黃 蓉, 王 軍, 謝 億, 馮 超

(1.湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司, 長沙 410004； 2.國網(wǎng)湖南省電力公司 電力科學(xué)研究院, 長沙 410007)

高壓六氟化硫斷路器是變電站的主要電力控制設(shè)備。電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，斷路器和繼電保護(hù)配合，迅速地切除故障電路，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行；電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，斷路器能切斷和接通高壓電路中的空載電流和負(fù)載電流[1]。高壓六氟化硫斷路器是采用高絕緣性能的六氟化硫氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì)的新型高壓斷路器，具有工作電流大、開斷能力強(qiáng)、絕緣水平高和斷口電壓高等傳統(tǒng)油斷路器和壓縮空氣斷路器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)[2]，被廣泛地應(yīng)用于電力系統(tǒng)。

2021年5月，某500 kV變電站高壓六氟化硫斷路器發(fā)生泄壓故障，集控站監(jiān)控發(fā)現(xiàn)斷路器低氣壓告警，六氟化硫分合閘閉鎖。現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)B相斷路器導(dǎo)氣管接頭部位開裂，無法通過補(bǔ)氣修復(fù)，開裂部位如圖1所示。該斷路器為LW35-252型設(shè)備，服役時(shí)間約為兩個(gè)月；該斷路器導(dǎo)氣管及其接頭材料均為黃銅。

圖1 斷路器導(dǎo)氣管接頭處開裂宏觀形貌

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

導(dǎo)氣管接頭沿橫截面呈不規(guī)則開裂，斷口表面大部分區(qū)域呈現(xiàn)明顯的黑色，斷裂接頭的宏觀形貌如圖2所示。

圖2 斷裂導(dǎo)氣管接頭的宏觀形貌(虛線框內(nèi)區(qū)域呈黑色)

1.2 化學(xué)成分分析

根據(jù)YS/T 482—2005 《銅及銅合金分析方法 光電發(fā)射光譜法》，采用直讀光譜儀對(duì)導(dǎo)氣管接頭進(jìn)行化學(xué)成分分析。根據(jù)GB/T 5231—2012 《加工銅及銅合金牌號(hào)和化學(xué)成分》，接頭材料大致確定為HPb59系列，但是鐵元素和雜質(zhì)含量的實(shí)測值大于GB/T 5231—2012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍，具體化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 硬度測試

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1—2009 《金屬維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，采用維氏硬度計(jì)對(duì)導(dǎo)氣管接頭進(jìn)行硬度測試，其平均硬度為157 HV，維氏硬度測試結(jié)果見表2。

表2 維氏硬度測試結(jié)果 HV

1.4 金相檢驗(yàn)

采用三氯化鐵+鹽酸+乙醇溶液對(duì)拋光后接頭的表面進(jìn)行侵蝕，然后在光學(xué)顯微鏡下觀察導(dǎo)氣管接頭的顯微組織[3]。從圖3可以看出，試樣的顯微組織是由灰色基體β相+白色針條狀α相+彌散分布的黑色點(diǎn)狀鉛顆粒組成。該組織晶粒異常粗大，同時(shí)白色針條狀α相沿晶界呈網(wǎng)絡(luò)狀分布。粗晶組織會(huì)降低材料的力學(xué)性能，沿晶界網(wǎng)絡(luò)狀分布的針條狀α相會(huì)降低合金晶界的結(jié)合能力，以上兩種情況均容易使導(dǎo)氣管接頭在服役過程中產(chǎn)生沿晶開裂缺陷。

圖3 導(dǎo)氣管接頭顯微組織形貌

1.5 掃描電鏡和能譜分析

采用掃描電鏡觀察導(dǎo)氣管接頭斷口表面的微觀形貌，掃描區(qū)域如圖4所示，斷口微觀形貌如圖5所示。同時(shí)對(duì)宏觀斷口處黑色、黃色及其交界區(qū)域進(jìn)行能譜分析，能譜分層圖像如圖6所示，其中，鉛元素分布呈現(xiàn)明顯的宏觀偏析現(xiàn)象。表3是能譜分析面總譜圖和分布區(qū)1～4的元素含量，由表3可知，在分布區(qū)1和分布區(qū)3的鉛元素含量明顯高于分布區(qū)2和分布區(qū)4的鉛元素含量，整個(gè)斷口區(qū)域的鉛元素總含量也明顯高于工件的平均鉛元素含量(1.87%)。鉛元素分布情況如圖7所示，由圖7可以看出:斷口黑色區(qū)域的鉛元素含量明顯高于黃色區(qū)域，存在鉛元素宏觀偏析現(xiàn)象，這會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)氣管接頭的塑性降低，脆性增強(qiáng)，易產(chǎn)生開裂缺陷。對(duì)斷口表面微觀形貌進(jìn)行分析,可見較多的微小裂紋(見圖8)。

圖4 斷口電鏡掃描區(qū)域

圖5 斷口微觀形貌

圖6 斷口處黑色、黃色及其交界區(qū)域能譜分層圖像

圖7 鉛元素能譜分布圖像

圖8 斷口表面微觀形貌

表3 能譜分析面總譜圖和分布區(qū)1～4的元素含量 %

對(duì)顯微組織的α相和β相腐蝕后進(jìn)行掃描電鏡和能譜分析，在晶界處可看到針條狀分布的α相，α相和β相能譜圖未見異常(見圖9～11)。

圖9 掃描電鏡下的α相和β相微觀形貌

圖10 α相能譜圖

圖11 β相能譜圖

1.6 氨熏試驗(yàn)

對(duì)尚未安裝的全新導(dǎo)氣管接頭采用氯化銨24 h試驗(yàn)法進(jìn)行氨熏試驗(yàn)，試驗(yàn)前將試樣分為兩組,分別施加安裝預(yù)應(yīng)力和未施加安裝預(yù)應(yīng)力。從氨熏試驗(yàn)結(jié)果可知，施加安裝預(yù)應(yīng)力的黃銅接頭表面有明顯裂紋，而未施加應(yīng)力的黃銅接頭表面也存在微裂紋缺陷(見圖12)。由圖12可以看出，裂紋位置很可能是導(dǎo)氣管接頭的開裂源，與圖2所示開裂位置吻合。

圖12 黃銅接頭氨熏試樣宏觀形貌

2 綜合分析

2.1 顯微組織

導(dǎo)氣管接頭顯微組織晶粒異常粗大，α相沿晶界呈針條狀網(wǎng)絡(luò)分布的原因是：導(dǎo)氣管接頭采用熱鍛成型，在熱加工生產(chǎn)過程中，坯料鍛造溫度過高或者加熱時(shí)間過長，使得晶粒粗大；熱加工過程成型很快，成型過程中沒有明顯降溫，終鍛溫度仍然很高，在這種條件下，如果冷卻速率較快，α相將在較高的過冷溫度下析出，相變因受應(yīng)力的作用而具有位向性，并且不均勻地發(fā)展，使析出的α相呈現(xiàn)針條狀分布在晶界[4-5]。晶粒粗大、針條狀網(wǎng)絡(luò)組織均會(huì)降低合金晶界的結(jié)合能力，從而導(dǎo)致導(dǎo)氣管接頭在服役過程中沿著晶界產(chǎn)生開裂缺陷。

2.2 斷口分析

導(dǎo)氣管接頭的斷口處存在較多微裂紋和明顯的鉛元素宏觀偏析現(xiàn)象，且試樣的鉛元素含量高出導(dǎo)氣管接頭的平均鉛元素含量10多倍[6-8]。這是因?yàn)椴牧显谌蹮挐茶T環(huán)節(jié)熔液不均勻，導(dǎo)致鉛元素宏觀偏析，加工后導(dǎo)氣管接頭的塑性降低，脆性增強(qiáng)，從而易產(chǎn)生開裂缺陷。

2.3 材料選擇

根據(jù)GB 2314—2016 《電力金具通用技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，以銅合金材料制造的金具，其銅元素含量應(yīng)不低于80%，如果黃銅材料如果加工和熱處理工藝不當(dāng),也容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕和氫脆開裂等缺陷。

2.4 內(nèi)應(yīng)力和環(huán)境影響

如果導(dǎo)氣管接頭在加工過程中工藝不良，接頭內(nèi)部就會(huì)存在加工應(yīng)力，而且在熱處理過程中,退火不充分會(huì)導(dǎo)致材料產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力；另外,導(dǎo)氣管接頭在裝配過程中也需要施加安裝預(yù)應(yīng)力，從而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，接頭在內(nèi)應(yīng)力和大氣腐蝕介質(zhì)(大氣中的CO2，SO2，NO2等氣體溶解于雨水中,容易形成酸性、氧化性化合物)的共同作用下，表面的氧化膜被腐蝕而受到破壞,破壞的表面和未破壞的表面分別形成陽極和陰極，陽極處的金屬成為離子而被溶解，產(chǎn)生電流流向陰極，從而導(dǎo)致接頭發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié)論

斷路器導(dǎo)氣管接頭開裂的主要原因是導(dǎo)氣管接頭材料本身的缺陷，包括顯微組織異常、鉛元素宏觀偏析和材料選擇不當(dāng)，另外導(dǎo)氣管接頭在加工、熱處理和安裝過程產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力以及大氣腐蝕介質(zhì)的存在，導(dǎo)致其在設(shè)備運(yùn)行過程中開裂失效。

3.2 建議

(1) 目前大部分變電站斷路器導(dǎo)氣管接頭和導(dǎo)氣管材料為黃銅，而黃銅材料不適合用于導(dǎo)氣管接頭和導(dǎo)氣管，建議更換為純銅、鉻青銅或316不銹鋼。

(2) 導(dǎo)氣管接頭在加工和使用過程中容易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，建議采用超聲波應(yīng)力檢測法[9]對(duì)安裝前后的導(dǎo)氣管接頭進(jìn)行內(nèi)應(yīng)力檢測，從而減少導(dǎo)氣管接頭的應(yīng)力腐蝕缺陷。

(3) 設(shè)備運(yùn)行過程中，建議使用X射線對(duì)金屬部件進(jìn)行在線檢測，以避免因斷路器泄壓而導(dǎo)致停電事故。

(4) 建議動(dòng)態(tài)監(jiān)視六氟化硫氣壓表，安裝低氣壓報(bào)警裝置，一旦發(fā)現(xiàn)壓力過低，相關(guān)部門應(yīng)立即啟動(dòng)預(yù)警方案。

(5) 建議加強(qiáng)入網(wǎng)設(shè)備和金具的質(zhì)量檢測，施工單位嚴(yán)格按電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)自檢到位，運(yùn)檢人員加強(qiáng)基建工程中間驗(yàn)收，尤其是隱蔽工程和關(guān)鍵工藝的全過程驗(yàn)收，確保設(shè)備零缺陷投運(yùn)。