3分別是A型和B型線夾的宏觀照片。A型0°引線向下，B型呈30°引線向上連接。如圖3所示，B型線夾缺陷裂紋的位置處在壓接管末端區(qū)域，該裂紋區(qū)域正是鋼芯鋁絞線和線夾的壓接處。統(tǒng)計現(xiàn)場有缺陷的B型線夾，發(fā)現(xiàn)缺陷均出現(xiàn)在該區(qū)域，可見B型線夾在該區(qū)域容易出現(xiàn)裂紋和塑性變形。

圖2 線夾整體宏觀形貌

圖3 B型線夾開裂缺陷宏觀形貌

圖4（a）和圖4（b）分別是B型線夾和A型線夾的剖面宏觀照片，可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部組織疏松多孔，截面粗糙，凹凸起伏，表明該批次線夾材質(zhì)耐腐蝕性較差，內(nèi)部存在一定的缺陷。圖4（c）和圖4（d）是B型線夾缺陷位置的宏觀照片，可見缺陷內(nèi)部不規(guī)則孔洞明顯，大小不一，開裂缺陷邊緣尖銳，表面有一定腐蝕現(xiàn)象。

2.2 材質(zhì)成分光譜分析

由于該批次線夾的具體材質(zhì)牌號和型號未知，需要通過光譜成分分析來初步確定。成分分析試驗采用材料分析移動工作站SPECTROTEST，試驗分析結(jié)果見表1。

圖4 A型和B型線夾剖面宏觀形貌

表1 線夾材質(zhì)成分光譜分析結(jié)果

由試驗分析結(jié)果可知：A型線夾和B型線夾中Al元素的含量都是99.6%，初步判斷是純鋁材質(zhì)。依照DL/T 346-2010《設(shè)備線夾》的相關(guān)要求規(guī)定，設(shè)備線夾本體按GB/T 1196《重熔用鋁錠技術(shù)條件》，采用鋁含量不低于99.5%的鋁材制造，該類型重熔用鋁錠材料化學(xué)成份（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）應(yīng)符合以下要求：AL≥99.5%，F(xiàn)e≤0.30%，Si≤0.22%，Cu≤0.02%，Ga≤0.03%，Mg≤0.05%，Zn≤0.05%，其他≤0.03%。本次試驗分析中A型和B型線夾材質(zhì)中鋁含量均大于99.5%，說明該批次線夾的材質(zhì)成分基本符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 金相組織分析

對A型和B型線夾試樣按照金相分析要求進行處理后在金相顯微鏡下觀察，顯微鏡配有相關(guān)圖像分析系統(tǒng)，可以利用電腦進行圖像采集和處理。金相分析試驗結(jié)果如圖5、圖6所示。

由圖5（a）可知，缺陷首先在晶界處形成，圖5（b）顯示缺陷相連聚集呈小孔洞；圖5（c）和圖5（d）中A型線夾的金相組織晶粒粗大，晶界較粗。

圖5 A型線夾金相組織分析結(jié)果

圖6 B型線夾金相組織分析結(jié)果

由圖6（a）可知，B型線夾晶界處裂紋細小，呈樹枝狀分叉，并沿晶擴展，逐漸形成小孔洞；圖6（b）中小孔洞漸漸聚集形成較大孔洞；最后形成圖6（c）（橫向最長處0.75 mm，縱向最寬處0.45 mm）和圖6（d）（橫向最長處0.8 mm，縱向最寬處0.4 mm）中所示的大孔洞。圖6（e）和圖6（f）是B型線夾無孔洞缺陷的金相組織，和A型一樣，組織晶粒較大，晶界較粗。

2.4 力學(xué)性能分析

金屬材料的力學(xué)性能是指金屬材料在外力作用下表現(xiàn)出來的特性，如強度、硬度、彈性、塑性、沖擊韌性等，是工程上用來描述材料性能的重要指標(biāo)。材料的強度和塑性可以通過拉伸試驗來確定。由拉伸試驗機（WES-600C/055）對A型和B型線夾進行拉伸試驗，結(jié)果見表2。

表2 線夾力學(xué)性能測試結(jié)果

由力學(xué)性能試驗結(jié)果可知，A型線夾拉伸試樣的抗拉強度和斷后伸長率平均值分別是67 MPa和34%；B型線夾拉伸試樣的抗拉強度和斷后伸長率平均值分別是71 MPa和24%（一般鑄造鋁合金的抗拉強度為150～400 MPa）。而DL/T 346-2010《設(shè)備線夾》的相關(guān)要求規(guī)定，擠壓鋁管抗拉強度不應(yīng)低于78 MPa。

可見經(jīng)過長時間的現(xiàn)場運行后，A型和B型線夾的抗拉強度已經(jīng)下降，且具有一定的塑性，不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 線夾失效原因分析

該類設(shè)備引線線夾由鋁錠鑄造加工成坯，再在線夾接頭末端沿中心軸線按尺寸要求進行鏜孔，將鋼芯鋁絞線插入其中，并采用機械壓力壓接而成。目前該線夾已運行10年，在其未壓區(qū)段圓柱體根部(與壓接區(qū)段交界處)發(fā)生了開裂。綜合宏觀檢驗、材質(zhì)成分光譜分析、金相組織分析、力學(xué)性能分析等檢驗檢測結(jié)果進行分析，初步得出了220 kV設(shè)備引線線夾失效的原因。

3.1 線夾所受應(yīng)力不均導(dǎo)致開裂

設(shè)備線夾的受力可以分為工作應(yīng)力和殘余應(yīng)力。工作應(yīng)力包括線夾導(dǎo)線的自身重力、橫向拉應(yīng)力、故障時流過導(dǎo)線電流產(chǎn)生的電動力。開裂的B型線夾受線夾引線的自身重力、橫向拉應(yīng)力、故障電流電動力的合成，此合成力與線夾彎角的方向不一致，同時線夾彎角處的機械性能也是該類線夾較薄弱的部位，故該區(qū)域易發(fā)生材料塑性變形，長期運行后出現(xiàn)裂紋。

線夾的殘余應(yīng)力是施工安裝過程中線夾螺栓緊固力矩不均勻引起的，此應(yīng)力會導(dǎo)致線夾引線受到一定的扭矩或者受力不均勻應(yīng)力，長期作用下使線夾材質(zhì)薄弱處出現(xiàn)裂紋。B型線夾安裝時應(yīng)使引線兩端的高度與引線投影到水平方向的長度相當(dāng)，投影長度越長，說明B型線夾彎角處受到的力矩越大，如圖7所示。故應(yīng)注意線夾安裝的工藝要求和安裝質(zhì)量。

圖7 B型線夾受力分析

相關(guān)文獻研究表明，風(fēng)載荷對線夾受力不均有一定影響，雖然因風(fēng)速的影響而使線夾受力的大小不足以直接造成設(shè)備線夾出現(xiàn)裂紋，但由于風(fēng)的作用使設(shè)備線夾處于交變載荷的作用下，線夾可能出現(xiàn)疲勞裂紋，甚至引起線夾疲勞斷裂。

3.2 水汽、溫度等氣候環(huán)境因素的影響

通過現(xiàn)場排查發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)線向上的線夾壓接頭內(nèi)部存在滲水和積水的可能性。

對于B型線夾，雨水可以沿著鋁絞線的縫隙和鋼芯間的空隙滲入接頭底部的空隙內(nèi)。當(dāng)外部溫度驟降時，水結(jié)成冰后體積膨脹，使壓接頭鋁腔壁產(chǎn)生塑性變形；當(dāng)氣溫升高時，空隙內(nèi)的冰融化成水，壓接頭鋁腔體積收縮。當(dāng)再次遇到陰雨天氣并且降溫至0℃以下時，空隙內(nèi)的水再次冰凍。反復(fù)多次就可能導(dǎo)致線夾壓接頭處開裂。由宏觀分析可知，B型線夾出現(xiàn)的裂紋處于線夾折角連接位置，故該批次B型線夾可能在線夾與鋼芯鋁絞線接頭部位存在空隙，長期運行后，連接部位已不能完全將外部環(huán)境與壓接頭空隙隔離開來，壓接頭內(nèi)部滲水的可能性很大，也可能是引起該批次線夾開裂的主要原因之一。

3.3 線夾的材質(zhì)問題

由金相檢驗結(jié)果分析可知，該批線夾金相組織存在明顯的缺陷和孔洞組織，線夾剖面疏松多孔，而且都是由內(nèi)部小孔聚集而成，這種組織形態(tài)將嚴(yán)重影響金屬材料的強度和韌性，粗大晶粒和材質(zhì)疏松又加劇了裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展。由線夾的力學(xué)性能試驗分析可知，A型和B型線夾的抗拉強度低于一般鑄造鋁合金抗拉強度的44.7%和47.3%。由于線夾本身材質(zhì)為純鋁，抗拉強度不夠也是導(dǎo)致線夾出現(xiàn)裂紋的原因之一。

4 結(jié)論與建議

根據(jù)以上分析，建議從以下幾方面對線夾開裂問題進行處理和改進：

（1）選擇合適的設(shè)備引線線夾，并提高安裝質(zhì)量。在變電站設(shè)計、施工過程中，應(yīng)根據(jù)線夾引線對線夾受力的影響，選擇合適彎曲角度的線夾。

（2）提高對設(shè)備線夾材料工藝的要求，解決材料晶粒粗大、材質(zhì)疏松等缺陷，減少可能的裂紋源，減少開裂傾向。

（3）選用合適、優(yōu)良的線夾材料，提高線夾材料自身的抗拉強度，減少線夾開裂的隱患。

（4）改進壓接頭的制作工藝，減小線夾壓接后在鋼芯鋁絞線中各股鋼絲和鋁絲間的縫隙，避免線夾與鋼芯鋁絞線接頭部位出現(xiàn)空隙，消除線夾內(nèi)部易出現(xiàn)滲水或積水的條件，或者采用大截面線夾并在下部開滴水孔等，防止線夾壓接頭內(nèi)部積水。

[1]鐘相源.變電站銅鋁過渡設(shè)備線夾斷裂分析[D].華北電力大學(xué)碩士論文，2007.

[2]無損檢測員（基礎(chǔ)知識）[M].北京：中國勞動出版社社會保障出版社，2010.

[3]DL/T 346-2010設(shè)備線夾[S].北京：中國電力出版社，2011.

[4]GB/T 1196-2008重熔用鋁錠[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

（本文編輯：龔皓）

Analysis on a Cleat Failure of 220 kV Fixture Wire

FAN Ming，XIA Qiang-feng，TU Ye-wei，WANG Biao，YAN Wei
（Jiaxing Electric Power Bureau，Jiaxing Zhejiang 314033，China）

The cause for cleat crack of 220 kV fixture wire is preliminarily analyzed in this paper on the basis of macroscopic examination,spectral analysis on the composition,metallographic structure analysis and test on mechanical property of material.It is concluded by the analysis that the cleat crack was mainly caused by uneven stress due to residual stress during installation,loosen casting material of cleat and gross grain,inappropriate strength of material of the cleat and inleakage of steam into the clamp joint,according to which the improvement is proposed.

substation；wire cleat；failure；analysis

TM407

：B

：1007-1881（2013）08-0029-04

2012-10-09

范明（1981-），男，浙江嘉興人，工程師，從事變電檢修管理和金屬監(jiān)督工作。