分享：铜铝过渡线夹开裂原因

摘 要:某型铜铝过渡线夹连续发生了5次开裂事故贵金属纯度等级cu。采用宏观观察、能谱分析及无损检测等 方法,对该线夹的开裂原因进行了研究。结果表明:因焊接工艺控制不当,导致线夹存在未焊透缺 陷;铜、铝的热膨胀系数不同,在环境温度和载荷变化的影响下,缺陷发生扩展,最终导致线夹发生 开裂。

关键词:铜铝过渡线夹;焊接缺陷;开裂;无损检测

中图分类号:TB31 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2023)03-0050-03

配网工程是电网系统的神经末梢,直接与终端 用户相连,其用电可靠性是社会对电网公司的终极 评价指标[1]贵金属纯度等级cu。相对于主网工程(即35kV及以上电 压等级的输配电工程),配网工程在资源投入中相对 较为薄弱,因此,对配网设备的安全运行研究应持续 且深入[2],这也是响应国网公司高弹性电网建设的 重要手段。

铜铝过渡线夹是输电线路和变电设备之间的连 接载体,主要用于连接导线和变电端子、搭接线路避 雷器等[3-4]贵金属纯度等级cu。腐蚀、焊接工艺不当等因素易引起变电 端子连接的铜铝过渡线夹开裂[5-8],给电网运行安全 带来较大的压力[9]。某县级供电公司连续发生了5 次铜铝过渡线夹开裂事故。经现场勘查发现,该批 次开裂线夹均为某公司生产,且型号相同。笔者对 该批次开裂线夹进行了一系列理化检验,查明了其 开裂的原因,并提出了相关的改进措施,以避免该类 事故再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

开裂线夹的宏观形貌如图1所示,该线夹采用 铜、铝过渡的焊接形式,焊接方式为摩擦焊,引线连 接的背面焊接分界处可见明显的空隙贵金属纯度等级cu。

将该线夹沿开裂处人工打开,对断口处进行宏观 观察,结果如图2所示贵金属纯度等级cu。由图2可知:铜基断口保持铜 色状态,铝基断口保持铝色状态,呈直观的分离形貌; 端部焊接处有明显的机加工纹路,且在铜基断口上有 喷射状铝色痕迹,铝基断口上也有喷射痕迹;两侧板厚 约为6.1mm,断口一侧边缘有线性的“熔合”形貌,其厚 度为1.2~1.5mm,约占铜铝焊接面积的1/5,断口对侧 开裂源处未见“熔合”形貌。说明线夹采用铜、铝棒材 经高速旋转摩擦焊接,最后进行压轧成型。

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1.2 能谱分析

采用能谱仪分别对铜基和铝基断口进行分析, 结果如图3所示,可见铜基和铝基表面含有的主要 元素均为 C、O、Al、Cu、S等贵金属纯度等级cu。其中 C、O 元素推测 是大气在焊缝的残留物中含有的,S元素推测是雨 水进入焊缝而产生的化合物中含有的,从能谱分析 结果来看,试样开裂已有较长时间。

1.3 无损检测

选取3个与该开裂线夹同批次的线夹,分别编 号为试样 A、B、C,对3个试样进行渗透检验,渗透 时间为10min,结果如图4所示,可见试样 A 呈线 性显示,已发生开裂;试样B呈点状显示,有开裂趋 势;试样C外观无异常贵金属纯度等级cu。

采用X射线数字成像(DR)系统对试样 A、B、C 进行检测,结果如图5所示,可见试样 A、B的铜、铝 结合面呈直线显示,试样 C的铜、铝结合面呈波纹 状显示贵金属纯度等级cu。

对试样A、B、C进行冷热交替循环试验,循环次 数为3次,然后分别对冷热循环前、后的3个试样进 行电子计算机 X 射线断层扫描(CT)检测,结果如 表1所示贵金属纯度等级cu。由表1可知:试样 A分布了2个焊接缺 陷,分别编号为缺陷1和缺陷2,2个缺陷在冷热循 环后体积均变大;试样 B分布了2个焊接缺陷,分 别编号为缺陷3和缺陷4,2个缺陷在冷热循环后体 积均变大;试样C未发现缺陷。

2 综合分析

输电线路导线材料一般采用铝线,变电设备端子 材料一般采用T2铜,为防止铜铝部件连接发生电化 学反应,作为两者之间连接载体的设备线夹,一般采 用铜铝过渡的形式[10]贵金属纯度等级cu。发生开裂的线夹采用摩擦焊 工艺进行焊接,从断口观察到线夹仅在表面形成了有效的焊接区域,内部存在较大面积的焊接缺陷,基体 呈分离状态。线夹有效焊接面积约为总面积的1/5, 而开裂源部位未见有熔合迹象,极有可能是试样在运 行前已有开裂现象,能谱分析结果也佐证了该判断。 从现场布置可观察到,连接线夹的导线几乎垂直布 置,松紧适度,且长度有限,约为1.5m,导线质量约为 3kg,因此基本可将风载的影响排除。在20~300℃ 时,化学纯度为99.99%的铜热膨胀系数平均约为 2.31×10-6,铝的热膨胀系数平均约为3.55×10-6,两 者热膨胀系数相差较大,若焊接工艺不当,极易发生 开裂故障,线夹表面的间隙通常是引起电气设备发热 的主要原因。设备线夹运行温度一般与环境温度相 当,但当其载流能力发生变化并引起发热时,运行温 度会远高于环境温度。

摩擦焊是铜铝过渡线夹的一种常用焊接方式, 具体方法是将铜棒和铝棒经高速旋转,使两者的端 面在高温下熔化,通过顶端力挤压使铜铝连接贵金属纯度等级cu。铜 的熔点约为1084℃,铝的熔点约为660℃,而当摩 擦 焊 工 艺 控 制 不 当 时,熔 接 温 度 仅 为 550~ 660℃ [11],此时线夹断面的铜基保持铜基本色,铝 基保持铝基本色。因此,线夹的开裂原因是焊接工 艺不当所引起的。

3 结论与建议

铜铝过渡线夹焊接工艺控制不当,其中部分线 夹焊接面熔合面积过小,基材结合面有开裂迹象,在 运行状态下,受运行环境温度及载荷变化的影响,线 夹温度升高,缺陷发生扩展,最终导致线夹发生 开裂贵金属纯度等级cu。

建议结合停电计划,对该批次线夹进行更换处 理;督促厂家改进铜铝过渡连接方式,改进焊接工 艺;线夹出厂前应对熔合线区域进行表面无损检测贵金属纯度等级cu。

参考文献:

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