500kV垂直伸缩式隔离开关导电臂断裂原因分析

李少逸 林杰欢 梁永纯 郭 琳

（广东电网有限责任公司惠州供电局，惠州 516001）

500kV垂直伸缩式隔离开关导电臂断裂原因分析

李少逸 林杰欢 梁永纯 郭 琳

（广东电网有限责任公司惠州供电局，惠州 516001）

采用宏观检查、光谱分析、硬度试验、金相试验、扫描电镜及能谱分析等方法，对隔离开关导电臂的断裂原因进行分析。分析结果认为，该导电臂采用的2系列铝合金耐蚀性差，长期受腐蚀剥层，使构件强度降低而发生断裂。

隔离开关 导电臂 T2系列铝合金 剥层腐蚀 断裂

引言

某变电站监控系统发出“500kV II母母差保护I装置报警”“500kV II母母差保护II装置报警”报文。后工作人员现场巡视发现，一组母线侧垂直伸缩式隔离开关A相动静触头已经分开，上导电臂完好，下导电臂上端完全折断，一头掉落在隔离开关与断路器之间连接导线上，隔离开关B、C相正常。刀闸型号为TFB 525 pc 125+1E。根据厂家资料，该型号刀闸导电臂采用铝合金材质。由于厂家提供的原始技术资料欠缺，决定从现场再拆下同年出厂的完好隔离开关导电臂，对断裂的A相、完好的B、C相及另外一组完好的隔离开关导电臂进行理化检验，对照查找导电臂断裂的原因。现予以介绍。

1 试验方法与结果

1.1 宏观检查

1.1.1 断裂导电臂

导电臂采用圆柱空心铝合金材质，断裂导电臂宏观形貌、断口宏观形貌分别见图1、图2。

图1 断裂导电臂宏观形貌

图2 断裂导电臂断口宏观形貌

由图1、图2可见，断裂导电臂断裂位置离焊接口约30mm，外部有青苔痕迹，由内而外氧化、鼓胀、剥层腐蚀严重，断口附近的导电臂内壁布满白色斑点，断口呈多层松散结构，片状铝合金用手轻轻捏碰随即脱落，用手一压即成粉状。

1.1.2 完好导电臂

导电臂上下各有一个直径约3mm的排水孔，上排水孔距最顶端约30mm，在管的最顶端也有一个小孔，下排水孔距离最底端约50mm。完好导电臂宏观形貌及横截面见图3。

图3 完好导电臂宏观形貌及横截面

由图3可见，完好导电臂未见青苔、鼓胀、裂纹。切开后，导电臂内侧光亮，受腐蚀情况不明显。

1.2 光谱分析试验

1.2.1 取样情况

对运行中发生断裂的隔离开关和另外一组完好的隔离开关导电臂取样进行检验分析，结果如表1所示。

表1 取样情况

1.2.2 试验结果

采用岛津PDA-7000型火花光电直读光谱仪对试样1-3，用Niton手持式合金分析仪对试样4-11进行材质分析，结果见表2。

由表1可知，试样1、2的成分中含有较高含量的Cu元素，而试样3中Cu元素含量较少。由于厂家未提供材料的设计材质，根据试验室成分分析结果可以推测，试样1和试样2的材质接近GB/T 3190-2008《变形铝及铝合金化学成分》中2系列铝合金（牌号为2014），试样3的材质接近6系列铝合金（牌号为6351）。

表2 试样光谱分析结果（w t%）

由以上表2检验数据，可初步判别各检验的隔离开关导电臂的金属材质，如表3所示。

表3 导电臂金属材质

1.3 洛氏硬度试验

用XHV-V3.0型全自动显微硬度计对试样1-3进行硬度试验，试验力标称值选用1.961N，硬度符号为HV0.2，结果见表4。

表4 试样硬度试验结果

由表4可知，属2系列铝合金的1号和2号样品的力学性能相同，属6系列铝合金的3号样品与1、2号不同，硬度稍逊。

1.4 金相试验

分别对送检样品1-3取样、磨制、抛光和浸蚀后，采用Leica DMI3000M金相显微镜观察拍照，金相试验结果见图4、图5。图4所示为隔离开关A相断裂导电臂双臂的组织形貌照片（试样1），为α（Al）固溶基体上有黑色的杂质相和灰色的强化相Al2Cu。图5所示为隔离开关B相未断裂的导电臂的组织形貌照片（试样2），为α（Al）固溶基体上析出大量的化合物质点。

图4 试样1组织形貌

图5 试样3组织形貌

1.5 扫描电镜及能谱分析

将断口腐蚀产物在Hitachi S-3400N型扫描电子显微镜（SEM）下进行观察及能谱分析。从试验结果可以看出，腐蚀产物中以Al2O3为主，同时含有一定量具有腐蚀性的Cl离子和S离子，如图6所示。

2 分析与讨论

从宏观检查的结果看，发生断裂的隔离开关导电臂为铝合金材质。铝合金在存在腐蚀介质的情况下会产生腐蚀，长期腐蚀导致导电臂管壁厚度不断减薄，进而导致承应力下降，低于导电臂设计受力要求而断裂。

从导电臂的结构看，导电臂上下各有一个直径约3mm的排水孔，上排水孔距最顶端约30mm，在管的最顶端也有一个小孔，下排水孔距离最底端约50mm。因此，当雨水进入排水孔后，会残留一部分在最下端。这部分水受热（阳光照射等）后，会产生水蒸气向上升。大部分水蒸气会从排水孔排出，

图6 腐蚀产物能谱分析

但仍有部分水蒸气残留在最顶端。由于水蒸汽中含有腐蚀介质（大气中含有硫离子、氯离子的化合物），因此这些含有腐蚀介质的水份长期存在是导致金属腐蚀的重要原因。

从光谱分析的结果看，断裂样品中的铝合金中含有较高含量的Cu元素。Cu元素在铝合金中会形成Al2Cu相，是影响合金的耐蚀性能的重要指标，因此断裂的导电臂耐蚀性能较低。断裂样品属2系列铝合金，其材质耐蚀性较差，不适合在户外（特别是沿海地区）设备中使用。

从金相试验的结果看，断裂样品中的铝合金中含有的Al2Cu相，此种析出相的周围是合金钝化膜的薄弱点。一旦暴露于腐蚀介质中，此处的钝化膜首先破裂并难以愈合，继而导致材料不断被腐蚀。

从扫描电镜及能谱分析的结果看，腐蚀产物中以Al2O3为主，同时含有一定量具有腐蚀性的Cl离子和S离子，而Cl离子和S离子是大气中存在的化学物，这些腐蚀介质长期腐蚀金属。

3 结论

发生断裂的导电臂材质为属2系列铝合金。该材质耐蚀性差，不适合在户外（特别是沿海地区）的设备中使用。同时，导电臂结构设计存在缺陷，导电臂管预留的排水口长期留有腐蚀性水汽的隐患；导电臂长期受腐蚀，管壁厚度不断剥层减薄，降低导电臂的强度，导致无法承受正常的工作应力而发生断裂。

4 后续处理建议

（1）开展对同批次隔离开关更换改造；

（2）开展各厂家型号隔离开关导电臂金属材质普查工作，逐步对2系列铝合金材材料隔离开关导电臂进行更换；

（3）加强隔离开关金属材质品控管理，编制隔离开关金属材料的技术要求，对今后入网运行的隔离开关，各金属部件禁止选用2系列铝合金材料。

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Fracture Analysis of the Conductive Arm of the 500kV Vertical Telescopic Isolation Switch

LI Shaoyi, LI Jiehuan, LIANG Yongchun, GUO Lin
(Guangdong Power Supply Bureau, Huizhou Power Grid Co., Ltd., Huizhou 516001)

The fracture causes of the conducting arm of the isolation switch were analyzed by means of macroscopic examination, spectrum analysis, hardness test, metallographic test, scanning electron microscope and energy spectrum analysis. The analysis results show that the corrosion resistance of the 2 series aluminum alloy is poor, and the strength of the component is broken because of the corrosion layer.

isolation switch, conductive arm, T2 series aluminum alloy, stripping layer corrosion, fracture