摘要：本文针对750kV某变电站750kV管母靠近75221隔离开关A相侧固定金具断裂事故，采用宏观检查、化学元素分析、硬度测试和力学分析进行试验和理论分析。结果表明，管母侧单滑槽受水平压力、弯矩以及扭转综合作用，水平方向平均风载荷静力作用是断裂主要外因；水平方向脉动风引起的冲击载荷及扭转降低了其强度，是加速断裂的次要原因；不当的结构形式是其断裂的主要内因。
关键词：管母固定金具；断裂；失效分析；结构形式
引言：
新疆的风资源十分丰富，全疆共有9个风区，风区年平均风力在6级及以上。由于新疆面积占全国总面积的1/6，造成新疆电网输电线路特别长，很多线路、变电站难免要经过多风强风地区。强风作用下，对很多输变电设备造成损坏失效。
研究输变电设备失效对保证电网安全运行，提高电网可靠性十分重要。材料在使用年限、环境、工况等因素影响下，难免会产生失效。通过研究，我们可以针对这些因素来改善材料的性能，一个可以提高电网运行的可靠性，另一个可以延长其使用寿命，避免频繁更换部件造成不必要的经济损失。对金属材料进行失效分析，可以有效的促进新材料的发展、可以改进材料的成型工艺、也可以对部件设计提供有价值的反馈信息、还能提高专业人员的技术水平。
以往，电网设备出现故障以后，一般都认为电气故障，因此很多材料上的缺陷导致的事故都被电气故障所掩盖[1]。随着事故的频发，材料的缺陷问题也逐渐暴露出来，研究人员也慢慢探索到事故本质的原因。卢展强[2]等人对广西电网近几年金属材料部件失效情况的分析，认为失效的原因主要是制造、安装质量不佳。池云飞[3]等人提出了输变电设备失效的4种方式，变形、疲劳、腐蚀和磨损。程洪波，谢亿[4]等人对湖南电网设备金属部件失效情况调查，得出造成失效的原因有三，即设计不合理、金属材质不良和安装不到位。目前，关于强风环境对输变电设备的影响的研究很少报道。因此，结合新疆特殊地理环境，本文初步探索强风环境对输变电设备的影响，通过对断裂金具成分、硬度及力学分析，阐述其断裂的原因。
1 750kV某变电站金具断裂失效分析
1.1 本文背景
2016年9月19日，该变电站2号主变压器75221隔离开关静触头与75202隔离开关II母侧管母金具伸缩滑动金具断裂，如下图1所示。该金具为上海永固金具厂生产，型号：MGSP-200-143*143（水平伸缩线夹），为750kV变电站首次使用，设计材质为ZL102。投运日期2015年10月23日。巴楚站属于强风地区，该站平均最大风速为30m/s，相应风压为0.56kN/m²。
1.2 现场检查
1.2.1 金具断裂情况
现场检查发现该管母固定金具与75221隔离开关A相侧连接处的水平滑槽发生断裂，如图2所示。
1）该金具断裂位置具体位于连接部位管母侧单滑槽，与其连接的双滑槽及另一端75202A相侧滑槽未断裂。
2）发生断裂的单滑槽在其自由端、固定端单侧根部共两处发生断裂。且伸缩节因扭转出现散股现象。
1.3 金具断裂原因分析
1.3.1 化学元素分析
为了判断材质是否满足设计要求，我们对进金具材质进行分析，采用FOUNDY-MASTERPRO直读光谱仪对管母金具进行化学元素分析。
1.3.2 硬度测试
对于金具的力学性能我们应该是做抗弯及拉伸试验，但由于没有合适的夹具，故采用一个折中的方法。我们采用台式HBS-3000型布氏硬度测试仪对管母金具进行硬度测试。
1.3.3 金相分析
对断裂金具截取断面进行微观金相组织分析，如图3所示。显微组织是粗大的针状Si以及初晶Si和α固溶体构成的共晶组织。未经变质处理。
经过变质处理后，粗大的针状Si和不规则的初晶Si晶粒得到细化，弥散的分布在基体Al中，起到了弥散强化的作用。
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1.3.4 受力分析
金具在设计时只考虑了静力作用，而忽略了动力作用。结合该站当地天气情况，平均风速为30m/s，相应风压为0.56kN/m²，且四分裂高跨引下线裕度较大。因此，考虑金具设计结构不合理，对其进行力学分析；
1）以管母侧单滑槽部分为研究对象，其上表面主要受部分引下线自重与管母自身自重施加的弯矩My[5]；受连接螺栓位移约束后，由直接作用于管母上的平均风载荷[4]静力作用引起的水平方向压力Fy、脉动风作用引起的水平方向冲击载荷；以及引下线偏心自重和作用于引下线上的风载荷引起的以轴向为轴的扭转Me。
2）以隔离开关侧上下双滑槽为研究对象，其承受的弯矩、水平方向的力以及扭转都与单滑槽受力方向相反。
2 综合分析
结合化学元素分析、硬度测试结果可以看出，该金具符合标准中对ZL102的要求。
从结构形式角度出发，综合断口、压痕位置及方向，结合受力分析，可推断出断裂主要出于以下原因：
1）自由端中线处先断裂，固定端单侧根部后断裂。若固定端一侧根部先断裂，则剩余单滑槽主要受弯矩作用，另一侧将紧接着发生断裂；而若中部先断裂，端部主要承受弯矩作用，断裂将沿水平方向，符合现场实际现象。
2）水平方向平均风载荷静力作用是断裂主要外因。管母侧单滑槽受水平压力、弯矩以及扭转综合作用，由于该金具中线处断口沿竖直方向且位于中线处，呈典型的I型裂纹形式，且滑槽内壁一侧有严重压痕（即塑性变形），另一侧没有。因此推断水平方向的平均风载荷静力为断裂主要原因。而水平方向脉动风引起的冲击载荷及扭转降低了其强度，是加速断裂的次要原因。
3）不当的结构形式是其断裂的主要内因。因连接部位滑槽的材质为ZL102，并未经变质处理，其材料的强度本身就较低；加之结构受水平方向的风载荷，风载荷引起的静力经由螺栓传递至单滑槽内壁，造成单滑槽单侧受压，而受压处接触面太小，形成了应力集中，并且内壁局部硬度低，在压力作用下很快的产生塑性变形，剩余强度逐渐降低，随着时间推移，当内壁所受压力超出临界应力后，就在危险界面（即中线处）发生断裂。
3 结论及建议
结论：
在强风环境下，管母固定金具滑槽连接处结构欠佳，是造成此次750kV管母靠近75221隔离开关A相侧固定金具断裂的主要原因。
建议：
1、对在运的相同结构形式的管母固定金具，建议更换；
2、对在运的不同结构形式的此类金具，加强定期巡视与定检，着重检查连接处受力的关键部位；
3、对于更换后的此类金具，由设计单位校核其强度，优化其结构形式，如图5所示。
4 结束语
输变电金具虽然不是主要设备，但是能起到连接，承载的作用，一旦出现失效现象，也会导致电网不安全运行，甚至是瘫痪。所以，对电力金具严格要求是保证电网正常、安全运行的一个保障。
首先，材料质量是前提，在出厂时，入网前必须严格管控。对基建单位配备相应的仪器，检测人员。
其次，在设计、安装时要合理，保证使用要求的同时，也要保证对部件的保护。
还有，根据使用工况，年限，环境设计材料，提高材料的性能，满足特殊地区，特殊环境下的使用要求。
另外，由于本文试验条件有限，金具的拉伸及抗弯试验无法验证。还有在受力分析时，只是定性的说明，没有定量。可以考虑在金具上加装应力传感器，从而可以定量的说明。
参考文献：
[1]谢亿，刘纯，陈红冬，牟申周.电网金属部件材质失效分析与策略[J].华中电力，2012，（03）：57-59.
[2]卢展强，张兴森.输变电金属材料部件失效分析与对策[J].广西电力，2014，（01）：42-44.
[3]池云飞，王莹.输变电金属材料部件失效分析与对策[J].科技创新与应用，2016，（20）：215.
论文作者:王宗江,陈东娃,宋和豫疆,魏响
论文发表刊物:《电力设备》2017年第34期
论文发表时间:2018/5/14
标签：滑槽论文; 载荷论文; 水平论文; 电网论文; 弯矩论文; 方向论文; 静力论文; 《电力设备》2017年第34期论文;