某500 kV变电站隔离开关软连接失效的原因

焦宗寒, 虞鸿江, 代克顺

(云南电网有限责任公司 电力科学研究院, 昆明 650217)

变电站高压隔离开关的结构相对简单，制造过程中常常不受重视，质量难以保证[1-2]。某500 kV变电站内西门子TR53-MM31型隔离开关投运仅1 a，其软连接最外层铜箔出现断裂，该软连接是用多片镀锡T2紫铜箔叠加两端压焊而成，如图1所示。由于折臂式隔离开关弯折位置为滑动接触，不能保证其导电性，需要安装铜箔软连接保证通流和弯折，其断裂会对电网的安全运行构成威胁[3-6]。

图1 隔离开关软连接位置示意Fig.1 Schematic diagram of soft connection position of disconnector

为找出铜箔断裂的原因，笔者对断裂软连接铜箔进行了宏观观察、化学成分分析、力学性能试验、扫描电镜和能谱分析。目前铜箔软连接暂无国家标准参照，通过对铜箔软连接断裂的原因进行分析、讨论，以期为厂家的规范生产提供借鉴。

1 理化检验

1.1 宏观观察

软连接铜箔压焊位置螺栓紧固侧焊有铜板，压焊后部件整体镀锡，压焊位置钻有螺栓孔，软连接示意见图2。铜箔软连接安装于户外，因此投运1 a后镀锡层呈暗灰色。

图2 软连接结构示意Fig.2 Schematic diagram of soft connection structure

软连接单层铜箔设计厚度为0.1 mm，镀锡层厚度为20 μm，实测镀锡铜箔厚度为0.14～0.15 mm。铜在大气环境中很容易发生腐蚀，该断裂铜箔表面镀锡层均匀，无划伤、起皮等缺陷。断口附近暗绿色附着物为铜箔断裂后铜被大气腐蚀所致，因此可排除铜箔镀锡层不合格导致的断裂。折臂式隔离开关执行动作时，软连接需要反复弯折。断裂铜箔均处于软连接外侧，外侧铜箔在工作中长期受拉应力，断裂处位于铜板与铜箔连接的过渡位置，此次事故共有4个断裂样品，样品最外层铜箔均已完全断裂，见图3。

图3 4个外层铜箔断裂的软连接示意Fig.3 Schematic diagram of four soft connections offractured outer copper folis

使用ZEISS SmartZoom5型体视显微镜对断裂软连接侧面进行观察。由图4可见，铜板与多片铜箔压焊侧面外观紧密，未发现开裂等缺陷。

图4 铜板与铜箔压焊侧面的微观形貌Fig.4 Micro morphology of pressure welding side ofcopper plate and copper foils

由于压焊过程中，要对组合焊件施加一定的压力，为防止铜箔压裂，与铜箔过渡位置处的铜板设计了倒角，倒角是为了保证铜板过渡位置光滑，同时去除机加工过程中产生的毛刺。进一步放大观察断裂软连接侧面，发现失效样品倒角尺寸并不均匀，所有样品铜板靠铜箔侧倒角都有不同程度的向外菱角，见图5。倒角不均匀易导致压焊过程中铜箔表面产生划伤、压裂等缺陷。

图5 断裂软连接侧面的微观形貌Fig.5 Micro morphology of the side of fractured soft connection:a) sample 1; b) sample 2; c) sample 3 d) sample 4

如图5d)所示，其第二片铜箔也发生开裂。软连接铜箔表面均镀锡，铜箔断裂后镀锡层在潮湿环境中与大气发生反应，断口已无金属光泽，铜箔断裂后暴露于大气环境中，并且断裂位于软连接下侧，铜易被大气腐蚀，因此断口表面附着厚实的暗绿色腐蚀产物。

1.2 化学成分分析

按照设计要求，软连接用铜箔材料为T2紫铜。用角磨机和砂纸轻微打磨铜箔和铜板表面，去除镀锡层，采用电火花光谱仪对铜箔、铜板进行化学成分检测。由表1可见，铜箔、铜板的化学成分均满足标准GB/T 5231-2012《加工铜及铜合金牌号和化学成分》对T2紫铜的要求。可排除因铜箔化学成分不合格导致的断裂。

表1 铜箔和铜板的化学成分检测结果Tab.1 Chemical composition test results of copper foil andcopper plate

1.3 力学性能试验

根据设计要求，镀锡铜箔需为1/4硬(Y4)状态，其抗拉强度为215～275 MPa，伸长率不小于25%，维氏硬度为60～90 HV。

按标准GB/T 228.1-2010《金属材料 拉伸试验第1部分：室温试验方法》规定，开展拉伸试验，结果见表2，可知断裂铜箔的抗拉强度和断后伸长率均不符合设计要求。

表2 断裂铜箔的拉伸性能检测结果Tab.2 Test results of tensile properties of fractured copper foil

采用Buehler VH1102型显微硬度计对断裂铜箔表面进行显微硬度测试，测试载荷为0.98 N，保荷为10 s，按标准GB/T 4340.1-2009《金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》，开展维氏硬度试验。由表3可见，该铜箔硬度较高。

表3 断裂铜箔的硬度试验结果Tab.3 Hardness test results of fractured copper foil

软连接是由铜板与多片铜箔压焊而成，铜箔硬度高，韧性差，易在压焊位置产生裂纹。并且软连接在工作中需反复弯折，铜箔韧性差，反复弯折后易开裂。

1.4 扫描电镜及能谱分析

用扫描电镜对铜箔断口进行观察，如图6所示，可见断口较疏松，存在大量絮状腐蚀产物，断口未见裂纹、韧窝、光亮断面等断口特征。铜箔断裂后，断口暴露于大气环境中，很容易被腐蚀。通过能谱分析，检测到断口表面主要含碳、氧元素，推测是受大气腐蚀而产生的腐蚀产物。

图6 铜箔断口的微观形貌Fig.6 Micro morphology of fracture of copper foil

2 结论及建议

(1) 失效软连接为铜板与多片铜箔压焊而成，铜板倒角尺寸不均匀，两者压焊加工时，在外力作用下，铜箔与铜板过渡位置产生压裂。同时，铜箔硬度高，抗拉强度高，延伸率低，韧性差，隔离开关工作中软连接需要反复折弯，最终导致铜箔断裂，而使软连接失效。

(2) 建议选用韧性较好的T2紫铜箔制作软连接，对新的铜箔软连接外层铜箔表面进行渗透检测。