闪光对焊铜铝过渡线夹断裂原因分析及运行维护策略探讨

2014-08-15李莉王磊韩绪鹏徐金雄

湖南工业职业技术学院学报 2014年1期

李莉，王磊，韩绪鹏，徐金雄

(1.三峡电力职业学院电力工程学院，湖北宜昌，443000；2.河南省电力公司洛阳供电公司，河南洛阳，471600)

引言

铜铝闪光对焊线夹因其有效解决了铝导线与一次设备铜接线端子之间的铜铝连接问题，在早期的电力建设工程中曾广泛使用。2012年江西南昌6.9事故的主要原因就是220千伏变电站主变刀闸设备线夹为老式铜铝设备线夹[1-3]（铜铝中间对接式）故障，从而引起母差保护动作，造成母线失压。事故中的这种线夹的加工工艺复杂，产品存在质量问题的比例较高，同时对现场施工和运行条件要求较高，故出现对焊面断裂的情况时有发生。电网设备在运行中一旦出现线夹断裂情况，往往带来设备及电网事故，尤其在设备现场操作过程中对人身安全存在较大隐患。所以，需要有效掌控此类线夹的运行工况，并尽快逐步更换。

1 铜铝对焊线夹工艺分析

1.1 铜铝过渡线夹的产生原因

铜有良好的导电性、导热性和抗腐蚀性能,但是铜较为贵重，不便大量使用，铝可以代替铜作为导电材科，性能上，铝的导电率约为铜的60%，铝的比重小，约为铜的三分之一，综合考虑，相同的导电需求，铝的投资要比铜少60～70%。所以在电力运行方面就有很多铜与铝连接的情况，这就出现了铜铝对焊设备线夹，目前此类线夹正在被被钎焊铜铝线夹慢慢取代。

2.2 铜铝过渡线夹工艺及存在问题

线夹生产工艺：铜铝过渡线夹（板）采用的铜板铜的含量为T2级（99.8%）以上，铝材中铝的含量为L3级（99.6%）以上，铜铝对接时采用铝铜合金作为连接层（成品铜铝之间合金的厚度约为0.001mm），颜色发暗，线夹出厂合格标准是：温度在300℃情况下1小时不开裂。

材料方面：铝铜合金融化温度为400℃左右，锡的融化温度为300℃左右，铝的融化温度为700℃左右，铜的融化温度为1800℃左右，气焊枪的出口温度在2000℃以上。铜铝之间通过闪光焊工艺，采用电流通过铜铝接触表面时，其接触点的电阻及接触表面电弧产生热量，将对接表面加热，在适当时间后，对接头施加压力，使两个对接表面的整个区域同时牢固结合起来的电阻焊方法进行焊接。同时在安装使用时，需要在其与设备连接的接触面处搪锡以加强接触紧密度。特定的生产工艺决定了铜铝过渡线夹存在以下问题：

1.2.1 铝与铜的焊接，属于异种金属的焊接。它们的焊接要比铝本身的焊接困难还要大。这是因为铝与铜的冶金特点和它们之间存在的物理、化学性能的巨大差异所造成的。铝的熔点比铜约低一倍。在焊接中，当铝已熔化，铜却保持固体状态，对温度控制要求较高。铜和铝熔合之后容易形成铝与铜的合金。其中一类称为金属化合物，如CuAl2及CuAl4等，这类化合物硬而脆、导电性能差，性能上无法满足运行过程中的机械性能和电气性能要求，并且有热裂倾向。

1.2.2 铜和铝的化学特性不同，铜为2价元素，铝为3价元素，当有水分进入铜铝之间的缝隙时，将发生电解，使铝腐蚀。同时铜、铝的膨胀系数不同，铝的热膨胀系数比铜高36%，在受热情况下易在焊接面处产生内部应力。

1.2.3 部分线夹焊接前铝已经生成氧化膜，而且由于焊接时顶煅压力不够，使溶化的焊材未及时挤出焊缝造成未焊合和焊瘤。铝材在高温下氧化产生的氧化铝滞留在焊缝中形成的所谓的“夹渣”现象，致使结合强度不足。铜材一侧仅有薄薄一层焊料，铜铝之间焊接没有充分熔合，即焊接未焊透，焊接质量不高。

1.2.4 由于传统习惯，安装过程中经常采用气焊直接加热线夹进行搪锡。该工艺在线夹加工时有时会出现把线夹烤断，一般认为是线夹质量问题，更换了之。实际上由于气焊枪的火焰温度较高，施工者对火焰的部位、时间长短控制很难掌握，这就会造成部分铜铝之间的连接层损伤严重，即铜铝分离，长期运行下，内部老化、脆化严重，遇到一定的外力就可能发生突然折断。

2 铜铝线夹的安全运行分析

2.1 母线与风向对设备线夹影响分析

受地形影响，以洛阳电网为例，所处区域主要以东西风为主，南北风较少。结合变电站内母线布置情况：

2.1.1 从母线走向看，母线南北走向的变电站其间隔引线布置为东西向，受东西风影响，导线弧垂会在导线轴向反复摆动，使运行线夹的焊接面反复受到导线的压紧力和拉力，易造成焊接部位受力脱焊。而母线东西走向的变电站，间隔内引线布置为南北向，导线摆动沿水平径向，对线夹焊缝影响较小。

2.2.2 从母线型式来看，管母摆动较小，对间隔引线、线夹影响较小。而软母线受风力影响摆动较大，母线摆动通过导线传递到线夹，使线夹焊接部位受力较大。

2.2.3 从间隔引线和软母线导线配置看，单导线且导线中部无固定的导线风摆较大，相应线夹焊接部位受力较大；母线或间隔导线为双线布置的，因其中部有间隔棒固定，受风力摆动较小，故其对线夹部位影响较小。

2.2 线夹角度问题

因线夹角度与水平面多为0°——90°向上翘起，当引线长度适当且位于线夹接触面切线方向弧垂较小，线夹接触面受力较小。而实际上导线安装往往留有一定裕度，当导线过长导致弧垂过大时，设备线夹时刻受到导线自重的拉力较大，在遇到大风天气引线摆动幅度较大，在线夹切线方向产生剪应力，在间歇式风摆形成的应力长期作用下易导致线夹铜铝结合面产生裂纹，裂纹处成为疲劳源，从而可能引发线夹断裂。此外，没有正确选取线夹角度和在施工过程中改变线夹弯折角度均易引发线夹焊缝开裂，导致断裂发生。

2.3 设备操作对线夹影响

部分导线因其两端高度差别不大，导线长度较短且正常情况下无操作，故其对线夹受力影响较小（如断路器与电流互感器或垂直分合隔离开关之间的线夹等）；而部分连接于旋转操作隔离开关接线座的线夹（如GW4、GW5型等），在通常情况下，隔离开关接线座方向不会受到转动影响。而当隔离开关顶部转轴出现卡滞现象后，在操作时会在线夹焊接面施加扭转力，特别是一些操作人员蛮力操作，往往是导致线夹断裂的诱因之一。此外，顶部转轴卡滞还可能导致线夹无法回到位而长期受力。

2.4 外界环境对线夹接触面的影响

随着工业化规模不断提高，环境污染问题越来越严重，工业硫排放持续增加。酸雨、雾霾天气严重影响室外敞开式线夹的安全运行。因线夹焊接不紧密导致酸雨等酸性溶液进入焊缝，并与金属焊接面发生氧化还原反应，金属单质被氧化形成金属氧化物，降低线夹导电性能，造成线夹发热。如未及时发现并进行更换，接触面氧化将在电化学腐蚀的持续作用下愈演愈烈，并加速线夹断裂的发生。

3 铜铝闪光对焊线夹运行中的注意事项

闪光对焊铜铝过渡线夹的断裂是一个过程。一般来说，线夹在刚验收投产后均能保证较好的运行状态，然而在各类因素的综合作用下，一些隐性缺陷在诱因逐渐成熟，将会不断发展造成设备故障。因此，对设备运行状况进行综合分析，掌握和查找缺陷发展规律，并采取适当措施进行预控，是解决这类设备缺陷、预防事故的有效手段。根据线夹运行特点，在运行工作中需做好以下几项工作：

3.1 分析受力情况，采取有效观测手段发现裂纹。受重力影响，多数线夹会在根部长期受到导线向下的牵引力，结合实际运行经验，多数线夹，尤其是弧垂较大的设备线夹，裂纹往往会出现在线夹上部。受限于观察角度，这类裂纹往往不易发现。因此采用专业拍摄工具以获得线夹上部高清图像成为了发现线夹裂纹的有效手段。此外，一些母线引下线线夹因导线长度裕度较小，受风摆动后对线夹拉力方向为垂直向上（如线路侧引下线线夹等），易引起线夹下部裂纹，也应引起注意，宜采用高倍望远镜、高倍相机等进行监控。

3.2 巡视记录与设备档案充分结合。建立详细的运行线夹台账，通过巡视中实时观察设备线夹翘起角度，并于设备投产验收台账相比较，结合线夹观察仪的使用，可以有效发现线夹的断裂趋势，以便及时采取措施。

3.3 运行操作应考虑设备状况，避免蛮力操作。对长期未检修的隔离开关设备，运行人员在操作前应对线夹进行排查，在确认无裂纹后，操作时应充分考虑转轴可能卡滞对设备线夹造成的影响，加强监护和指挥，避免蛮力操作。

3.4 加强大风、强对流等恶劣天气下的设备特巡工作。通过建立闪光对焊铜铝过渡线夹的设备档案，制定日常有针对性的巡视方案以及灾害恶劣天气下的设备特巡预案，加强监控，有效降低设备运行风险。

4 铜铝闪光对焊线夹检修维护策略

闪光对焊铜铝过渡线夹因其自身先天性缺陷，已逐步危害到电网、设备的安全运行，在操作中发生断裂的，还有可能引发人身伤害。因此，对其进行淘汰更换势在必行。但是，该类线夹的运行现状导致更换工作必须分步骤、有重点逐步实施。主要原因有两点：首先，采用此类线夹的多为老旧变电站，且该类变电站往往在电网中扮演比较重要的角色，重要用户多，负荷较重，停电困难；其次，关键位置线夹的更换多涉及母线停电，如果集中进行大规模更换，势必造成部分地区在一段时间内电网高风险运行，在各行业基础建设如火如荼，线路通道形势依旧严峻的当下，不宜采取过于集中的方式进行治理。此外，通过加强日常巡视监控，并采取有效保护措施能够大大降低该类线夹对电网构成的威胁，配合有针对性更换计划，能够最大限度降低电网风险和停电时间。在具体实施中，应着力做好如下工作。

4.1 制定周密巡视计划，指导更换工作开展

通过研发或引入先进的线夹监测、检测仪器，结合红外测温，即时掌握线夹运行状况，能够最大限度的对线夹治理工作起到指导和促进作用。尤其应注重线夹检查的计划性，应制定切实可行的巡视计划和特殊条件下的应急特巡计划并严格落实，通过巡视记录的不断更新，发现设备薄弱点，能够有效指导线夹治理更换工作有针对性开展。

4.2 对线夹更换工作执行差异化管理

针对线夹不同运行状况，对以下几类线夹优先执行更换计划：

4.2.1 运行10年以上老旧线夹。10年以上老旧线夹受风摆、环境腐蚀等影响时间较长，继续运行已无法保证其正常运行工况，故对该类线夹优先考虑更换。

4.2.2 高型、半高型布置变电站线夹。该类变电站接线方式较为复杂，且上下层布置设备间多通过长导线连接，受导线自身重力和高层风摆较大等因素影响，线夹继续运行风险较大，宜对其站内母线侧、长导线侧线夹进行优先更换。

4.2.3 对变电站采用软母线单线接线的，因其风摆对线夹受力影响较大，宜对其站内母线侧线夹进行优先更换。

4.2.4 母线走向为南北向的变电站线夹。该类变电站因受风方向原因，易对线夹焊缝形成挤压和拉伸力，长期摆动受力将使线夹运行质量进一步下降，因此宜对其母线隔离开关线夹进行优先更换。

另外，对以下几类线夹区别对待：

4.2.5 对导线较短、弧垂较小、受力较小的间隔内线夹（如断路器与电流互感器、接线座固定式隔离开关与断路器之间的线夹等），宜重点加强监控，并可在其运行工况未发生劣化的前提下暂缓进行更换。

4.2.6 对暂时未更换的设备线夹，视其实际运行情况和缺陷出现、发展等情况，应对其采取包括加装不锈钢托架在内的各类有效手段，确保其在更换前的安全平稳运行。