焦宗寒, 鄭 欣, 代克順

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

引流抱箍線夾用于電流互感器，與出線連接，是變電站設(shè)備和線路連接的重要組成部分。若線夾發(fā)生緊急故障，不僅會造成電力設(shè)備的非計劃停運，還可能引起導(dǎo)線垮塌，進而碰撞電力設(shè)備，造成電力設(shè)備的嚴重機械損傷，影響電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行[1-2]。由于抱箍線夾制造工藝和材料的限制，并且線夾結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其生產(chǎn)均采用鑄造一次成形。線夾結(jié)構(gòu)設(shè)計上有多處結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)折部位，存在明顯的應(yīng)力集中，因此優(yōu)化線夾的結(jié)構(gòu)設(shè)計尤為重要[3-4]。

近年來，云南電網(wǎng)多座變電站發(fā)現(xiàn)電流互感器抱箍線夾斷裂，斷裂線夾投運僅3～5 a(年)，斷裂數(shù)量20余個，具有批次性，現(xiàn)場情況見圖1。為查明該類線夾斷裂的原因，作者對斷裂線夾進行了化學(xué)成分分析、金相檢驗、力學(xué)性能測試和有限元分析等，以期為該類線夾的設(shè)計和安裝提供提導(dǎo)建議。

圖1 斷裂線夾現(xiàn)場情況

1 理化檢驗

1.1 宏觀及低倍分析

斷裂線夾大多選用鑄造銅合金材料，小部分為鑄造鋁合金，隨機各取一種材料斷裂線夾，對其進行觀察，其宏觀形貌見圖2，可見銅合金線夾斷裂位置均位于線夾結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)折部位，線夾表面錫鍍層完好，部分斷裂線夾除螺栓緊固部位存在輕微磨損外，其余位置未見機械損傷；鋁合金線夾斷裂位置位于線夾抱耳過渡處，裂紋未完全貫穿。

圖2 不同材料斷裂線夾宏觀形貌

為觀察斷口，將線夾沿裂紋處拉斷。在體視顯微鏡下對銅合金線夾的斷口進行觀察，其低倍形貌見圖3，可見斷口齊平，未見明顯裂紋源，斷口表面覆蓋黑色的銅氧化物，表明已斷裂較長時間，此外，未發(fā)現(xiàn)顯著的裂紋疲勞擴展特征。線夾斷裂位置均無明顯變形，屬于典型的脆性斷裂[5-7]。鋁合金線夾斷口由黑色的陳舊性斷口和淺灰色的試驗室拉斷斷口組成，其低倍形貌見圖4。

圖3 銅合金線夾斷口低倍形貌

1.2 化學(xué)成分分析

從斷裂線夾中選取14個斷裂線夾，依次編號，磨除斷裂線夾表面的鍍錫層，然后進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。銅合金線夾的設(shè)計材料為ZCuZn40Pb2銅合金。由表1可知，其中有8個線夾銅含量低于GB/T 1176—2013《鑄造銅及銅合金》的要求，最低為54.3%(質(zhì)量分數(shù)，下同)，同時有11個線夾鉛含量超標(biāo)，其中4個線夾鉛含量超過3.0%，鉛含量超標(biāo)會造成銅合金抗拉強度和延伸率下降。

表1 銅合金線夾的化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù))

鋁合金線夾的設(shè)計材料為ZL101A鋁合金，斷裂鋁合金線夾的化學(xué)成分滿足GB/T 1173—2013《鑄造鋁合金》的要求。

1.3 金相檢驗

在宏觀觀察的兩個抱箍線夾斷口附近截取金相試樣進行金相檢驗。由圖5和圖6可以看出，所有銅合金線夾的顯微組織均為α+β雙相黃銅組織，其中α相呈白色針狀分布在暗色β基體上，少量黑色鉛相均勻分布在α，β相中，為典型的鑄造鉛黃銅組織。顯微組織未見異常；鋁合金線夾組織為白色塊狀α相+灰色β相，顯微組織正常[8]。

圖5 銅合金線夾顯微組織形貌

圖6 鋁合金線夾顯微組織形貌

1.4 力學(xué)性能測試

按照GB/T 231.1—2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》的技術(shù)要求對所有斷裂線夾進行硬度測試。結(jié)果表明，14個銅合金線夾中，硬度最低為106 HBW，最高為135 HBW，其他線夾硬度在115～135 HBW，滿足GB/T 1176—2013對ZCuZn40Pb2銅合金的硬度不低于90 HBW的要求。鋁合金線夾硬度為60.5～63.2 HBW，滿足GB/T 1173—2013對ZL101A鋁合金硬度的要求。

對尺寸滿足圓形拉伸試樣要求的斷裂銅合金抱箍線夾(化學(xué)成分分析中線夾編號1～3)進行拉伸試驗，按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》的技術(shù)要求截取線夾底座和連板，加工成拉伸圓形橫截面比例試樣，比例系數(shù)k取5.65，原始直徑為10 mm。其中線夾1拉伸試驗曲線見圖7，由于沒有顯著屈服階段，將產(chǎn)生0.2%的塑性延伸強度作為屈服強度，將此點定義為材料變形破壞起點[9]。力學(xué)性能測試結(jié)果見表2。

圖7 斷裂銅合金線夾1拉伸試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表2 銅合金線夾的拉伸性能測試結(jié)果

GB/T 1173—2013要求砂型鑄件本體試樣的斷后伸長率應(yīng)不低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的50%，因此3個線夾的斷后伸長率均不合格，屈服強度和抗拉強度符合標(biāo)準(zhǔn)要求，計算得到銅合金的彈性模量E為108 GPa。

1.5 滲透檢測

對斷裂銅合金線夾14進行滲透檢測，發(fā)現(xiàn)部分抱箍線夾轉(zhuǎn)折位置有裂紋缺陷，見圖8，裂紋長為10 mm。

1.6 X射線檢測

對斷裂銅合金線夾14進行X射線檢測，結(jié)果見圖9，可見斷裂位置處有明顯的裂紋影像，其余位置未發(fā)現(xiàn)氣孔、疏松等缺陷。

圖9 斷裂銅合金線夾14的X射線檢測結(jié)果

1.7 結(jié)構(gòu)受力分析

為研究線夾緊固后的受力情況，采用有限元軟件對所有斷裂線夾建立模型進行分析。線夾和墊圈采用三維實體單元，模型尺寸通過測試線夾得到，黃銅彈性模量為108 GPa，泊松比為0.3，屈服強度為95 MPa。在抱箍中心設(shè)置剛體以模擬安裝過程中夾持的導(dǎo)體。對變電站安裝完畢的抱箍線夾進行抱耳收縮測試發(fā)現(xiàn)，抱耳最少收縮1.5 mm，最大超過1.8 mm。有限元分析中通過施加位移載荷來模擬緊固狀態(tài)，兩側(cè)墊圈位移0.75 mm。同時將線夾底部、銅棒中心點完全固定。

為重點分析斷裂位置，模型劃分網(wǎng)格時，對線夾結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)折部位劃分密集網(wǎng)格，使得在倒角所涉及的弧長內(nèi)包含節(jié)點數(shù)量不少于20個[10-11]。有限元計算結(jié)果見圖10～14，其中圖10～13為銅合金斷裂線夾緊固后的應(yīng)力分布情況，圖14為鋁合金斷裂線夾緊固后的應(yīng)力分布情況。有限元分析顯示，螺栓孔位移均為0.5 mm，抱耳收縮均為1.0 mm，應(yīng)力集中位置應(yīng)力值已達到屈服強度，按照現(xiàn)場情況緊固線夾后，線夾最大應(yīng)力已超過材料屈服強度。

圖10 第一類銅合金線夾應(yīng)力云圖和斷裂位置示意圖

圖11 第二類銅合金線夾應(yīng)力云圖和斷裂位置示意圖

圖12 第三類銅合金線夾應(yīng)力云圖和斷裂位置示意圖

圖13 第四類銅合金線夾應(yīng)力云圖和斷裂位置示意圖

圖14 第五類鋁合金線夾應(yīng)力云圖和斷裂位置示意圖

實際斷裂情況中，第一類線夾在抱耳和底板轉(zhuǎn)折位置發(fā)生斷裂，第二、第三、第四和第五類線夾均在抱耳處斷裂。實際斷裂情況與有限元分析結(jié)果完全吻合，因此判斷，線夾安裝時過度緊固是導(dǎo)致其斷裂的重要原因。

2 分析與討論

通過斷裂線夾的宏觀分析結(jié)果可知，所有線夾均未發(fā)現(xiàn)外力破壞和環(huán)境腐蝕的痕跡，斷口未發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致斷裂的異常和缺陷。

線夾的化學(xué)成分分析結(jié)果表明，斷裂銅合金線夾存在化學(xué)成分不合格的情況，主要為銅含量偏低和鉛含量超標(biāo)，鉛含量超標(biāo)會顯著降低銅合金的強度和斷后伸長率。線夾硬度和顯微組織正常，滿足取樣要求的銅合金線夾的斷后伸長率不合格。鋁合金線夾的材料成分和拉伸性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

采用有限元軟件模擬線夾緊固后的應(yīng)力分布。結(jié)果表明，在螺栓孔位移0.5 mm，抱耳收縮1.0 mm的情況下，線夾緊固產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力就已達到材料的屈服強度，會導(dǎo)致線夾開裂，且應(yīng)力隨螺栓孔位移的增加而顯著增大。所有抱箍線夾的斷裂位置均位于仿真分析中的應(yīng)力集中位置，現(xiàn)場安裝的抱箍線夾實測抱耳收縮均超過1.5 mm，部分甚至超過1.8 mm。

抱箍線夾通過力矩扳手進行緊固安裝，山東泰開互感器公司規(guī)定M12螺栓安裝力矩為48 N·m，山東彼岸電力規(guī)定M12螺栓安裝力矩值為60 N·m。為達到廠家要求的力矩控制效果，需要使用具有力矩限制功能的預(yù)置式力矩扳手，見圖15。變電站現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，實際安裝人員一般使用廉價指針式扭力扳手(見圖16)和普通扳手，指針式扭力矩扳手維護困難，無法限制最大緊固力矩，安裝操作時緊固力矩的誤差較大，容易導(dǎo)致在線夾安裝過程中斷裂。

圖15 預(yù)置式力矩扳手示意圖

圖16 指針式扭力扳手示意圖

3 預(yù)防措施

(1)線夾緊固操作時，應(yīng)采用具有緊固力矩調(diào)節(jié)能力的預(yù)置式力矩扳手進行緊固，力矩扳手在使用前應(yīng)檢定合格，并按照廠家規(guī)定的力矩進行緊固操作。

(2)改進線夾結(jié)構(gòu)設(shè)計，在抱箍線夾一側(cè)抱耳上設(shè)計凸臺，見圖17，可避免抱箍線夾因為螺栓的過度緊固而導(dǎo)致斷裂。凸臺間隙為有限元計算的螺栓孔最大允許位移。同時現(xiàn)場安裝抱箍線夾，僅需使用普通扳手便可，現(xiàn)場安裝該型線夾后，投運3 a后均未發(fā)現(xiàn)開裂現(xiàn)象，見圖18。

圖17 改進后線夾結(jié)構(gòu)示意圖

圖18 改進后線夾的變電站現(xiàn)場安裝示意圖

4 結(jié)論及建議

鋁合金和銅合金抱箍線夾發(fā)生了多起斷裂，主要原因是安裝過程中線夾過度緊固，導(dǎo)致在線夾抱耳結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)折處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過材料屈服強度時發(fā)生斷裂。部分銅合金線夾化學(xué)成分和斷后伸長率不合格也是導(dǎo)致該型線夾斷裂的重要原因。

建議使用一側(cè)抱耳上設(shè)計有凸臺的新型抱箍線夾，同時廠家應(yīng)改進線夾結(jié)構(gòu)，避免應(yīng)力集中系數(shù)大，現(xiàn)場安裝抱箍線夾應(yīng)嚴格遵守廠家規(guī)定的力矩要求。