110 kV 變電站高壓套管導電管斷裂失效原因分析

高明德，尚國強，荊象陽

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南 250002；2.山東電力工業鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，濟南 250002）

隨著電網建設的突飛猛進，電力系統規模的不斷擴大，變壓器及其套管的使用量也隨之迅猛增加，由于套管本身問題而導致的變電站停電事件越來越多，有逐年增大的趨勢[1-3]。作為變壓器外絕緣主要組件，變壓器套管將變壓器內部高低壓引線引到油箱外部，支撐進、出引線并保證對地絕緣[4-5]。在變壓器日常運行中，當短路在變壓器外部發生時，套管中會出現短路電流，保證了變壓器對電能的正常傳輸。變壓器甚至整個電網能否安全穩定運行都與變壓器套管的運行狀況息息相關[6-9]。

1 變壓器套管導電管結構及斷裂事件描述

某供電公司110 kV 變電站2 號主變型號為SSZ11-50000/110，于2016 年5 月投運，其110 kV 側A 相套管型號為BRDLW-126/630-4，該套管內部的絕緣介質形式為油浸式，采用的導電結構為穿纜式結構。該套管主要由電容芯子、空氣端空心瓷絕緣子（即上瓷套）、油端空心瓷絕緣子（即下瓷套）、油枕和法蘭等組成。主絕緣為電容芯子，采用同心電容串聯而成，封閉在上下瓷套、油枕、法蘭及底座組成的密封容器中，之間的接觸面襯以耐油橡膠墊圈，并通過設置在油枕內的一組強力彈簧所施加的軸向壓緊力作用，使各個組件形成整體的密封。套管內部處于良好的密封狀態，與外界大氣隔絕，套管內充有經過處理合格的變壓器油，使內部主絕緣成為油紙結構，以提高絕緣能力。油枕可在套管溫度、壓力變化時進行補償，其側面設有油位計。法蘭上設有取油裝置和測量端子，測量端子與芯子末屏連接，作為套管介質損耗因數、電容量和局部放電量等測量之用。油枕和法蘭均采用鋁合金材料。

2020 年7 月31 日，該變電站2 號主變高壓側A相套管運行中出現噴油故障，緊急停電后對該套管吊芯檢查，發現其導電管已經斷裂，斷裂位置位于導電管尾部加工螺紋的最后一圈根部，如圖1 所示。設計要求材質為2A12-T4 鋁合金管（合格導電管的抗拉強度不小于380 MPa、屈服強度不小于255 MPa），規格為Φ46 mm×5.5 mm。

圖1 斷裂的導電管

2 原因分析

2.1 宏觀檢查

對發生斷裂的中心導電管進行宏觀檢查，發現斷裂位置處在導電管從末端數第一道螺紋處，該部位為應力集中區域，在受到外部拉應力作用時容易在該應力集中區域發生斷裂。斷口較為粗糙，參差不齊，具有多個不同的臺階，脆性斷裂特征較為明顯。導電管端口宏觀形貌如圖2 所示。

圖2 導電管端口宏觀形貌

2.2 導電管受力分析

根據套管供應商提供的設計資料，導電管位于套管中心，起到卷電容芯子和產品整體緊固的作用，在運行中主要受到拉應力作用。利用設置在油枕內的一組強力彈簧所施加的軸向預緊力作用，套管各個組件形成整體的密封。彈簧預緊力通過上端壓板傳導到導電管上端的鎖緊螺母上，從而使導電管上端的螺紋承受拉應力，相應的，導電管下段下瓷套與底座連接處的螺紋也承受一反向拉應力。彈簧正常的工作范圍為40~60 kN 之間，在導電管螺紋部位（應力集中薄弱區）所施加的最大強度是128 MPa。導電管的結構示意圖如圖3 所示。

圖3 導電管的結構示意圖

2.3 材質分析

采用S1TITAN600 布魯克X 射線熒光合金分析儀對斷裂導電管進行材質分析，在橫截面上任意選取導電管的3 個部位，材質分析結果見表1。從材質分析結果判斷，斷裂導電管的元素成分接近于6063 鋁合金的元素成分。根據制造企業所提供的資料，導電管設計材質應為2A12-T4 鋁合金，說明導電管材質不符合設計要求。另一方面，部分區域內Si 元素的含量偏高（測點2、測點3），說明存在成分偏析，Mg/Si 元素質量比小于平衡配比1.73∶1，Si 元素過剩。雜質Fe 與過剩的Si 容易與基體Al 結合，形成AlFeSi 二次相，該二次相的金相組織形貌為針狀，其存在會引起合金脆化，降低材料的塑性[10-13]。

表1 斷裂導電管材質分析結果及標準值

2.4 硬度檢測

對斷裂導電管金相橫向取樣，采用自動數顯顯微維氏硬度計Q30M 進行硬度檢測，將測量得到的維氏硬度值換算為布氏硬度值。檢測導電管橫截面3 個部位，硬度檢測結果見表2。從硬度檢測結果判斷，斷裂導電管的材質符合6063 鋁合金硬度要求。

表2 導電管硬度分析結果及標準值 HB

2.5 力學性能試驗

對斷裂導電管利用WDW-300E 試驗機進行力學性能試驗，試驗項目包括抗拉強度、斷后延伸率，試驗結果見表3。該斷裂套管的中心導電管設計要求材質為2A12-T4 鋁合金管（合格2A12-T4 鋁合金導電管的抗拉強度應不小于380 MPa，屈服強度應不小于255 MPa，斷后延伸率應不小于10%）。

表3 導電管力學性能檢測結果及標準值

斷裂導電管的平均抗拉強度值為315 MPa，符合6063 鋁合金的要求，與硬度檢測結果一致，但該數值低于設計要求值（380 MPa），強度不達標；該樣品的延伸率只有8%，低于6063 鋁合金斷后伸長率標準值（12%），說明其塑性較差。

2.6 掃描電鏡分析

利用Zeiss Microscopy GmbH 73447 Oberkohen型掃描電子顯微鏡對A 相套管中心導電管斷口進行分析，其斷口微觀形貌如圖4、圖5 所示，斷口成典型的“冰糖狀”沿晶脆性斷裂特征，大量的細小韌窩散布于晶面上，說明該中心導電管的塑性較差。這與宏觀檢測的結果相一致，證明該導電鋁管的斷裂為脆性斷裂。

圖4 斷口掃描電鏡照片1

圖5 斷口掃描電鏡照片2

2.7 金相分析

從斷裂導電管上取樣，采用AxioVert.A1 型金相顯微鏡對所截取的試樣進行金相分析，其金相組織如圖6 所示。在其金相組織中分布著較多的二次相（圖中的球狀黑點及黑條）。結合之前的材質分析結果，斷裂導電管的Si 元素含量偏高，Si 在含有Mg 的鋁合金中溶解度很低，從而在合金在凝固過程中發生共晶反應時產生二次相（不溶解組分相）[14]。由于二次相顆粒尺寸大（約1~100 μm 左右）、形狀不規則和分布不均勻，屬于脆性相，往往會成為裂紋萌生的源頭，并且促使裂紋擴展，因而影響到材料的斷裂強度和疲勞強度[15]。

圖6 斷裂導電管金相組織

因此，二次相的存在將導致材料塑性的降低，特別是當二次相沿晶界分布時，抗拉強度及塑性均會明顯下降，易導致沿晶脆性斷裂。由于套管材質較脆，裂紋產生之后，遇到外部載荷較高的情況（如大風、雨雪天氣等）時，很容易迅速擴展，進而發生脆性斷裂。

3 導電管斷裂原因分析

綜合上述試驗分析，可以得出導電管斷裂發生的主要原因。

（1）材質及元素成分。導電管使用的材質為6063鋁合金，與原設計資料中所要求的2A12-T4 材質不符，所用材質的抗拉強度低于設計要求，且易引起合金脆化，降低塑性。

（2）自身結構。導電管自身的結構決定了導電管螺紋根部一定會存在應力集中，在受到外部較大的拉應力作用時容易發生斷裂。

（3）加工工藝。制造加工工藝存在問題（成分偏析、二次相等）使得中心導電管延伸率偏低，斷裂韌性較差，脆性較大。按照斷裂力學的理論，斷裂韌性越差的材料其裂紋失穩擴展的臨界尺寸越小，中心導電管一旦萌生裂紋，就極易失穩擴展，從而發生脆性斷裂。

上述3 個因素中，最根本的原因是實際材質與設計材質不符，導致其抗拉強度偏低，無法滿足使用要求。

4 糾正預防措施

針對本次導電管斷裂失效事件，具體提出以下3條糾正預防措施。

（1）導電管選用規定材質2A12-T4、抗拉強度不小于380 MPa 和屈服強度不小于255 MPa。

（2）每批導電管進廠，供方須提供合格證、質量檢驗報告，標明導電管材質、機械性能。

（3）對每批供貨導電管按檢驗指導書規定進行材質檢驗，并做機械性能抽樣檢測。

5 結束語

高壓套管是變壓器的重要組成部分，在以往的運行中多注重其絕緣性能，對套管零部件的材質特性的質量把關不足，導致出現了一些原本可以避免的故障乃至停電事故。本文通過多種分析手段全面分析了導電管斷裂的主要原因，對此類故障的預防和排查具有較高的參考價值。