林 鈞，王 磊，胡華杰，顧朝旭

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波 315012）

0 引言

2016年12月，國網(wǎng)寧波供電公司檢修人員在對(duì)某2個(gè)變電站進(jìn)行檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)1個(gè)110 kV間隔線路接地開關(guān)的2個(gè)鋁制拐臂和多個(gè)110 kV間隔接地開關(guān)接地引出端壓接法蘭層狀剝落腐蝕嚴(yán)重。經(jīng)過分析，由于該拐臂采用的是2A12硬質(zhì)鋁合金，拐臂的材質(zhì)成分不合格，加之材質(zhì)抗腐蝕能力較弱，在海洋—工業(yè)廢氣環(huán)境及干濕交替的條件下整體腐蝕，從而出現(xiàn)層狀剝落的現(xiàn)象。就這2起GIS設(shè)備鋁制部件腐蝕進(jìn)行原因分析，并提出防范措施，以期能為防范和處理這類故障提供參考。

1 缺陷情況

1.1 缺陷設(shè)備信息

變電站A 110 kV GIS（勝鑫1795間隔）與變電站B 110 kV GIS設(shè)備均為上海西電高壓開關(guān)有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為ZF23-126，且均為2014年投產(chǎn)，戶外布置。

1.2 缺陷具體情況

（1）變電站A勝鑫1795線路接地開關(guān)鋁制傳動(dòng)拐臂（即機(jī)構(gòu)與GIS內(nèi)部隔離開關(guān)觸頭之間的傳動(dòng)部件）腐蝕嚴(yán)重、層狀剝落，如圖1、圖2所示（已圈出）。

圖1 勝鑫1795線路接地開關(guān)拐臂腐蝕嚴(yán)重、層狀剝落

（2）變電站B 110 kV GIS多間隔接地開關(guān)的接地引出端絕緣子壓接法蘭（鋁環(huán)）表面腐蝕嚴(yán)重，若繼續(xù)腐蝕會(huì)引起GIS筒體漏氣，如圖3所示。

圖2 勝鑫1795線路接地開關(guān)拐臂腐蝕嚴(yán)重、層狀剝落

圖3 變電站B 110 kV GIS接地開關(guān)接地引出端絕緣子壓接法蘭腐蝕嚴(yán)重

2 缺陷原因分析

2.1 宏觀檢查

首先對(duì)發(fā)生層狀剝落的接地開關(guān)拐臂進(jìn)行了宏觀檢查，其大致尺寸為105 mm×20 mm×30 mm，典型宏觀形貌如圖4所示，可以看出，接地開關(guān)拐臂的所有外表面均密布著深褐色斑點(diǎn)。斑點(diǎn)形狀不一，大小不等，最大面積可達(dá)5 mm2。除了表面的深褐色斑點(diǎn)，拐臂多處位置（圖4中方框所示）還存在不同程度的粉末化及層狀剝落現(xiàn)象。部分金屬材料已缺失，使得部分位置的寬度或厚度有所減少，其中最為嚴(yán)重的連桿處，其寬度比發(fā)生剝落前減少約5 mm。

2.2 防腐蝕對(duì)比試驗(yàn)

針對(duì)此問題，上海西電高壓開關(guān)有限公司將2A12鋁合金更換為防腐性能優(yōu)良的5083鋁合金材料，并按照GB/T 22639-2008《鋁合金加工產(chǎn)品的剝落腐蝕試驗(yàn)方法》做了防腐蝕的對(duì)比試驗(yàn)，見圖 5—8。

圖4 接地開關(guān)拐臂的宏觀形貌

圖5 試驗(yàn)開始（兩邊是5083鋁合金，中間是2A12鋁合金）

圖6 試驗(yàn)中（兩邊是5083鋁合金，中間是2A12鋁合金）

圖7 試驗(yàn)結(jié)束（5083鋁合金拐臂）

試驗(yàn)結(jié)果表明：5083材料抗腐蝕能力遠(yuǎn)高于2A12材料，適合在戶外環(huán)境下長期使用；同時(shí)對(duì)5083材料的零件進(jìn)行破壞性拉力試驗(yàn)，結(jié)果表明其強(qiáng)度完全可以滿足使用要求。

圖8 試驗(yàn)結(jié)束（2A12鋁合金拐臂）

2.3 金相組織分析

在接地開關(guān)拐臂上取樣鑲嵌，打磨拋光后于金相顯微鏡下進(jìn)行金相組織分析，如圖9所示。接地開關(guān)拐臂的晶粒為長條形，伴隨著一定數(shù)量的變形孔洞，為典型的變形鋁合金的金相組織。金相組織整體上未見明顯異常，符合2A12硬質(zhì)鋁合金的標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 接地開關(guān)拐臂的金相組織

2.4 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀對(duì)接地開關(guān)拐臂的材質(zhì)進(jìn)行了復(fù)核，其結(jié)果列于表1中。將表1數(shù)據(jù)與GB/T 3190-2008《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》中2A12鋁合金的標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分對(duì)比后可知，拐臂中Si元素和Fe元素的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于0.5%的要求，同時(shí)Cu元素的含量也略低于國標(biāo)中3.8%～4.5%的范圍。因此，可以判定該接地開關(guān)拐臂的2A12鋁合金成分不符合國家標(biāo)準(zhǔn)，材質(zhì)不合格。

2.5 SEM和EDS分析

將接地開關(guān)拐臂樣品置于SEM（掃描電子顯微鏡）中觀察表面微觀形貌，不同區(qū)域的典型形貌如圖10—12所示。從圖中可以看出，接地開關(guān)拐臂層狀剝落區(qū)域的表面由數(shù)量眾多的塊狀或圓片狀產(chǎn)物堆疊而成（見圖10），在其斷面方向上，剝落區(qū)域的層狀結(jié)構(gòu)十分明顯（見圖11）。而在宏觀上未發(fā)生層狀剝落，肉眼觀察為深褐色斑點(diǎn)區(qū)域的表面，可以明顯觀察到已經(jīng)形成了大量形狀不規(guī)則的點(diǎn)狀或胞狀物質(zhì)（見圖12）。與此同時(shí)，通過EDS（能譜儀）技術(shù)對(duì)上述區(qū)域進(jìn)行成分分析，分析位置及分析結(jié)果如圖13—14及表2—3所示。結(jié)果顯示，深褐色斑點(diǎn)區(qū)域含有高達(dá)76.24%的O元素，15.38%的Al元素和2.61%的S元素。層狀剝落區(qū)域也含有76.68%的O元素和21.91%的Al元素。這表明2個(gè)區(qū)域的主要物質(zhì)均應(yīng)為Al的氧化物。

表1 接地開關(guān)拐臂的化學(xué)成分

圖10 接地開關(guān)拐臂層狀剝落區(qū)的表面形貌

圖11 接地開關(guān)拐臂層狀剝落區(qū)域的斷面形貌

2.6 綜合分析

圖12 接地開關(guān)拐臂表面深褐色斑點(diǎn)的表面形貌

圖13 接地開關(guān)拐臂深褐色斑點(diǎn)的分析位置

圖14 接地開關(guān)拐臂層狀剝落區(qū)域的分析位置

表2 接地開關(guān)拐臂深褐色斑點(diǎn)的化學(xué)成分

表3 接地開關(guān)拐臂層狀剝落區(qū)域的化學(xué)成分

結(jié)合接地開關(guān)拐臂的宏觀形貌、SEM微觀形貌以及EDS分析結(jié)果可以得出，層狀剝落物質(zhì)以及肉眼下呈深褐色區(qū)域表面形成的大量點(diǎn)狀物質(zhì)均應(yīng)為腐蝕產(chǎn)物。腐蝕最初在拐臂表面的個(gè)別區(qū)域開始萌芽，該階段以點(diǎn)蝕為主。圖12即為典型的點(diǎn)蝕階段微觀形貌，表面腐蝕產(chǎn)物使得這些區(qū)域失去了金屬光澤，從而在肉眼觀察下呈現(xiàn)深褐色。接著，腐蝕以點(diǎn)蝕形成的腐蝕坑為中心向周圍擴(kuò)展，當(dāng)腐蝕產(chǎn)物在大部分表面連續(xù)分布時(shí)，材料從點(diǎn)蝕進(jìn)入全面腐蝕階段。隨后，腐蝕進(jìn)一步向深層次發(fā)展，由于腐蝕形成產(chǎn)物（主要為Al2O3，AlCl3及 Al（OH）3）的體積和變形能力等物理性質(zhì)與原基體金屬不同，因而外層腐蝕產(chǎn)物發(fā)生龜裂、粉末化、剝離甚至脫落。

變電站A和B位于沿海區(qū)域，海水會(huì)使沿海地區(qū)空氣中的Cl離子含量顯著增高。已有大量研究證明，Cl離子能夠破壞鋁合金表面的Al2O3鈍化層，在鋁合金表面造成點(diǎn)狀腐蝕，并最終形成全面腐蝕。與此同時(shí)，EDS分析結(jié)果顯示，點(diǎn)蝕形成的腐蝕產(chǎn)物中S元素含量較高，這說明變電站A和B所處的環(huán)境中，除Cl離子以外，由工業(yè)廢氣中SO2形成的酸雨也比較嚴(yán)重。該拐臂位于室外，常年遭受風(fēng)吹雨淋，干濕交替，工作環(huán)境十分惡劣，酸雨與Cl離子相互協(xié)同作用，大大加快了拐臂被整體腐蝕的速度。

綜合所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以判斷該接地開關(guān)拐臂是由于材質(zhì)不合格，加之在海洋-工業(yè)廢氣環(huán)境干濕交替的條件下，受Cl離子及硫酸聯(lián)合作用造成全面腐蝕，最終導(dǎo)致金屬表面層狀剝落。

3 防范措施

（1）由上海西電公司安排專業(yè)人員對(duì)其在浙江電網(wǎng)運(yùn)行的GIS設(shè)備開展特巡，各地市供電公司配合完成，工作完成后出具特巡報(bào)告，并提交省公司運(yùn)檢部。

（2）將快速接地開關(guān)拐臂的材質(zhì)由2A12鋁合金更換為防腐性能優(yōu)良的5083鋁合金材料，接地開關(guān)引出絕緣子壓接法蘭由2A12鋁合金更換為ZL104材料，并在表面涂氟碳漆以加強(qiáng)防腐性能。

（3）由上海西電公司對(duì)新型傳動(dòng)拐臂材料（5083鋁合金）的機(jī)械強(qiáng)度進(jìn)行理論計(jì)算、機(jī)械強(qiáng)度校核（包括拉伸、扭曲耐受力等參數(shù)），并出具理論計(jì)算報(bào)告和強(qiáng)度試驗(yàn)報(bào)告，其中機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)由省電科院專業(yè)人員現(xiàn)場見證。

（4）對(duì)已投運(yùn)并采用2A12硬質(zhì)鋁合金材質(zhì)的GIS設(shè)備，應(yīng)視缺陷情況安排停電，優(yōu)先進(jìn)行戶外GIS缺陷部件的更換，配件及SF6氣體由上海西電公司無償提供。

（5）對(duì)未投運(yùn)GIS設(shè)備，要求上海西電公司在出廠前或基建階段全部進(jìn)行更換。

4 結(jié)語

對(duì)處于海洋-工業(yè)廢氣環(huán)境中的變電站，其金屬部件被腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)較大，應(yīng)將接地開關(guān)的使用環(huán)境從室外改造為室內(nèi)。一旦避免雨水將酸性物質(zhì)帶到鋁合金的表面，斷絕了腐蝕介質(zhì)和干濕交替的腐蝕環(huán)境，拐臂等鋁制金屬件的使用壽命必定大大延長。

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