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
中图分类号:TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)05-0030-04
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。 2021年5月,某500kV 变电站高压六氟化硫 断路器发生泄压故障,集控站监控发现断路器低气 压告警,六氟化硫分合闸闭锁。现场检查发现 B相 断路器导气管接头部位开裂,无法通过补气修复,开 裂部位如图 1 所示。该 断 路 器 为 LW35-252 型 设 备,服役时间约为两个月;该断路器导气管及其接头 材料均为黄铜。
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2所示。
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,具体化学成分分 析结果如表1所示。
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,其平均硬度为157HV,维氏 硬度测试结果见表2。
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[3]。从图3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。
1.5 扫描电镜和能谱分析
采用扫描电镜观察导气管接头断口表面的微观 形貌,扫描区域如图4所示,断口微观形貌如图5所 示。同时对宏观断口处黑色、黄色及其交界区域进行 能谱分析,能谱分层图像如图6所示,其中,铅元素分 布呈现明显的宏观偏析现象。表3是能谱分析面总 谱图和分布区1~4的元素含量,由表3可知,在分布 区1和分布区3的铅元素含量明显高于分布区2和 分布区4的铅元素含量,整个断口区域的铅元素总含 量也明显高于工件的平均铅元素含量(1.87%)。铅 元素分布情况如图7所示,由图7可以看出:断口黑 色区域的铅元素含量明显高于黄色区域,存在铅元 素宏观偏析现象,这会导致导气管接头的塑性降低, 脆性增强,易产生开裂缺陷。对断口表面微观形貌 进行分析,可见较多的微小裂纹(见图8)。
对显微组织的α 相和β相腐蚀后进行扫描电镜 和能谱分析,在晶界处可看到针条状分布的α 相,α 相和β相能谱图未见异常(见图9~11)。
1.6 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12)。由图12可以看出,裂纹 图12 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2所示开裂位置吻合。
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[4-5]。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[6-8]。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。