500kV变电站断路器导气管接头开裂原因

500kV变电站断路器导气管接头开裂原因

赵洁

国网山西省电力公司超高压变电分公司  山西太原030000

摘要:某500kV变电站高压六氟化硫断路器导气管接头开裂导致泄压故障,采用宏观观察､化学成分分析､硬度测试､金相检验､氨熏试验､扫描电镜和能谱分析等方法,对断路器导气管接头开裂的原因进行了分析｡结果表明:导气管接头的显微组织异常,铅元素的宏观偏析,加工､热处理和安装过程产生的内应力以及腐蚀介质的存在,导致接头因应力腐蚀而开裂失效｡

关键词:高压六氟化硫断路器;导气管接头;宏观偏析;应力腐蚀开裂

0引言

高压六氟化硫断路器是变电站的主要电力控制设备｡电力系统发生故障时,断路器和继电保护配合,迅速地切除故障电路,保证系统安全运行;电力系统正常运行时,断路器能切断和接通高压电路中的空载电流和负载电流[1]｡高压六氟化硫断路器是采用高绝缘性能的六氟化硫气体作为绝缘和灭弧介质的新型高压断路器,具有工作电流大､开断能力强､绝缘水平高和断口电压高等传统油断路器和压缩空气断路器无法比拟的优点[2],被广泛地应用于电力系统｡

1理化检验

1.1宏观观察

导气管接头沿横截面呈不规则开裂,断口表面大部分区域呈现明显的黑色,断裂接头的宏观形貌如图1所示｡

图1断裂导气管接头的宏观形貌(虚线框内区域呈黑色)

1.2化学成分分析

根据YS/T482—2005《铜及铜合金分析方法光电发射光谱法》,采用直读光谱仪对导气管接头进行化学成分分析｡根据GB/T5231—2012《加工铜及铜合金牌号和化学成分》,接头材料大致确定为HPb59系列,但是铁元素和杂质含量的实测值大于GB/T5231—2012标准规定范围｡

1.3硬度测试

依据标准GB/T4340.1—2009《金属维氏硬度试验第1部分:试验方法》,采用维氏硬度计对导气管接头进行硬度测试｡

1.4金相检验

采用三氯化铁+盐酸+乙醇溶液对抛光后接头的表面进行侵蚀,然后在光学显微镜下观察导气管接头的显微组织｡从图2可以看出,试样的显微组织是由灰色基体β相+白色针条状α相+弥散分布的黑色点状铅颗粒组成｡该组织晶粒异常粗大,同时白色针条状α相沿晶界呈网络状分布｡粗晶组织会降低材料的力学性能,沿晶界网络状分布的针条状α相会降低合金晶界的结合能力,以上两种情况均容易使导气管接头在服役过程中产生沿晶开裂缺陷｡

图2导气管接头显微组织形貌

1.5氨熏试验

对尚未安装的全新导气管接头采用氯化铵24h试验法进行氨熏试验,试验前将试样分为两组,分别施加安装预应力和未施加安装预应力｡从氨熏试验结果可知,施加安装预应力的黄铜接头表面有明显裂纹,而未施加应力的黄铜接头表面也存在微裂纹缺陷(见图3)｡由图3可以看出,裂纹图3黄铜接头氨熏试样宏观形貌位置很可能是导气管接头的开裂源,与图1所示裂位置吻合｡

图3黄铜接头氨熏试样宏观形貌

2综合分析

2.1显微组织

导气管接头显微组织晶粒异常粗大,α相沿晶界呈针条状网络分布的原因是:导气管接头采用热锻成型,在热加工生产过程中,坯料锻造温度过高或者加热时间过长,使得晶粒粗大;热加工过程成型很快,成型过程中没有明显降温,终锻温度仍然很高,在这种条件下,如果冷却速率较快,α相将在较高的过冷温度下析出,相变因受应力的作用而具有位向性,并且不均匀地发展,使析出的α相呈现针条状分布在晶界｡晶粒粗大､针条状网络组织均会降低合金晶界的结合能力,从而导致导气管接头在服役过程中沿着晶界产生开裂缺陷｡

2.2断口分析

导气管接头的断口处存在较多微裂纹和明显的铅元素宏观偏析现象,且试样的铅元素含量高出导气管接头的平均铅元素含量10多倍｡这是因为材料在熔炼浇铸环节熔液不均匀,导致铅元素宏观偏析,加工后导气管接头的塑性降低,脆性增强,从而易产生开裂缺陷｡

2.3材料选择

根据GB2314—2016《电力金具通用技术条件》标准规定,以铜合金材料制造的金具,其铜元素含量应不低于80%,如果黄铜材料如果加工和热处理工艺不当,也容易产生应力腐蚀和氢脆开裂等缺陷｡

2.4内应力和环境影响

如果导气管接头在加工过程中工艺不良,接头内部就会存在加工应力,而且在热处理过程中,退火不充分会导致材料产生内应力;另外,导气管接头在装配过程中也需要施加安装预应力,从而产生内应力,接头在内应力和大气腐蚀介质(大气中的CO2,SO2,NO2等气体溶解于雨水中,容易形成酸性､氧化性化合物)的共同作用下,表面的氧化膜被腐蚀而受到破坏,破坏的表面和未破坏的表面分别形成阳极和阴极,阳极处的金属成为离子而被溶解,产生电流流向阴极,从而导致接头发生应力腐蚀开裂｡

3建议

(1)目前大部分变电站断路器导气管接头和导气管材料为黄铜,而黄铜材料不适合用于导气管接头和导气管,建议更换为纯铜､铬青铜或316不锈钢｡

(2)导气管接头在加工和使用过程中容易产生内应力,建议采用超声波应力检测法]对安装前后的导气管接头进行内应力检测,从而减少导气管接头的应力腐蚀缺陷｡

(3)设备运行过程中,建议使用X射线对金属部件进行在线检测,以避免因断路器泄压而导致停电事故｡

(4)建议动态监视六氟化硫气压表,安装低气压报警装置,一旦发现压力过低,相关部门应立即启动预警方案｡

(5)建议加强入网设备和金具的质量检测,施工单位严格按电网标准自检到位,运检人员加强基建工程中间验收,尤其是隐蔽工程和关键工艺的全过程验收,确保设备零缺陷投运｡

4结束语

断路器导气管接头开裂的主要原因是导气管接头材料本身的缺陷,包括显微组织异常､铅元素宏观偏析和材料选择不当,另外导气管接头在加工､热处理和安装过程产生的内应力以及大气腐蚀介质的存在,导致其在设备运行过程中开裂失效｡

参考文献:

[1]李小伟.高压断路器原理和应用[J].科技与企业,2012(1):69.

[2]宋志刚,秦鹏刚,柴园.高压六氟化硫断路器的结构及原理介绍[J].科技视界,2013(21):60.

[3]李炯辉,林德成.金属材料金相图谱[M].北京:机械工业出版社,2006.

[4]陈隆高.HPb59-1黄铜的固溶———时效硬化[J].金属热处理,1981,6(6):29-31.

[5]刘志学,党龙,程巨强.热处理对锻造铅黄铜组织和性能的影响[J].西安工业大学学报,2013,33(10):832-835.