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        變壓器出線套管線夾開裂事故分析與預(yù)防

        2019-10-21 17:25:53蔡莉姿
        關(guān)鍵詞:變壓器

        蔡莉姿

        摘要:21世紀(jì)電力電網(wǎng)的迅猛發(fā)展已經(jīng)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速增長(zhǎng)的強(qiáng)效助推劑,而電力設(shè)備特別是主變壓器設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量是影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素,近幾年浙江省主變壓器套管線夾開裂事故頻發(fā),對(duì)電網(wǎng)的可靠性和設(shè)備運(yùn)維工作提出了更高的要求。

        關(guān)鍵詞:變壓器;出線套管線夾開裂;事故分析與預(yù)防

        引言

        隨著人們生活水平和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提高,對(duì)于電力需求與日俱增,電網(wǎng)安全顯得尤為重要。主變壓器及其附屬設(shè)備質(zhì)量問題造成的設(shè)備事故中,出線套管線夾開裂事故占據(jù)過半數(shù)比例。據(jù)了解,主變?cè)O(shè)備出線套管線夾按材質(zhì)又可分為銅鋁過渡設(shè)備線夾和鋁設(shè)備線夾,現(xiàn)有運(yùn)行設(shè)備多采用銅管/鋁管焊接端子板或整體鑄造的方法加工。然而,無(wú)論是采用焊接還是鑄造的加工方法,管形結(jié)構(gòu)和端子板之間的接合處始終是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié),此處在加工過程中容易形成缺陷,在使用過程中容易產(chǎn)生失效,進(jìn)而危及設(shè)備安全。

        1宏觀檢查

        在近期發(fā)生的主變壓器(以下簡(jiǎn)稱“主變”)出線套管線夾事故中,我選取了三起典型的事故進(jìn)行宏觀檢查。一是某變電站一臺(tái)500kV主變B相35kV側(cè)出線套管線夾(1號(hào)線夾)裂紋的局部照片,如圖1,裂紋貫穿整個(gè)橫面,但未貫穿縱面,底部尚有部分相連。該線夾系一體鑄造而成,廠家提供為HPb59-1材質(zhì)。二是另一主變110kV套管線夾(2號(hào)線夾)裂紋宏觀照片,如圖2所示,裂紋由外壁延伸至內(nèi)壁,已貫穿。開裂處位于線夾的變截面部位,且貫穿整個(gè)部件。這三起典型事故是同一主變發(fā)生的多起套管線夾碎裂事故中的其中兩個(gè)失效線夾,如圖3(3號(hào)線夾)和圖4(4號(hào)線夾)所示,可見其斷裂位置均位于線夾管型結(jié)構(gòu)和端子板結(jié)合位置,且裂紋都沿45°方向貫穿壁厚。綜上,這三起典型線夾開裂位置均位于變截面、變弧處等應(yīng)力集中處。

        2變壓器套管引出線及出線結(jié)構(gòu)特點(diǎn)介紹

        ①低壓線圈導(dǎo)線(1)軸向出線后以一角度(避開夾件腹板下邊沿)從線圈壓板的豁口引出,沿線圈壓板向變壓器油箱側(cè)水平布置,直到伸出線圈壓板邊沿第一距離后再向下方垂直布置到第二距離,最后向兩邊(a,x各走一邊)水平布置到低壓引線接線端子(4),與銅排(3)連接,再由銅排(3)引出到低壓套管接線板(8)上。②銅排到低壓套管接線板(8)之間的連接采用銅接線腳(7)上固接軟銅接線片(6)的結(jié)構(gòu),接線腳(7)一端連接低壓套管接線板(8),軟銅接線片(6)一端連接銅排(3)。③在低壓升高座(11)壁上固接無(wú)磁鋼腳板(10),以接線腳夾持件(9)做為裝配夾持件對(duì)接線腳(7)進(jìn)行固定和限位。④在靠近低壓套管接線板處固接冷卻器相連的冷卻聯(lián)管(12)。如圖五,圖六所示。

        3材質(zhì)分析

        材質(zhì)問題在線夾多次斷裂事故中最為普遍。這三起線夾事故中,除了第一起失效線夾與廠家提供的HPb59-1牌號(hào)材質(zhì)基本相符(Pb略偏高,而GB/T5231-2012《加工銅及銅合金牌號(hào)和化學(xué)成分》中PHb59-1的Pb含量要求在0.8%~1.9%),其余兩起的失效線夾因廠家拒絕提供材質(zhì)信息,只能粗定基材屬于鉛黃銅,但無(wú)法判斷其成分合格與否;而第三起的2個(gè)失效線夾材料中的Pb含量遠(yuǎn)高于鉛黃銅對(duì)Pb的要求(GB/T5231-2012根據(jù)所有鉛黃銅中Pb含量不得超過4.5%)。這三起材質(zhì)分析結(jié)果表明,線夾普通存在材質(zhì)不清、錯(cuò)用等問題。

        4金相組織分析

        分別對(duì)以上4個(gè)缺陷線夾開裂位置附近取樣鑲嵌、拋光、侵蝕后,在Axiovert200MAT研究級(jí)大型金相顯微鏡下觀察和拍照,結(jié)果如下:1號(hào)線夾內(nèi)部裂紋與金相組織,裂紋沿晶擴(kuò)展,內(nèi)部原始小缺陷眾多,且多平直;內(nèi)部金相組織由白色條狀的α相、灰色基體β相和黑色顆粒即Pb(鉛)析出相三相構(gòu)成,屬于HPb59-1黃銅的正常金相組織。2號(hào)線夾內(nèi)部裂紋與金相組織,裂紋尖端沿晶擴(kuò)展,有分叉,主裂紋附近有微裂紋;金相組織顯示是銅基材常見的α相+β相,晶界分明,柱狀晶粒粗大。3號(hào)、4號(hào)線夾斷口裂紋金相組織,斷口附近的裂紋較為平直,沿晶和穿晶擴(kuò)展兼具,深度不一,部分微裂紋匯聚形成孔洞缺陷;線夾基體金相組織是鉛黃銅鑄件常見的α相+β相,并伴有明顯的黑色雜質(zhì)體,在SEM(掃描電子顯微鏡)的高倍視場(chǎng)下析出相更明顯,成分待測(cè)定。

        5能譜微區(qū)分析

        選取3號(hào)、4號(hào)線夾的金相試樣在SEM下觀察。將凹坑位置標(biāo)注Ⅰ區(qū)、晶界位置組織標(biāo)注Ⅱ區(qū)、母材α相標(biāo)注Ⅲ區(qū)。對(duì)以上三區(qū)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如表2和表3所示,Ⅰ區(qū)即凹坑位置也就是金相照片中的黑色雜質(zhì),成分以Pb為主,Cu(銅)和Zn(鋅)含量遠(yuǎn)小于黃銅中所占比例;Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)含量接近,基本就是銅鋅合金。能譜結(jié)合光譜成分結(jié)果,Pb含量遠(yuǎn)高于鉛黃銅系列對(duì)Pb的標(biāo)準(zhǔn)要求,組織中的黑色雜質(zhì)是鑄件中過量未完全固溶的Pb,Pb雜質(zhì)的偏析將影響材料的強(qiáng)度。另選取4號(hào)線夾金相試樣在SEM下觀察裂紋形貌。對(duì)裂紋位置,采集數(shù)據(jù)進(jìn)行能譜分析,裂紋中含有較高濃度的Cl(氯),促使黃銅發(fā)生腐蝕開裂,在裂紋中的腐蝕產(chǎn)物成分也較為復(fù)雜。

        6建議

        (1)因銅合金和鋁合金種類繁多,不同系列和加工工藝下合金材料的化學(xué)成分和性能指標(biāo)差異極大,設(shè)計(jì)單位需對(duì)不同部位線夾的整體強(qiáng)度進(jìn)行校核,明確各部件材料牌號(hào),盡量避免使用黃銅、鋁合金這類模糊概念,給制造單位過大的自由選擇空間。設(shè)計(jì)單位還應(yīng)對(duì)該部位強(qiáng)度根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行校核,明確線夾的材質(zhì)信息和加工工藝。(2)制造單位除了進(jìn)行必要的原材料力學(xué)性能、成分分析等試驗(yàn),還需向使用單位提供線夾的再結(jié)晶退火和去應(yīng)力退火的工藝報(bào)告,使產(chǎn)品質(zhì)量具有可追溯性。(3)安裝單位在安裝環(huán)節(jié)必須注意零部件的質(zhì)量問題,有條件的可在安裝前進(jìn)行必要的外觀及探傷檢查,避免因零部件缺陷導(dǎo)致設(shè)備存在安全隱患。(4)使用單位應(yīng)加強(qiáng)對(duì)線夾的檢查,特別是在環(huán)境污染較大地區(qū)的雨季時(shí)節(jié),黃銅線夾發(fā)生開裂的概率較大。

        結(jié)語(yǔ)

        綜上所述,這三起銅制線夾失效事故是因?yàn)樵牧辖M織疏松,裂紋缺陷較易在應(yīng)力集中部位產(chǎn)生,加之Pb含量過高產(chǎn)生偏析致使材料有效承載降低和黃銅季裂,裂紋在較大的外部載荷下加速擴(kuò)展,直至斷裂。

        參考文獻(xiàn)

        [1]徐雪霞,歐陽(yáng)杰,馮硯廳,等.設(shè)備線夾開裂失效原因分析[J].金屬鑄鍛焊技術(shù),2011,40(13):160-163.

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