摘 要:某型銅鋁過(guò)渡線夾連續(xù)發(fā)生了5次開裂事故。采用宏觀觀察、能譜分析及無(wú)損檢測(cè)等 方法,對(duì)該線夾的開裂原因進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:因焊接工藝控制不當(dāng),導(dǎo)致線夾存在未焊透缺 陷;銅、鋁的熱膨脹系數(shù)不同,在環(huán)境溫度和載荷變化的影響下,缺陷發(fā)生擴(kuò)展,最終導(dǎo)致線夾發(fā)生 開裂。

關(guān)鍵詞:銅鋁過(guò)渡線夾;焊接缺陷;開裂;無(wú)損檢測(cè)

中圖分類號(hào):TB31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2023)03-0050-03

配網(wǎng)工程是電網(wǎng)系統(tǒng)的神經(jīng)末梢,直接與終端 用戶相連,其用電可靠性是社會(huì)對(duì)電網(wǎng)公司的終極 評(píng)價(jià)指標(biāo)[1]。相對(duì)于主網(wǎng)工程(即35kV及以上電 壓等級(jí)的輸配電工程),配網(wǎng)工程在資源投入中相對(duì) 較為薄弱,因此,對(duì)配網(wǎng)設(shè)備的安全運(yùn)行研究應(yīng)持續(xù) 且深入[2],這也是響應(yīng)國(guó)網(wǎng)公司高彈性電網(wǎng)建設(shè)的 重要手段。

銅鋁過(guò)渡線夾是輸電線路和變電設(shè)備之間的連 接載體,主要用于連接導(dǎo)線和變電端子、搭接線路避 雷器等[3-4]。腐蝕、焊接工藝不當(dāng)?shù)纫蛩匾滓鹱冸?端子連接的銅鋁過(guò)渡線夾開裂[5-8],給電網(wǎng)運(yùn)行安全 帶來(lái)較大的壓力[9]。某縣級(jí)供電公司連續(xù)發(fā)生了5 次銅鋁過(guò)渡線夾開裂事故。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn),該批 次開裂線夾均為某公司生產(chǎn),且型號(hào)相同。筆者對(duì) 該批次開裂線夾進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn),查明了其 開裂的原因,并提出了相關(guān)的改進(jìn)措施,以避免該類 事故再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

開裂線夾的宏觀形貌如圖1所示,該線夾采用 銅、鋁過(guò)渡的焊接形式,焊接方式為摩擦焊,引線連 接的背面焊接分界處可見(jiàn)明顯的空隙。

將該線夾沿開裂處人工打開,對(duì)斷口處進(jìn)行宏觀 觀察,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知:銅基斷口保持銅 色狀態(tài),鋁基斷口保持鋁色狀態(tài),呈直觀的分離形貌; 端部焊接處有明顯的機(jī)加工紋路,且在銅基斷口上有 噴射狀鋁色痕跡,鋁基斷口上也有噴射痕跡;兩側(cè)板厚 約為6.1mm,斷口一側(cè)邊緣有線性的“熔合”形貌,其厚 度為1.2~1.5mm,約占銅鋁焊接面積的1/5,斷口對(duì)側(cè) 開裂源處未見(jiàn)“熔合”形貌。說(shuō)明線夾采用銅、鋁棒材 經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)摩擦焊接,最后進(jìn)行壓軋成型。

1.2 能譜分析

采用能譜儀分別對(duì)銅基和鋁基斷口進(jìn)行分析, 結(jié)果如圖3所示,可見(jiàn)銅基和鋁基表面含有的主要 元素均為 C、O、Al、Cu、S等。其中 C、O 元素推測(cè) 是大氣在焊縫的殘留物中含有的,S元素推測(cè)是雨 水進(jìn)入焊縫而產(chǎn)生的化合物中含有的,從能譜分析 結(jié)果來(lái)看,試樣開裂已有較長(zhǎng)時(shí)間。

1.3 無(wú)損檢測(cè)

選取3個(gè)與該開裂線夾同批次的線夾,分別編 號(hào)為試樣 A、B、C,對(duì)3個(gè)試樣進(jìn)行滲透檢驗(yàn),滲透 時(shí)間為10min,結(jié)果如圖4所示,可見(jiàn)試樣 A 呈線 性顯示,已發(fā)生開裂;試樣B呈點(diǎn)狀顯示,有開裂趨 勢(shì);試樣C外觀無(wú)異常。

采用X射線數(shù)字成像(DR)系統(tǒng)對(duì)試樣 A、B、C 進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果如圖5所示,可見(jiàn)試樣 A、B的銅、鋁 結(jié)合面呈直線顯示,試樣 C的銅、鋁結(jié)合面呈波紋 狀顯示。

對(duì)試樣A、B、C進(jìn)行冷熱交替循環(huán)試驗(yàn),循環(huán)次 數(shù)為3次,然后分別對(duì)冷熱循環(huán)前、后的3個(gè)試樣進(jìn) 行電子計(jì)算機(jī) X 射線斷層掃描(CT)檢測(cè),結(jié)果如 表1所示。由表1可知:試樣 A分布了2個(gè)焊接缺 陷,分別編號(hào)為缺陷1和缺陷2,2個(gè)缺陷在冷熱循 環(huán)后體積均變大;試樣 B分布了2個(gè)焊接缺陷,分 別編號(hào)為缺陷3和缺陷4,2個(gè)缺陷在冷熱循環(huán)后體 積均變大;試樣C未發(fā)現(xiàn)缺陷。

2 綜合分析

輸電線路導(dǎo)線材料一般采用鋁線,變電設(shè)備端子 材料一般采用T2銅,為防止銅鋁部件連接發(fā)生電化 學(xué)反應(yīng),作為兩者之間連接載體的設(shè)備線夾,一般采 用銅鋁過(guò)渡的形式[10]。發(fā)生開裂的線夾采用摩擦焊 工藝進(jìn)行焊接,從斷口觀察到線夾僅在表面形成了有效的焊接區(qū)域,內(nèi)部存在較大面積的焊接缺陷,基體 呈分離狀態(tài)。線夾有效焊接面積約為總面積的1/5, 而開裂源部位未見(jiàn)有熔合跡象,極有可能是試樣在運(yùn) 行前已有開裂現(xiàn)象,能譜分析結(jié)果也佐證了該判斷。 從現(xiàn)場(chǎng)布置可觀察到,連接線夾的導(dǎo)線幾乎垂直布 置,松緊適度,且長(zhǎng)度有限,約為1.5m,導(dǎo)線質(zhì)量約為 3kg,因此基本可將風(fēng)載的影響排除。在20~300℃ 時(shí),化學(xué)純度為99.99%的銅熱膨脹系數(shù)平均約為 2.31×10-6,鋁的熱膨脹系數(shù)平均約為3.55×10-6,兩 者熱膨脹系數(shù)相差較大,若焊接工藝不當(dāng),極易發(fā)生 開裂故障,線夾表面的間隙通常是引起電氣設(shè)備發(fā)熱 的主要原因。設(shè)備線夾運(yùn)行溫度一般與環(huán)境溫度相 當(dāng),但當(dāng)其載流能力發(fā)生變化并引起發(fā)熱時(shí),運(yùn)行溫 度會(huì)遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度。

摩擦焊是銅鋁過(guò)渡線夾的一種常用焊接方式, 具體方法是將銅棒和鋁棒經(jīng)高速旋轉(zhuǎn),使兩者的端 面在高溫下熔化,通過(guò)頂端力擠壓使銅鋁連接。銅 的熔點(diǎn)約為1084℃,鋁的熔點(diǎn)約為660℃,而當(dāng)摩 擦 焊 工 藝 控 制 不 當(dāng) 時(shí),熔 接 溫 度 僅 為 550~ 660℃ [11],此時(shí)線夾斷面的銅基保持銅基本色,鋁 基保持鋁基本色。因此,線夾的開裂原因是焊接工 藝不當(dāng)所引起的。

3 結(jié)論與建議

銅鋁過(guò)渡線夾焊接工藝控制不當(dāng),其中部分線 夾焊接面熔合面積過(guò)小,基材結(jié)合面有開裂跡象,在 運(yùn)行狀態(tài)下,受運(yùn)行環(huán)境溫度及載荷變化的影響,線 夾溫度升高,缺陷發(fā)生擴(kuò)展,最終導(dǎo)致線夾發(fā)生 開裂。

建議結(jié)合停電計(jì)劃,對(duì)該批次線夾進(jìn)行更換處 理;督促?gòu)S家改進(jìn)銅鋁過(guò)渡連接方式,改進(jìn)焊接工 藝;線夾出廠前應(yīng)對(duì)熔合線區(qū)域進(jìn)行表面無(wú)損檢測(cè)。

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