500Kv变电站电压互感器接线板断裂故障分析

500Kv变电站电压互感器接线板断裂故障分析

刘国友

华能渑池热电有限责任公司，河南渑池 472400

摘要：本文对河南某发电厂500Kv变电站发生的一起主变出口电压互感器上方接线板脆性断裂后引发相间短路并造成机组停运事例阐述，分析了引起500Kv电压互感器接线板金具断裂的原因，针对其中存在的问题加以分析和处理，对变电站同类型高压设备接线板、连接金具可能存在的问题及需要关注的事项提出参考意见，为处理同类型故障提供了借鉴意义。

关键词：变电站；电压互感器；接线板；脆性断裂；相间短路

一、引言

随着我国经济的稳步快速发展，对电力的需求越来越大，电网规模也随之增大，500Kv变电站作为输配电的枢纽变电站，担负着输送电能的重任，其能否安全稳定运行，将直接关系到电力系统的安全稳定。鉴于此，对变电站高压设备设计、安装和检修维护的电力人员提出了更高的技术要求。

在变电站内断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器等各种设备之间需要通过高压引线、接线板、设备线夹等设备实现连接；常见的接线板、设备线夹多为纯铝材质、铝合金材质或铜铝过渡材质；接线板、设备线夹等金属附件统称为电力金具；由此可见，变电站内设备的连接金具和站内高压设备具有同等的重要性，同样关乎着变电站的安全稳定运行。

二、故障现象及事件经过：

2020年5月11日凌晨，河南省气象台发布大风蓝色预警:全省大部分地区西北风4到5级,阵风7级左右，局部阵风达9级以上。5月11日4时14分，河南某发电厂#3机组DCS来 “#3主变差动跳闸、高厂变功率低、6KV厂用3A段备自投动作、备自投动作闭锁”报警。检查发变组保护装置A、B柜均有“主变差动速断”保护动作信号。NCS有“500KV 5032断路器保护跳闸动作”，500KV 5032开关跳闸，6KV 3A、3C段工作电源进线开关跳开，6KV 3A段备自投动作正常，锅炉PC 3A 段、汽机PC 3A 段、保安PC 3A段电源正常。就地检查发现#3主变高压侧电压互感器 A相引线与电压互感器上部连接金具断裂，引线分离悬空。

#3发变组保护动作情况分析： 5月11日04:14：48.209时，#3主变高压侧电压A相开始有畸变并逐渐降低，同时#3主变3U0电压逐渐升高；04：14:48.409时，#3主变高压侧电压A相降为零，3U0升为额定100V，持续至04：14:50.957，即#3主变高压侧A相一次线断开，并未发生接地。

04：14:50.957时，#3主变高压侧B相电压有降低；04：14:50.978时，B相电压降至29V左右。

04：14:51.000时，保护装置显示A、B相二次电流为9.24A，22.5ms后#3主变差动保护动作；04：14:51.021时,收到5023断路器跳闸接点反馈，随后#3机6kVA、C段工作电源进线开关跳闸，A段备用电源进行开关合闸正常；经分析#3主变高压侧电压互感器接线板断裂后，在风力作用下，A相电压互感器引线随风摆动至B相电压互感器高压侧，造成A、B相间短路，主变差动速断保护动作跳闸。

#3主变转检修后对故障断裂部位及放电点检查情况：#3主变转检修后，拆下#3主变高压侧A相电压互感器上部接线板检查，接线板螺丝孔处横向疲劳断裂（见附图1），在B相电压互感器均压环处找到短路放电点，与保护动作分析一致。

附图1： A相电压互感器上部接线板断裂部位断口

三、故障原因分析：

1、原因一：#3主变高压侧电压互感器上部接线板材料质量不佳、铸造工艺不良。经对电压互感器上部接线板金具的宏观形貌、化学成分、金相组织、室温拉伸性能、维氏硬度、断口形貌等方面的分析试验，该接线板为铸造铝合金，其化学成分与ZL101A相符；接线板的母材质量不佳，表现在：室温拉伸强度低于标准值、金相组织有铸造疏松缺陷、显微组织偏析明显；接线板为脆性断裂。

主要试验分析如下：

（1）化学成分分析：接线板为Al-Si系铝合金，Si含量为7%，与常见的铝合金板材成分（GB/T 3880.1-2012《一般工业用铝及铝合金板、带材》）存在较大差异；其成分特点与铸造铝合金中的Al-Si系的ZL101A相匹配。

表1-1 接线板的化学成分分析结果（wt, %）

（2）金相组织分析：使用线切割机在底板和肋板断裂附近各取一个金相试样，使用铝合金专用腐蚀液（HF:HNO3:H2O=1:4:5）腐蚀，通过Nikon Eclips Ma200型金相显微镜观察组织形貌，其金相照片如图6所示。接线板底板和肋板的金相组织呈典型的铸造组织特征，并非常见的铝合金板材显微组织；显微组织以α枝晶（Al）+(α+Si)共晶+大量Mg2Si（金相照片上的灰黑色颗粒）为主，且枝晶杆与枝晶间存在明显的偏析现象，说明该合金变质处理不良或未经过变质处理。此外，在底板和肋板均发现了缩孔等多处铸造缺陷，铸造缺陷多易形成应力集中效应而率先形成裂纹。

附图2：电压互感器接线板组织形貌

×200 ×500

（3）室温拉伸性能：使用线切割机在底板和肋板切出拉伸试样，随后在ETM105D微机控制电子试验机进行试验，其结果如表1-2所示。可见，底板和肋板的力学参数较高，但塑性均较低。参照铸造铝合金ZL101A（JB/T6）的力学性能指标，可见接线板底板和肋板的室温强度均低于标准值，其中底板的强度更低且塑性指标也不达标。

表1-2 接线板的室温拉伸性能

2、原因二：#3主变高压侧电压互感器、避雷器引下线连接方式设计、安装不合理。经查阅图纸及现场勘察：主变出口电压互感器、避雷器本体上部接线分别取自龙门架两侧双分裂钢筋铝绞线，上方与主线路采用双T型连接，上方连接部位与下方设备之间的引下线跨距达到20m，在大风天气下，引下线受到风力作用发生较大幅度摆动，增加了下方设备接线板、连接金具所受的悬臂弯矩力，超越了电压互感器接线板能够承受应力的强度，在接线板螺丝孔强度薄弱处发生横向脆性断裂。

四、处理方法：

1、改进主变出口电压互感器、避雷器与上方主母线的接线方式：拆除原来电压互感器和避雷器引下线，将原来的分散双“T”型连接方式改为“人”字形连接方式（附图3），将引下线的接线位置改为主变电压互感器和避雷器中心处的跨接线位置，缩短设备引下线的长度，分散了引下线所承受的风力，减小引下线受风力作用扰动的幅度，降低电压互感器、避雷器引下线连接金具及接线板承受的扰动应力强度。

附图3：改进成“人”字形连接方式

2、更换经金相试验、着色渗透试验验证材质质量可靠、铸造工艺良好的电压互感器接线板，加装接线板防护筋板。在电压互感器上方接线板迎风侧加装L型钢板防护（附图2、3），厚度为8mm,L型钢板侧面、底部分别与接线板侧面和电压互感器本体通过连接螺丝整体固定，增加接线板的抗外力强度。

附图4、5: L型钢板及安装方式

五、故障的预防及建议：

1、定期开展变电站高压设备、引线、连接金具、接线板等设备集中排查及巡视检查工作，利用红外测温及望远镜观测手段提早发现并消除隐患。

2、结合变电站停电检修机会，对变电站内设备的连接金具进行金相试验、着色渗透试验，提前发现连接金具存在的内部组织缺陷、焊缝、裂纹等问题，并及时更换处理，消除事故隐患。

3、对处在风口区域的变电站，应优化变电站设备一次设备的连接方式，降低变电站引线及连接金具受风力影响程度；必要时改变设备线夹的类型，更换强度更高的接线板；减弱其所受的悬臂弯矩载荷，可采取在接线板肋板两侧增加加强支撑结构（如加强筋）、升级接线板材料等级、改变悬臂结构形式等方法，做到防范于未然。

参考文献：

1. GB/T 1173-2013_铸造铝合金.

2. 李瑞, 杨卫民, 余虹云,等. 浙江某500kV变电站线夹开裂原因分析[J]. 电力建设, 2005, 26(008):30-31.

3. 董重里, 胡平, 罗雪. 高压隔离开关静触头铸铝夹板的断裂失效分析[J]. 机电工程技术, 2017, 046(002):76-78.

4. 朱立新. 平圩电厂500KV升压站铝合金连接板的失效分析[J]. 理化检验:物理分册, 1990(6):53-55.

作者简介：刘国友（1971- ），男，汉族，本科学历，中级职称，从事发电厂管理工作

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