摘 要:某型銅鋁過渡線(xiàn)夾連續發生了5次開裂事故。采用(yòng)宏觀觀察、能(néng)譜分(fēn)析及無損檢測等 方法,對該線(xiàn)夾的開裂原因進行了研究。結果表明:因焊接工(gōng)藝控制不當,導緻線(xiàn)夾存在未焊透缺 陷;銅、鋁的熱膨脹系數不同,在環境溫度和載荷變化的影響下,缺陷發生擴展,最終導緻線(xiàn)夾發生 開裂。

關鍵詞:銅鋁過渡線(xiàn)夾;焊接缺陷;開裂;無損檢測

中(zhōng)圖分(fēn)類号:TB31 文(wén)獻标志(zhì)碼:B 文(wén)章編号:1001-4012(2023)03-0050-03

配網工(gōng)程是電(diàn)網系統的神經末梢,直接與終端 用(yòng)戶相連,其用(yòng)電(diàn)可(kě)靠性是社會對電(diàn)網公(gōng)司的終極 評價指标[1]。相對于主網工(gōng)程(即35kV及以上電(diàn) 壓等級的輸配電(diàn)工(gōng)程),配網工(gōng)程在資源投入中(zhōng)相對 較為(wèi)薄弱,因此,對配網設備的安(ān)全運行研究應持續 且深入[2],這也是響應國(guó)網公(gōng)司高彈性電(diàn)網建設的 重要手段。

銅鋁過渡線(xiàn)夾是輸電(diàn)線(xiàn)路和變電(diàn)設備之間的連 接載體(tǐ),主要用(yòng)于連接導線(xiàn)和變電(diàn)端子、搭接線(xiàn)路避 雷器等[3-4]。腐蝕、焊接工(gōng)藝不當等因素易引起變電(diàn) 端子連接的銅鋁過渡線(xiàn)夾開裂[5-8],給電(diàn)網運行安(ān)全 帶來較大的壓力[9]。某縣級供電(diàn)公(gōng)司連續發生了5 次銅鋁過渡線(xiàn)夾開裂事故。經現場勘查發現,該批 次開裂線(xiàn)夾均為(wèi)某公(gōng)司生産(chǎn),且型号相同。筆(bǐ)者對 該批次開裂線(xiàn)夾進行了一系列理(lǐ)化檢驗,查明了其 開裂的原因,并提出了相關的改進措施,以避免該類 事故再次發生。

1 理(lǐ)化檢驗

1.1 宏觀觀察

開裂線(xiàn)夾的宏觀形貌如圖1所示,該線(xiàn)夾采用(yòng) 銅、鋁過渡的焊接形式,焊接方式為(wèi)摩擦焊,引線(xiàn)連 接的背面焊接分(fēn)界處可(kě)見明顯的空隙。

将該線(xiàn)夾沿開裂處人工(gōng)打開,對斷口處進行宏觀 觀察,結果如圖2所示。由圖2可(kě)知:銅基斷口保持銅 色狀态,鋁基斷口保持鋁色狀态,呈直觀的分(fēn)離形貌; 端部焊接處有(yǒu)明顯的機加工(gōng)紋路,且在銅基斷口上有(yǒu) 噴射狀鋁色痕迹,鋁基斷口上也有(yǒu)噴射痕迹;兩側闆厚 約為(wèi)6.1mm,斷口一側邊緣有(yǒu)線(xiàn)性的“熔合”形貌,其厚 度為(wèi)1.2~1.5mm,約占銅鋁焊接面積的1/5,斷口對側 開裂源處未見“熔合”形貌。說明線(xiàn)夾采用(yòng)銅、鋁棒材 經高速旋轉摩擦焊接,最後進行壓軋成型。

1.2 能(néng)譜分(fēn)析

采用(yòng)能(néng)譜儀分(fēn)别對銅基和鋁基斷口進行分(fēn)析, 結果如圖3所示,可(kě)見銅基和鋁基表面含有(yǒu)的主要 元素均為(wèi) C、O、Al、Cu、S等。其中(zhōng) C、O 元素推測 是大氣在焊縫的殘留物(wù)中(zhōng)含有(yǒu)的,S元素推測是雨 水進入焊縫而産(chǎn)生的化合物(wù)中(zhōng)含有(yǒu)的,從能(néng)譜分(fēn)析 結果來看,試樣開裂已有(yǒu)較長(cháng)時間。

1.3 無損檢測

選取3個與該開裂線(xiàn)夾同批次的線(xiàn)夾,分(fēn)别編 号為(wèi)試樣 A、B、C,對3個試樣進行滲透檢驗,滲透 時間為(wèi)10min,結果如圖4所示,可(kě)見試樣 A 呈線(xiàn) 性顯示,已發生開裂;試樣B呈點狀顯示,有(yǒu)開裂趨 勢;試樣C外觀無異常。

采用(yòng)X射線(xiàn)數字成像(DR)系統對試樣 A、B、C 進行檢測,結果如圖5所示,可(kě)見試樣 A、B的銅、鋁 結合面呈直線(xiàn)顯示,試樣 C的銅、鋁結合面呈波紋 狀顯示。

對試樣A、B、C進行冷熱交替循環試驗,循環次 數為(wèi)3次,然後分(fēn)别對冷熱循環前、後的3個試樣進 行電(diàn)子計算機 X 射線(xiàn)斷層掃描(CT)檢測,結果如 表1所示。由表1可(kě)知:試樣 A分(fēn)布了2個焊接缺 陷,分(fēn)别編号為(wèi)缺陷1和缺陷2,2個缺陷在冷熱循 環後體(tǐ)積均變大;試樣 B分(fēn)布了2個焊接缺陷,分(fēn) 别編号為(wèi)缺陷3和缺陷4,2個缺陷在冷熱循環後體(tǐ) 積均變大;試樣C未發現缺陷。

2 綜合分(fēn)析

輸電(diàn)線(xiàn)路導線(xiàn)材料一般采用(yòng)鋁線(xiàn),變電(diàn)設備端子 材料一般采用(yòng)T2銅,為(wèi)防止銅鋁部件連接發生電(diàn)化 學(xué)反應,作(zuò)為(wèi)兩者之間連接載體(tǐ)的設備線(xiàn)夾,一般采 用(yòng)銅鋁過渡的形式[10]。發生開裂的線(xiàn)夾采用(yòng)摩擦焊 工(gōng)藝進行焊接,從斷口觀察到線(xiàn)夾僅在表面形成了有(yǒu)效的焊接區(qū)域,内部存在較大面積的焊接缺陷,基體(tǐ) 呈分(fēn)離狀态。線(xiàn)夾有(yǒu)效焊接面積約為(wèi)總面積的1/5, 而開裂源部位未見有(yǒu)熔合迹象,極有(yǒu)可(kě)能(néng)是試樣在運 行前已有(yǒu)開裂現象,能(néng)譜分(fēn)析結果也佐證了該判斷。 從現場布置可(kě)觀察到,連接線(xiàn)夾的導線(xiàn)幾乎垂直布 置,松緊适度,且長(cháng)度有(yǒu)限,約為(wèi)1.5m,導線(xiàn)質(zhì)量約為(wèi) 3kg,因此基本可(kě)将風載的影響排除。在20~300℃ 時,化學(xué)純度為(wèi)99.99%的銅熱膨脹系數平均約為(wèi) 2.31×10-6,鋁的熱膨脹系數平均約為(wèi)3.55×10-6,兩 者熱膨脹系數相差較大,若焊接工(gōng)藝不當,極易發生 開裂故障,線(xiàn)夾表面的間隙通常是引起電(diàn)氣設備發熱 的主要原因。設備線(xiàn)夾運行溫度一般與環境溫度相 當,但當其載流能(néng)力發生變化并引起發熱時,運行溫 度會遠(yuǎn)高于環境溫度。

摩擦焊是銅鋁過渡線(xiàn)夾的一種常用(yòng)焊接方式, 具(jù)體(tǐ)方法是将銅棒和鋁棒經高速旋轉,使兩者的端 面在高溫下熔化,通過頂端力擠壓使銅鋁連接。銅 的熔點約為(wèi)1084℃,鋁的熔點約為(wèi)660℃,而當摩 擦 焊 工(gōng) 藝 控 制 不 當 時,熔 接 溫 度 僅 為(wèi) 550~ 660℃ [11],此時線(xiàn)夾斷面的銅基保持銅基本色,鋁 基保持鋁基本色。因此,線(xiàn)夾的開裂原因是焊接工(gōng) 藝不當所引起的。

3 結論與建議

銅鋁過渡線(xiàn)夾焊接工(gōng)藝控制不當,其中(zhōng)部分(fēn)線(xiàn) 夾焊接面熔合面積過小(xiǎo),基材結合面有(yǒu)開裂迹象,在 運行狀态下,受運行環境溫度及載荷變化的影響,線(xiàn) 夾溫度升高,缺陷發生擴展,最終導緻線(xiàn)夾發生 開裂。

建議結合停電(diàn)計劃,對該批次線(xiàn)夾進行更換處 理(lǐ);督促廠家改進銅鋁過渡連接方式,改進焊接工(gōng) 藝;線(xiàn)夾出廠前應對熔合線(xiàn)區(qū)域進行表面無損檢測。

參考文(wén)獻:

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