金屬斷口技術論文

　　隨著斷裂學科的發展，金屬斷口分析在材料斷裂失效分析中佔有越來越重要的位置。下面是小編為大家精心推薦的，希望能夠對您有所幫助。

　　篇一

　　500kV斷路器斷口擊穿故障與防護措施分析

　　[摘 要]通過對幾起500 kV斷路器斷口擊穿故障的分析表明，斷路器斷口發生擊穿後，無論是滅弧室內部斷口擊穿還是斷口外絕緣表面閃絡，故障電弧均不能自行熄滅，同時由於斷口閃絡電流較小且沒有對地故障，各種保護裝置均不能快速動作。持續燃燒數秒鐘的電弧使滅弧室嚴重發熱，劣化SF。氣體，並引發斷路器爆炸等更嚴重的裝置故障。帶有並聯電杭器的線路斷路器及發變組斷路器發生斷口閃絡故障的風險較高。

　　[關鍵詞]斷路器;斷口閃絡;閃絡保護

　　中圖分類號：TM561 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X***2014***18-0143-01

　　0 引言

　　近期電網發生的幾起斷路器斷口擊穿、並聯電容器擊穿以及斷路器斷口瓷套外部閃絡擊穿故障，從總體來看，這幾起故障均可歸為斷路器斷口閃絡、擊穿故障，並從中可以看出發變組斷路器、以及帶有並聯電抗器線路的斷路器發生斷口閃絡的風險較高。由於斷口閃絡後故障電流較小且沒有對地故障，通常保護裝置均不能快速切除故障;同時由於系統電壓的存在，故障電弧也不能自行熄滅。從近期幾起故障來看，持續燃燒數秒鐘的電弧使滅弧室嚴重發熱，劣化SF。氣體，並引發斷路器爆炸等更嚴重的裝置故障。因此為斷路器閃絡配置有效的保護裝置，及時切除發生故障的斷路器，對於保證裝置安全、避免故障擴大有著重要意義。

　　1 斷路器斷口閃絡故障分析

　　1.1 發變組斷路器斷口閃絡故障

　　1.1.1 斷路器機械故障造成的斷口閃絡

　　2011年5月19日，某電廠1號機組啟動併網過程中，執行排程命令將5021，5022斷路器由冷備轉熱備。在5021-1刀閘已合入，合入5021-2刀閘後，發生5021斷路器C相損壞、1號母線雙套差動動作的故障， 從故障波形可以看出，故障時，5021斷路器C相出現一次有效值約6.8 kA的電流;此後約4s時間內，該電流隨發變組高壓側電壓與系統母線電壓之間的角度差變化而變化，呈現週期性變化趨勢，當角度差為零時，該電流為零，角度差為最大時，該電流在此4s時間內的最大有效值達到4 kA，但持續時間很短;該電流始終存在，直到斷路器爆炸引發相間短路母差保護動作。

　　後解體分析認為，由於該斷路器內部變直機構軸銷脫落，造成雙斷口中靠近發變組進線側斷口實際始終處於合位。起機過程中，由於機組電壓與系統電壓存在頻差，使斷路器斷口間電壓在0～2U0範圍內變化***U0為系統電壓額定值***;而由於發變組進線側斷口實際在合入位置，斷路器母線側單斷口外絕緣不能承受2 U0的工頻電壓，進而發生外絕緣閃絡。

　　由於機組同期併網過程機組電壓與系統電壓的幅值相位都比較接近，因此斷口外絕緣閃絡後故障電流很小，且為低頻週期出現，在斷口發生閃絡的4S時間內沒有保護能夠感知故障並動作，電弧持續燃燒，斷路器內部壓力也不斷增大，直至斷路器瓷套發生爆炸，斷路器內部SF。氣體與碎裂的瓷件飛出，引起相間短路故障後，短路電流激增，母線保護才動作將故障切除。

　　1.1.2 外絕緣閃絡造成的斷口閃絡

　　2011年3月26日，某電廠機組具備併網條件後，按照排程令進行併網操作，當發電機機端電壓升至19.9 kV、執行人員即將自動同期裝置投入準備併網時，升壓站5008開關B相滅弧室東斷口發生爆炸， 通過對閃絡過程故障錄波的分析，在機組併網前由於主變高壓側電壓與系統電壓存在微小相角差和頻差，使5008開關斷口兩側電壓在0～2U0範圍內變化。從產品設計和製造上，斷路器斷口滅弧室內部絕緣能夠承受該電壓的作用，之後的解體過程中檢查滅弧室內部噴口沒有燒損和放弧痕跡看，也證明滅弧室內部沒有發生內閃絡。但由於故障前該廠地區大量降雪，在柱式斷路器水平斷口外表而上方存在大量積雪，斷口外絕緣水平大大降低，最終在2U0電壓作用下造成斷口外絕緣閃絡，長時間的閃絡電流，使電弧集中的滅弧室瓷套根部嚴重發熱、加之滅弧室內部SF。氣體壓力作用，造成滅弧室爆炸。

　　此外從故障波形中可以看出，在斷路器斷口發生外絕緣閃絡時後，主變高壓側B相出現電流，最大有效值為5 260 A***主變高壓側正常額定電流為825 A***，系統電壓仍為正常值。但由於B相閃絡後機組實際上與系統聯通，故障電流隨之減小;在隨後的0.5 s內減小到了2 kA以下，此故障電流不具備啟動零序保護的條件，所以主變零序保護沒有出口。直至2 765 ms後5008開關爆炸使靜觸頭引線掉落於CT油箱發生接地短路，母差保護動作，切除5034A和5044開關，使500 kV-4 A母線徹底與系統斷電隔離，故障消除。

　　1.2 帶並聯電抗器線路斷路器斷口閃絡故障

　　1.2.1 切除空載線路引發的斷口閃絡

　　2012年3月3日，某帶有並聯電抗器的線路發生B相永久故障，斷路器重合失敗後三相跳開。在最後一組斷路器三相跳開過程中，由於線路電容與並聯電抗器間的放電過程，使斷路器斷口兩端電壓出現幅值較高的拍頻電壓，電壓峰值達到910 kV。該電壓造成A相斷路器斷口電容器擊穿，電容器擊穿後實際形成線路A相經閃絡斷口擊穿的狀態，流過斷口的電流為經電抗器補償後的線路空充電流，約為70 A。由於電流值很小***二次值為28 mA*** ，且沒有對地故障，因而所有保護均未動作;此電流在斷口內持續燃燒約12 S，造成內部SF。氣體嚴重劣化或電容器閥片爆裂，使內部絕緣降低，最終發展為對地故障，母差保護切除故障。

　　1.2.2 對端斷路器切除空載線路引發的斷口閃絡

　　2010年5月5日，某變電站在對一帶並聯高抗補償的線路停電操作過程中，在本側斷路器已斷開情況下，線路對側拉開斷路器時，本側斷路器發生斷口內部擊穿。閃絡電流約190 A，持續數秒後造成斷路器雙斷口滅弧室炸裂，由於故障電流較小，且沒有對地故障，所有保護均未動作，斷口閃絡的電弧在空氣中燃燒十幾分鍾後，由執行人員將母線停運，電弧燃燒過程結束。

　　篇二

　　基於PCNN的金屬斷口影象識別方法研究

　　【摘 要】為將本鋼新建的世界上最先進的2300熱連軋機組裝備優勢轉化為先進的技術優勢和擴大高強鋼產品市場份額，通過合理設計的合金成分，採用TMCP技術生產的高強度合金鋼S700MC，在拉伸試驗過程中其斷口出現分層缺陷，採用金相方法對缺陷部位進行分析，是由於鑄坯在凝固過程中C、Mn等元素的中心偏析以及氧化物夾雜所造成的，通過對鍊鋼工藝和軋鋼工藝的優化可控制拉伸斷口分層現象的發生。

　　【關鍵詞】S700MC 高強鋼 斷口分層

　　1 引言

　　隨著工程機械向裝備大型化、輕量化及過載荷等方向的發展，高強度鋼使用比例和質量要求都有較大提高，國內高強度工程機械用鋼的研發及生產已取得快速進展，對高強鋼的質量和強度要求越來越高。S700MC屬於屬低碳微合金冷成型用鋼，採用了鈮、鈦微合金化和控軋空冷技術，廣泛用於工程機械和車輛結構等領域。

　　目前，600MPa級及以上的高強熱軋卷板按的強化機制主要有兩種，一是低碳貝氏體系列，其特點是在低C或是超低碳的基礎上加一定貝的Mn、Mo、B、Nb、Cr等合金元素，其組織是細的低碳貝氏體組織。這類鋼的優點是有好的低溫衝擊性能，缺點是生產難度大，需要較低的卷取溫度，板卷效能波動大;二是析出強化系列，其特點是在C-Mn鋼的基礎上加一定量的Nb、Ti等微合金元素。析出強化系列的優點是成形效能好，容易生產。目前，絕大多數高強板採用析出強化，本論文的高強鋼S700MC就屬此第二系列[1]。

　　2 試驗材料與拉伸斷口分層現象

　　2.1 S700MC化學成分及力學效能

　　S700MC鋼合金成分執行標準EN10149-2，化學成分見表1，鋼卷卷取8小時以後取樣，要求在尾部3米，板寬1/4處取樣，鋼板厚度12.6mm，進行縱向拉伸、衝擊和橫向冷彎實驗，各項效能指標均滿足S700MC標準要求，實際測量現場生產樣品，屈服強度和抗拉強度分別為735和850MPa，伸長率18.5%，-20℃衝擊功大於70J，冷彎效能良好。

　　表1 S700MC鋼化學成分

　　Table 1 Chemical composition of S700MC /%

　　成分 C Si Mn P S Alt Nb Ti V Nb+Ti+V Mo

　　產品成分 0.056 0.16 1.76 0.017 0.001 0.05 0.055 0.13 0.004 0.189 0.15

　　2.2 拉伸斷口形貌及分析

　　S700MC的拉伸試樣，見圖1，通過進行金相分析，S700MC的組織為貝氏體加鐵素體，見圖2，因硬脆相貝氏體體積含量大，鋼板存在較大的殘餘應力。

　　在拉伸試樣斷口處取樣進行金相分析，經過研磨拋光後，利用金相顯微鏡和掃描電鏡對試樣斷口處夾雜物以及C、Mn的偏析進行觀察，見圖2，發現中心存在嚴重的偏析，呈明顯的帶狀分佈，通常，鋼液在連鑄坯冷卻凝固過程中以樹枝晶的方式長大，由於選擇結晶，造成晶內和枝晶間的化學成分不均勻，枝晶間富集了較多的碳、合金元素及硫、磷等雜質。連鑄坯加熱時，碳作為間隙固溶原子在奧氏體內部擴散分佈較均勻，而置換固溶原子錳均勻化較困難，枝晶偏析難以徹底改善，在軋製過程中，鑄坯的枝晶偏析逐步轉變為成品卷板的帶狀偏析[2]。對拉力分層處中心試樣重新拋光，進行夾雜物分析，發現中心存在夾雜物，檢測分析其中B類夾雜物達2.5級，D類和Ds類分別為1.0和1.5級，這也是導致拉伸斷口分層的主要原因。

　　圖1 S700MC拉伸斷口 圖2 S700MC心部顯微組織***厚度方向***

　　Fig.1 Tensile fracture of S700MC Fig.2 Microstructure in the1/4 position***thickness direction***

　　3 S700MC鋼拉伸斷口分層的控制措施

　　以上研究表明，拉伸斷口分層的產生的根本原因是連鑄坯澆注鋼水在凝固過程中合金元素產生的中心偏析造成的，通過優化鍊鋼和軋鋼工藝可以加以控制其斷口分層缺陷的形成。

　　3.1 鍊鋼工藝優化

　　連鑄坯澆注過程中的鋼水過熱度、拉速、扇形段輥道開口度及夾雜物控制等因素直接影響連鑄坯中心偏析。鋼水過熱度是影響等軸晶比例的重要因素。非金屬夾雜物，特別是硫化物、氧化物夾雜的偏聚對鋼材的效能產生惡劣影響，嚴重降低鋼材的塑性、韌性[3]。

　　針對以上因素，對鍊鋼工藝進行了以下優化：

　　***1***中包過熱度控制在10～30℃，鑄坯拉速保持1.0m/min 恆速澆鑄。

　　***2***採用輕壓下以及電磁攪拌技術，以減輕鑄坯中心偏析。

　　3.2 軋製工藝優化

　　優化軋製工藝主要目的是改善板坯中心偏析對鋼卷中心分層的影響和細化鐵素體晶粒，促進Ti***C、N***和Nb***C、N***的彌散析出，細化晶粒，提高產品強韌性，粗軋採用大壓下工藝，將粗軋的3+5 道次調整為3+3 道次，以及降低冷卻速率等。

　　4 結語

　　***1***S700MC鋼板拉伸斷口分層產生的主要原因是連鑄坯存在C和Mn等元素產生的中心偏析，使脆性相貝氏體在中心碳、錳偏析的區域優先形成，從而造成整個斷面組織產生較大的差異。

　　***2***鍊鋼工藝可採取控制澆注鋼水過熱度、降低鑄坯拉速、採用動態壓下或電磁攪拌;軋製工藝粗軋採用大壓下工藝，將粗軋的3+5 道次調整為3+3道次和降低冷卻速率等控制措施避免或減輕S700MC鋼板拉伸斷口分層。

　　參考文獻：

　　[1]陸匠心.700MPa級高強度微合金鋼生產技術研究[D].東北大學博士學位論文，2004.

　　[2]崔忠圻，覃耀春.金屬學與熱處理[M].北京：機械工業出版社，2007.74-76.

　　[3]任吉堂.連鑄連軋理論與實踐[M].冶金工業出版社，2002.107-108.
 

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