分享：电网设备线夹开裂原因
许宏伟,虞鸿江,杨迎春,周静波,陈国坤
(云南电网有限责任公司电力科学研究院,昆明 650217)
摘 要:某电力公司变电站用铝合金设备线夹在运行过程发生批次开裂事故,通过宏观观察、断 口分析、化学成分分析、力学性能测试、冷冻模拟试验等方法,对设备线夹的开裂原因和开裂机理进 行了分析。结果表明:设备线夹焊缝存在焊接缺陷,导致焊缝强度下降;设备线夹接线管底部存在 积水空间,寒冷天气下积水结冰,体积膨胀,使焊缝承受设计工况外的负载而过载开裂,造成了线夹 开裂。
关键词:设备线夹;焊缝;焊接缺陷;积水结冰;开裂 中图分类号:TG115 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2021)01-0066-04
电网设备线夹主要用于变电站母线引下线与电 气设备(如变压器、断路器、隔离开关、电流互感器、 电压互感器、避雷器、穿墙套管等)的出线端子接续, 是母线引下线与电气设备及电气设备之间连接用的 金具[1-2]。随着电网的快速发展,高压输电线路越来 越密集,线夹的使用数量也越来越多,该部件的质量 关系着电网运行的安全、稳定。设备线夹由紧固绞 线部分和与电气设备相连部分组成,前者为压盖和 线槽结构或管状结构,后者为与电气设备通过螺栓 紧固连接的平板式端子板结构[3-4],典型形貌如图1 所示。接线管一般采用工业纯铝热轧制造,端子板 采用铸造铝合金制造,两者之间连接方式为焊接。 线夹仅承受自身和部分导线重力,一般不会出现应 力过大现象。
在实际生产中,受加工成本、生产进度要求和人 员技能水平不均等因素的影响,铝合金设备线夹的 端子板铸件容易产生铸造缺陷,端子板和接线管之间的焊缝容易出现未熔合、未焊透等焊接缺陷[5-8]。 这些缺陷不仅增加了电力输送过程中的电能损失, 还大大降低了线夹的强度和承载能力,使得设备线 夹在运行过程中产生裂纹甚至开裂,严重影响其使 用寿命[9-10]。因此,开展线夹的失效分析对于电网 的安全与稳定运行具有重要意义。 某公司设备巡维过程中发现,在低温、湿润环境 地区使用的压缩型设备线夹在运行1~3a(年)后发 生批次开裂的情况,为探究失效原因和机理,笔者进 行了一系列检验与分析,提出了相应治理措施,并针 对所提治理措施进行试验验证,以期为防止同类型 设备线夹开裂提供帮助。
1 理化检验
1.1 宏观观察
对开裂线夹进行宏观观察,可见设备线夹连接管 与端子板之间的焊缝开裂,开裂部位位于焊缝中部, 如图2所示。测得环焊缝周长为238mm,表面裂纹 长度为133mm,裂纹长度占整条焊缝长度的55%以 上。设备线夹靠近焊缝位置的连接管存在膨胀变形 现象,分别对接线管距焊缝0,10,20,30mm 位置的 外径进行测量,结果如表1所示。可见接线管外径超 过设计值,外径最大的超过设计值4.62mm。
将焊缝未开裂部位沿接线管轴线纵向剖开,可 观察到接线管焊缝处存在未熔合、未焊透等缺陷,如 图3所示。接线管壁厚10mm,测得未熔合宽度最 大为7.9mm,达到理想熔合线3/4以上;未焊透宽 度为2.9mm,超过接线管壁厚1/4,焊缝的有效连接严重不足,不满足 DL/T768.6-2002 《电力金具 制造质量 焊接件》的技术要求。
1.2 无损检测
对设备线夹的开裂焊缝进行 X 射线检测,结果 如图4所示。可见设备线夹焊缝存在裂纹,接线管 内导线末端与底部距离 27 mm,在 线 夹 底 部 形 成 空腔。
1.3 化学成分分析
设备线夹的端子板材料为1070铝合金,接线管 材料为1050A 铝合金,对其进行化学成分分析,结 果如表2所示。可见端子板和接线管的化学成分符 合 GB/T3190-2008《变形铝及铝合金化学成分》 的技术要求。
1.4 力学性能测试
在图1所示设备线夹的端子板平板和接线管 管壁中截取 矩 形 拉 伸 试 样 进 行 室 温 拉 伸 试 验,试 样长度为20mm,平行长度为12mm,平行长度部 分截面尺寸为10mm×4 mm,试验结果如表3所 示。可见端子板的抗拉强度满足 GB/T3880.2- 2012《一般工业用铝及铝合金板、带材 第2部分: 力学性能》对 1070 铝 合 金 的 技 术 要 求,接 线 管 的 抗拉强度同样 满 足 GB/T4437.1-2015 《铝 及 铝 合金热挤 压 管 第 1 部 分:无 缝 圆 管》对 1050A 铝 合金的技术要求。
1.5 在 断 裂 口 纹 分 尚 析 未贯穿焊缝的位置截取试样并进行观 察,可见裂纹开口朝向接线管内部,由内向外扩展至 焊缝表面,说明断裂是由内部开始产生然后逐渐向 表面扩展,如图5所示。 对接线管侧焊缝的裂纹表面进行宏观观察,可 见 靠 接 线 管 内 壁 存 在 未 焊 透 区,最 大 宽 度 为 3.6mm,约占总厚度的1/3,如图6所示。
1.6 进水性模拟试验
因靠近焊缝的接线管存在膨胀变形现象,怀疑 内部有积水结冰膨胀的情况。将设备线夹沿焊缝根 部截断进行进水性模拟试验,如图7所示。可见水 可由线夹顶部流到下端,表明设备线夹在运行过程 中,雨水可通过压接部位进入线夹内部。 选取4个未开裂的线夹,在靠近焊缝位置的接 线管处打孔并灌水,测量所得积水体积分别为105, 203,236,177mL,积水量均大于100mL。 图7 进水性模拟试验 Fig 7 Waterinflowsimulationtest
1.7 冷冻模拟试验
在靠近焊缝位置的接线管处打孔,线夹充满水 后在大气环境试验室内进行 RT(室温)~-20 ℃的 冷冻模拟试验。线夹经7次冷冻模拟循环试验后于 焊缝处出现长度为108mm 的裂纹,接线管明显膨 胀变形,形态与该变电站开裂线夹的一致,如图8所 示。
1.8 有限元模拟
使用 ABAQUS软件对设备线夹建立有限元模 型,设置未熔合缺陷,并在积水空间内施加30 MPa 的膨胀应力进行有限元分析。计算所用铝合金材料 的抗拉强度为75MPa,弹性模量为70GPa,切变模量为26GPa,泊松比为0.36,计算结果如图9所示。 可知应力最大的部位为焊缝根部,应力值最大位置 与未熔合缺陷位置一致。
2 分析与讨论
综合以上试验,开裂设备线夹化学成分及抗拉 强度均符合标准的技术要求。线夹焊缝存在未熔合 及未焊透缺陷,焊缝质量不符合设计要求。接线管 底部存在积水空间,未采用避免积水的结构和措施, 雨水可在自然条件下流入积水空间内,积水在低温 条件下结冰膨胀,在焊缝位置产生较大的应力,使线 夹沿焊缝未焊透、未熔合缺陷等薄弱部位因过载产 生裂纹并逐渐扩展,最终导致线夹在焊缝处产生贯 穿性裂纹。 因此,可以从加强线夹质量管控和避免产生积 水两个方面着手,解决该类线夹开裂的问题。
3 改善措施 3.1 线夹质量管控措施 选型阶段选择结构形式符合国家、行业标准的 变电金具,低温湿润地区的设备线夹应优先选用整 体铸造型设备线夹。制造、安装阶段严格按国家、行业、企业标准进 行到货抽检,保证变电金具的产品质量符合要求。 设备线夹到货抽检中应有数字 X 射线检测项目,以 检查设备线夹是否存在未熔合及未焊透缺陷。 运行及维护阶段采用60倍望远镜对变电站焊 接设备线夹焊缝部位进行检查,及时发现压接管的 结冰膨胀现象和焊缝部位的裂纹缺陷。
3.2 线夹防积水措施
3.2.1 力学性能评价
抽取 3 对 设 备 线 夹,在 设 备 线 夹 积 水 部 位 开 ?6mm 的泄 水 孔。 经 握 力 试 验,设 备 线 夹 满 足 GB/T2314-2008《电 力 金 具 通 用 技 术 条 件》和 GB/T2317.4-2008《电力金具试验方法 第4部分: 验收规则》的技术要求。继续加载设备线夹直至其 被破坏,发现破坏的部位在焊缝处,而不在开孔部 位。因此,在设备线夹积水部位开?6 mm 的泄水 孔后,设备线夹的力学性能满足标准和设计要求。
3.2.2 载流性能评价
在设备线夹积水部位开?6mm 的泄水孔并进 行大电流温升试验,记录线夹和导线的最高温度。 导线通过电流为1500A,当通电30min时,线夹温 度(21℃)低于导线温度(41 ℃);当通电60min时, 线夹 温 度 (25 ℃)低 于 导 线 温 度 (45 ℃),通 电 60min后 设备线夹和导线的温度如图10所示。因此对线夹进行开孔处理后,不会引起线夹的整体发 热,也不会影响线夹的通流能力。
4 结论及建议
设备线夹焊缝处存在焊接缺陷,导致焊缝强度 下降;设备线夹接线管底部存在积水空间,寒冷天气 下积水结冰,体积膨胀,使焊缝承受超出设计工况的 外力,造成了线夹焊缝的开裂。由于线夹开裂为一 个发生、扩展、开裂的渐变过程,因此建议在运维过 程中通过20~60倍的高倍望远镜检查设备线夹是 否开裂及接线管是否明显膨胀变形,通过在线夹积 水部位开泄水孔可有效防止设备线夹因积水结冰导 致的开裂和膨胀变形。经试验验证,在设备线夹积 水部位开?6 mm 泄水孔,线夹力学性能及电流承 载性能仍能满足要求。
来源：材料与测试网
