許宏偉, 虞鴻江, 楊迎春, 周靜波, 陳國(guó)坤

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院, 昆明 650217)

電網(wǎng)設(shè)備線夾主要用于變電站母線引下線與電氣設(shè)備(如變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、電流互感器、電壓互感器、避雷器、穿墻套管等)的出線端子接續(xù)，是母線引下線與電氣設(shè)備及電氣設(shè)備之間連接用的金具[1-2]。隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展，高壓輸電線路越來(lái)越密集，線夾的使用數(shù)量也越來(lái)越多，該部件的質(zhì)量關(guān)系著電網(wǎng)運(yùn)行的安全、穩(wěn)定。設(shè)備線夾由緊固絞線部分和與電氣設(shè)備相連部分組成，前者為壓蓋和線槽結(jié)構(gòu)或管狀結(jié)構(gòu)，后者為與電氣設(shè)備通過(guò)螺栓緊固連接的平板式端子板結(jié)構(gòu)[3-4]，典型形貌如圖1所示。接線管一般采用工業(yè)純鋁熱軋制造，端子板采用鑄造鋁合金制造，兩者之間連接方式為焊接。線夾僅承受自身和部分導(dǎo)線重力，一般不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力過(guò)大現(xiàn)象。

圖1 設(shè)備線夾宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of terminal connector

在實(shí)際生產(chǎn)中，受加工成本、生產(chǎn)進(jìn)度要求和人員技能水平不均等因素的影響，鋁合金設(shè)備線夾的端子板鑄件容易產(chǎn)生鑄造缺陷，端子板和接線管之間的焊縫容易出現(xiàn)未熔合、未焊透等焊接缺陷[5-8]。這些缺陷不僅增加了電力輸送過(guò)程中的電能損失，還大大降低了線夾的強(qiáng)度和承載能力，使得設(shè)備線夾在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生裂紋甚至開裂，嚴(yán)重影響其使用壽命[9-10]。因此，開展線夾的失效分析對(duì)于電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

某公司設(shè)備巡維過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在低溫、濕潤(rùn)環(huán)境地區(qū)使用的壓縮型設(shè)備線夾在運(yùn)行1～3 a(年)后發(fā)生批次開裂的情況，為探究失效原因和機(jī)理，筆者進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)與分析，提出了相應(yīng)治理措施，并針對(duì)所提治理措施進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以期為防止同類型設(shè)備線夾開裂提供幫助。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

對(duì)開裂線夾進(jìn)行宏觀觀察，可見設(shè)備線夾連接管與端子板之間的焊縫開裂，開裂部位位于焊縫中部，如圖2所示。測(cè)得環(huán)焊縫周長(zhǎng)為238 mm，表面裂紋長(zhǎng)度為133 mm，裂紋長(zhǎng)度占整條焊縫長(zhǎng)度的55%以上。設(shè)備線夾靠近焊縫位置的連接管存在膨脹變形現(xiàn)象，分別對(duì)接線管距焊縫0，10，20，30 mm位置的外徑進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表1所示。可見接線管外徑超過(guò)設(shè)計(jì)值，外徑最大的超過(guò)設(shè)計(jì)值4.62 mm。

圖2 開裂設(shè)備線夾宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of cracked terminal connector

表1 開裂設(shè)備線夾連接管外徑測(cè)量結(jié)果Tab.1 Measurement results of external diameter of connecting pipe of cracked terminal connector mm

將焊縫未開裂部位沿接線管軸線縱向剖開，可觀察到接線管焊縫處存在未熔合、未焊透等缺陷，如圖3所示。接線管壁厚10 mm，測(cè)得未熔合寬度最大為7.9 mm，達(dá)到理想熔合線3/4以上；未焊透寬度為2.9 mm，超過(guò)接線管壁厚1/4，焊縫的有效連接嚴(yán)重不足，不滿足DL/T 768.6-2002 《電力金具制造質(zhì)量 焊接件》的技術(shù)要求。

圖3 開裂設(shè)備線夾焊縫截面圖Fig.3 Weld cross section diagram of cracked terminal connector

1.2 無(wú)損檢測(cè)

對(duì)設(shè)備線夾的開裂焊縫進(jìn)行X射線檢測(cè)，結(jié)果如圖4所示?？梢娫O(shè)備線夾焊縫存在裂紋，接線管內(nèi)導(dǎo)線末端與底部距離27 mm，在線夾底部形成空腔。

圖4 開裂設(shè)備線夾X射線檢測(cè)圖像Fig.4 X-ray examination image of cracked terminal connector

1.3 化學(xué)成分分析

設(shè)備線夾的端子板材料為1070鋁合金，接線管材料為1050A鋁合金，對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2所示。可見端子板和接線管的化學(xué)成分符合GB/T 3190-2008《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》的技術(shù)要求。

表2 開裂設(shè)備線夾的化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Chemical composition analysis results of cracked terminal connector (mass fraction) %

1.4 力學(xué)性能測(cè)試

在圖1所示設(shè)備線夾的端子板平板和接線管管壁中截取矩形拉伸試樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，試樣長(zhǎng)度為20 mm，平行長(zhǎng)度為12 mm，平行長(zhǎng)度部分截面尺寸為10 mm×4 mm，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。可見端子板的抗拉強(qiáng)度滿足GB/T 3880.2-2012《一般工業(yè)用鋁及鋁合金板、帶材 第2部分:力學(xué)性能》對(duì)1070鋁合金的技術(shù)要求,接線管的抗拉強(qiáng)度同樣滿足GB/T 4437.1-2015 《鋁及鋁合金熱擠壓管 第1部分：無(wú)縫圓管》對(duì)1050A鋁合金的技術(shù)要求。

表3 設(shè)備線夾的抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Tab.3 Tensile strength test results of terminal connector MPa

1.5 斷口分析

在裂紋尚未貫穿焊縫的位置截取試樣并進(jìn)行觀察，可見裂紋開口朝向接線管內(nèi)部，由內(nèi)向外擴(kuò)展至焊縫表面，說(shuō)明斷裂是由內(nèi)部開始產(chǎn)生然后逐漸向表面擴(kuò)展，如圖5所示。

圖5 開裂設(shè)備線夾裂紋宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of crack of cracked terminal connector

對(duì)接線管側(cè)焊縫的裂紋表面進(jìn)行宏觀觀察，可見靠接線管內(nèi)壁存在未焊透區(qū)，最大寬度為3.6 mm，約占總厚度的1/3，如圖6所示。

圖6 開裂設(shè)備線夾斷口宏觀形貌Fig.6 Macro morphology of fracture of cracked terminal connector

1.6 進(jìn)水性模擬試驗(yàn)

因靠近焊縫的接線管存在膨脹變形現(xiàn)象，懷疑內(nèi)部有積水結(jié)冰膨脹的情況。將設(shè)備線夾沿焊縫根部截?cái)噙M(jìn)行進(jìn)水性模擬試驗(yàn)，如圖7所示?？梢娝捎删€夾頂部流到下端，表明設(shè)備線夾在運(yùn)行過(guò)程中，雨水可通過(guò)壓接部位進(jìn)入線夾內(nèi)部。

圖7 進(jìn)水性模擬試驗(yàn)Fig.7 Water inflow simulation test

選取4個(gè)未開裂的線夾，在靠近焊縫位置的接線管處打孔并灌水，測(cè)量所得積水體積分別為105，203，236,177 mL，積水量均大于100 mL。

1.7 冷凍模擬試驗(yàn)

在靠近焊縫位置的接線管處打孔，線夾充滿水后在大氣環(huán)境試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行RT(室溫)～-20 ℃的冷凍模擬試驗(yàn)。線夾經(jīng)7次冷凍模擬循環(huán)試驗(yàn)后于焊縫處出現(xiàn)長(zhǎng)度為108 mm的裂紋，接線管明顯膨脹變形，形態(tài)與該變電站開裂線夾的一致，如圖8所示。

圖8 冷凍模擬試驗(yàn)開裂線夾形貌Fig.8 Morphology of cracked terminal connector in freezing simulation test

1.8 有限元模擬

使用ABAQUS軟件對(duì)設(shè)備線夾建立有限元模型，設(shè)置未熔合缺陷，并在積水空間內(nèi)施加30 MPa的膨脹應(yīng)力進(jìn)行有限元分析。計(jì)算所用鋁合金材料的抗拉強(qiáng)度為75 MPa，彈性模量為70 GPa，切變模量為26 GPa，泊松比為0.36，計(jì)算結(jié)果如圖9所示?？芍獞?yīng)力最大的部位為焊縫根部，應(yīng)力值最大位置與未熔合缺陷位置一致。

圖9 設(shè)備線夾應(yīng)力分布有限元模擬結(jié)果Fig.9 Finite element simulation results of stress distribution of terminal connector

2 分析與討論

綜合以上試驗(yàn)，開裂設(shè)備線夾化學(xué)成分及抗拉強(qiáng)度均符合標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。線夾焊縫存在未熔合及未焊透缺陷，焊縫質(zhì)量不符合設(shè)計(jì)要求。接線管底部存在積水空間，未采用避免積水的結(jié)構(gòu)和措施，雨水可在自然條件下流入積水空間內(nèi)，積水在低溫條件下結(jié)冰膨脹，在焊縫位置產(chǎn)生較大的應(yīng)力，使線夾沿焊縫未焊透、未熔合缺陷等薄弱部位因過(guò)載產(chǎn)生裂紋并逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致線夾在焊縫處產(chǎn)生貫穿性裂紋。

因此，可以從加強(qiáng)線夾質(zhì)量管控和避免產(chǎn)生積水兩個(gè)方面著手，解決該類線夾開裂的問(wèn)題。

3 改善措施

3.1 線夾質(zhì)量管控措施

選型階段選擇結(jié)構(gòu)形式符合國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的變電金具，低溫濕潤(rùn)地區(qū)的設(shè)備線夾應(yīng)優(yōu)先選用整體鑄造型設(shè)備線夾。

制造、安裝階段嚴(yán)格按國(guó)家、行業(yè)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行到貨抽檢，保證變電金具的產(chǎn)品質(zhì)量符合要求。設(shè)備線夾到貨抽檢中應(yīng)有數(shù)字X射線檢測(cè)項(xiàng)目，以檢查設(shè)備線夾是否存在未熔合及未焊透缺陷。

運(yùn)行及維護(hù)階段采用60倍望遠(yuǎn)鏡對(duì)變電站焊接設(shè)備線夾焊縫部位進(jìn)行檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)壓接管的結(jié)冰膨脹現(xiàn)象和焊縫部位的裂紋缺陷。

3.2 線夾防積水措施

3.2.1 力學(xué)性能評(píng)價(jià)

抽取3對(duì)設(shè)備線夾，在設(shè)備線夾積水部位開φ6 mm的泄水孔。經(jīng)握力試驗(yàn)，設(shè)備線夾滿足GB/T 2314-2008《電力金具通用技術(shù)條件》和GB/T 2317.4-2008《電力金具試驗(yàn)方法 第4部分：驗(yàn)收規(guī)則》的技術(shù)要求。繼續(xù)加載設(shè)備線夾直至其被破壞，發(fā)現(xiàn)破壞的部位在焊縫處，而不在開孔部位。因此，在設(shè)備線夾積水部位開φ6 mm的泄水孔后，設(shè)備線夾的力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。

3.2.2 載流性能評(píng)價(jià)

在設(shè)備線夾積水部位開φ6 mm的泄水孔并進(jìn)行大電流溫升試驗(yàn)，記錄線夾和導(dǎo)線的最高溫度。導(dǎo)線通過(guò)電流為1 500 A，當(dāng)通電30 min時(shí)，線夾溫度(21 ℃)低于導(dǎo)線溫度(41 ℃)；當(dāng)通電60 min時(shí)，線夾溫度(25 ℃)低于導(dǎo)線溫度(45 ℃)，通電60 min后設(shè)備線夾和導(dǎo)線的溫度如圖10所示。因此對(duì)線夾進(jìn)行開孔處理后，不會(huì)引起線夾的整體發(fā)熱，也不會(huì)影響線夾的通流能力。

圖10 通電60 min后設(shè)備線夾和導(dǎo)線的溫度分布Fig.10 Temperature distribution of a) terminal connector and b) conductor after power on 60 min

4 結(jié)論及建議

設(shè)備線夾焊縫處存在焊接缺陷，導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度下降；設(shè)備線夾接線管底部存在積水空間，寒冷天氣下積水結(jié)冰，體積膨脹，使焊縫承受超出設(shè)計(jì)工況的外力，造成了線夾焊縫的開裂。由于線夾開裂為一個(gè)發(fā)生、擴(kuò)展、開裂的漸變過(guò)程，因此建議在運(yùn)維過(guò)程中通過(guò)20～60倍的高倍望遠(yuǎn)鏡檢查設(shè)備線夾是否開裂及接線管是否明顯膨脹變形，通過(guò)在線夾積水部位開泄水孔可有效防止設(shè)備線夾因積水結(jié)冰導(dǎo)致的開裂和膨脹變形。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，在設(shè)備線夾積水部位開φ6 mm泄水孔，線夾力學(xué)性能及電流承載性能仍能滿足要求。