李莉，王磊，韓緒鵬，徐金雄

(1.三峽電力職業(yè)學(xué)院電力工程學(xué)院，湖北宜昌，443000；2.河南省電力公司洛陽供電公司，河南洛陽，471600)

引言

銅鋁閃光對焊線夾因其有效解決了鋁導(dǎo)線與一次設(shè)備銅接線端子之間的銅鋁連接問題，在早期的電力建設(shè)工程中曾廣泛使用。2012年江西南昌6.9事故的主要原因就是220千伏變電站主變刀閘設(shè)備線夾為老式銅鋁設(shè)備線夾[1-3]（銅鋁中間對接式）故障，從而引起母差保護(hù)動作，造成母線失壓。事故中的這種線夾的加工工藝復(fù)雜，產(chǎn)品存在質(zhì)量問題的比例較高，同時對現(xiàn)場施工和運行條件要求較高，故出現(xiàn)對焊面斷裂的情況時有發(fā)生。電網(wǎng)設(shè)備在運行中一旦出現(xiàn)線夾斷裂情況，往往帶來設(shè)備及電網(wǎng)事故，尤其在設(shè)備現(xiàn)場操作過程中對人身安全存在較大隱患。所以，需要有效掌控此類線夾的運行工況，并盡快逐步更換。

1 銅鋁對焊線夾工藝分析

1.1 銅鋁過渡線夾的產(chǎn)生原因

銅有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗腐蝕性能,但是銅較為貴重，不便大量使用，鋁可以代替銅作為導(dǎo)電材科，性能上，鋁的導(dǎo)電率約為銅的60%，鋁的比重小，約為銅的三分之一，綜合考慮，相同的導(dǎo)電需求，鋁的投資要比銅少60～70%。所以在電力運行方面就有很多銅與鋁連接的情況，這就出現(xiàn)了銅鋁對焊設(shè)備線夾，目前此類線夾正在被被釬焊銅鋁線夾慢慢取代。

2.2 銅鋁過渡線夾工藝及存在問題

線夾生產(chǎn)工藝：銅鋁過渡線夾（板）采用的銅板銅的含量為T2級（99.8%）以上，鋁材中鋁的含量為L3級（99.6%）以上，銅鋁對接時采用鋁銅合金作為連接層（成品銅鋁之間合金的厚度約為0.001mm），顏色發(fā)暗，線夾出廠合格標(biāo)準(zhǔn)是：溫度在300℃情況下1小時不開裂。

材料方面：鋁銅合金融化溫度為400℃左右，錫的融化溫度為300℃左右，鋁的融化溫度為700℃左右，銅的融化溫度為1800℃左右，氣焊槍的出口溫度在2000℃以上。銅鋁之間通過閃光焊工藝，采用電流通過銅鋁接觸表面時，其接觸點的電阻及接觸表面電弧產(chǎn)生熱量，將對接表面加熱，在適當(dāng)時間后，對接頭施加壓力，使兩個對接表面的整個區(qū)域同時牢固結(jié)合起來的電阻焊方法進(jìn)行焊接。同時在安裝使用時，需要在其與設(shè)備連接的接觸面處搪錫以加強接觸緊密度。特定的生產(chǎn)工藝決定了銅鋁過渡線夾存在以下問題：

1.2.1 鋁與銅的焊接，屬于異種金屬的焊接。它們的焊接要比鋁本身的焊接困難還要大。這是因為鋁與銅的冶金特點和它們之間存在的物理、化學(xué)性能的巨大差異所造成的。鋁的熔點比銅約低一倍。在焊接中，當(dāng)鋁已熔化，銅卻保持固體狀態(tài)，對溫度控制要求較高。銅和鋁熔合之后容易形成鋁與銅的合金。其中一類稱為金屬化合物，如CuAl2及CuAl4等，這類化合物硬而脆、導(dǎo)電性能差，性能上無法滿足運行過程中的機械性能和電氣性能要求，并且有熱裂傾向。

1.2.2 銅和鋁的化學(xué)特性不同，銅為2價元素，鋁為3價元素，當(dāng)有水分進(jìn)入銅鋁之間的縫隙時，將發(fā)生電解，使鋁腐蝕。同時銅、鋁的膨脹系數(shù)不同，鋁的熱膨脹系數(shù)比銅高36%，在受熱情況下易在焊接面處產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力。

1.2.3 部分線夾焊接前鋁已經(jīng)生成氧化膜，而且由于焊接時頂煅壓力不夠，使溶化的焊材未及時擠出焊縫造成未焊合和焊瘤。鋁材在高溫下氧化產(chǎn)生的氧化鋁滯留在焊縫中形成的所謂的“夾渣”現(xiàn)象，致使結(jié)合強度不足。銅材一側(cè)僅有薄薄一層焊料，銅鋁之間焊接沒有充分熔合，即焊接未焊透，焊接質(zhì)量不高。

1.2.4 由于傳統(tǒng)習(xí)慣，安裝過程中經(jīng)常采用氣焊直接加熱線夾進(jìn)行搪錫。該工藝在線夾加工時有時會出現(xiàn)把線夾烤斷，一般認(rèn)為是線夾質(zhì)量問題，更換了之。實際上由于氣焊槍的火焰溫度較高，施工者對火焰的部位、時間長短控制很難掌握，這就會造成部分銅鋁之間的連接層損傷嚴(yán)重，即銅鋁分離，長期運行下，內(nèi)部老化、脆化嚴(yán)重，遇到一定的外力就可能發(fā)生突然折斷。

2 銅鋁線夾的安全運行分析

2.1 母線與風(fēng)向?qū)υO(shè)備線夾影響分析

受地形影響，以洛陽電網(wǎng)為例，所處區(qū)域主要以東西風(fēng)為主，南北風(fēng)較少。結(jié)合變電站內(nèi)母線布置情況：

2.1.1 從母線走向看，母線南北走向的變電站其間隔引線布置為東西向，受東西風(fēng)影響，導(dǎo)線弧垂會在導(dǎo)線軸向反復(fù)擺動，使運行線夾的焊接面反復(fù)受到導(dǎo)線的壓緊力和拉力，易造成焊接部位受力脫焊。而母線東西走向的變電站，間隔內(nèi)引線布置為南北向，導(dǎo)線擺動沿水平徑向，對線夾焊縫影響較小。

2.2.2 從母線型式來看，管母擺動較小，對間隔引線、線夾影響較小。而軟母線受風(fēng)力影響擺動較大，母線擺動通過導(dǎo)線傳遞到線夾，使線夾焊接部位受力較大。

2.2.3 從間隔引線和軟母線導(dǎo)線配置看，單導(dǎo)線且導(dǎo)線中部無固定的導(dǎo)線風(fēng)擺較大，相應(yīng)線夾焊接部位受力較大；母線或間隔導(dǎo)線為雙線布置的，因其中部有間隔棒固定，受風(fēng)力擺動較小，故其對線夾部位影響較小。

2.2 線夾角度問題

因線夾角度與水平面多為0°——90°向上翹起，當(dāng)引線長度適當(dāng)且位于線夾接觸面切線方向弧垂較小，線夾接觸面受力較小。而實際上導(dǎo)線安裝往往留有一定裕度，當(dāng)導(dǎo)線過長導(dǎo)致弧垂過大時，設(shè)備線夾時刻受到導(dǎo)線自重的拉力較大，在遇到大風(fēng)天氣引線擺動幅度較大，在線夾切線方向產(chǎn)生剪應(yīng)力，在間歇式風(fēng)擺形成的應(yīng)力長期作用下易導(dǎo)致線夾銅鋁結(jié)合面產(chǎn)生裂紋，裂紋處成為疲勞源，從而可能引發(fā)線夾斷裂。此外，沒有正確選取線夾角度和在施工過程中改變線夾彎折角度均易引發(fā)線夾焊縫開裂，導(dǎo)致斷裂發(fā)生。

2.3 設(shè)備操作對線夾影響

部分導(dǎo)線因其兩端高度差別不大，導(dǎo)線長度較短且正常情況下無操作，故其對線夾受力影響較?。ㄈ鐢嗦菲髋c電流互感器或垂直分合隔離開關(guān)之間的線夾等）；而部分連接于旋轉(zhuǎn)操作隔離開關(guān)接線座的線夾（如GW4、GW5型等），在通常情況下，隔離開關(guān)接線座方向不會受到轉(zhuǎn)動影響。而當(dāng)隔離開關(guān)頂部轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象后，在操作時會在線夾焊接面施加扭轉(zhuǎn)力，特別是一些操作人員蠻力操作，往往是導(dǎo)致線夾斷裂的誘因之一。此外，頂部轉(zhuǎn)軸卡滯還可能導(dǎo)致線夾無法回到位而長期受力。

2.4 外界環(huán)境對線夾接觸面的影響

隨著工業(yè)化規(guī)模不斷提高，環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重，工業(yè)硫排放持續(xù)增加。酸雨、霧霾天氣嚴(yán)重影響室外敞開式線夾的安全運行。因線夾焊接不緊密導(dǎo)致酸雨等酸性溶液進(jìn)入焊縫，并與金屬焊接面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，金屬單質(zhì)被氧化形成金屬氧化物，降低線夾導(dǎo)電性能，造成線夾發(fā)熱。如未及時發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行更換，接觸面氧化將在電化學(xué)腐蝕的持續(xù)作用下愈演愈烈，并加速線夾斷裂的發(fā)生。

3 銅鋁閃光對焊線夾運行中的注意事項

閃光對焊銅鋁過渡線夾的斷裂是一個過程。一般來說，線夾在剛驗收投產(chǎn)后均能保證較好的運行狀態(tài)，然而在各類因素的綜合作用下，一些隱性缺陷在誘因逐漸成熟，將會不斷發(fā)展造成設(shè)備故障。因此，對設(shè)備運行狀況進(jìn)行綜合分析，掌握和查找缺陷發(fā)展規(guī)律，并采取適當(dāng)措施進(jìn)行預(yù)控，是解決這類設(shè)備缺陷、預(yù)防事故的有效手段。根據(jù)線夾運行特點，在運行工作中需做好以下幾項工作：

3.1 分析受力情況，采取有效觀測手段發(fā)現(xiàn)裂紋。受重力影響，多數(shù)線夾會在根部長期受到導(dǎo)線向下的牽引力，結(jié)合實際運行經(jīng)驗，多數(shù)線夾，尤其是弧垂較大的設(shè)備線夾，裂紋往往會出現(xiàn)在線夾上部。受限于觀察角度，這類裂紋往往不易發(fā)現(xiàn)。因此采用專業(yè)拍攝工具以獲得線夾上部高清圖像成為了發(fā)現(xiàn)線夾裂紋的有效手段。此外，一些母線引下線線夾因?qū)Ь€長度裕度較小，受風(fēng)擺動后對線夾拉力方向為垂直向上（如線路側(cè)引下線線夾等），易引起線夾下部裂紋，也應(yīng)引起注意，宜采用高倍望遠(yuǎn)鏡、高倍相機等進(jìn)行監(jiān)控。

3.2 巡視記錄與設(shè)備檔案充分結(jié)合。建立詳細(xì)的運行線夾臺賬，通過巡視中實時觀察設(shè)備線夾翹起角度，并于設(shè)備投產(chǎn)驗收臺賬相比較，結(jié)合線夾觀察儀的使用，可以有效發(fā)現(xiàn)線夾的斷裂趨勢，以便及時采取措施。

3.3 運行操作應(yīng)考慮設(shè)備狀況，避免蠻力操作。對長期未檢修的隔離開關(guān)設(shè)備，運行人員在操作前應(yīng)對線夾進(jìn)行排查，在確認(rèn)無裂紋后，操作時應(yīng)充分考慮轉(zhuǎn)軸可能卡滯對設(shè)備線夾造成的影響，加強監(jiān)護(hù)和指揮，避免蠻力操作。

3.4 加強大風(fēng)、強對流等惡劣天氣下的設(shè)備特巡工作。通過建立閃光對焊銅鋁過渡線夾的設(shè)備檔案，制定日常有針對性的巡視方案以及災(zāi)害惡劣天氣下的設(shè)備特巡預(yù)案，加強監(jiān)控，有效降低設(shè)備運行風(fēng)險。

4 銅鋁閃光對焊線夾檢修維護(hù)策略

閃光對焊銅鋁過渡線夾因其自身先天性缺陷，已逐步危害到電網(wǎng)、設(shè)備的安全運行，在操作中發(fā)生斷裂的，還有可能引發(fā)人身傷害。因此，對其進(jìn)行淘汰更換勢在必行。但是，該類線夾的運行現(xiàn)狀導(dǎo)致更換工作必須分步驟、有重點逐步實施。主要原因有兩點：首先，采用此類線夾的多為老舊變電站，且該類變電站往往在電網(wǎng)中扮演比較重要的角色，重要用戶多，負(fù)荷較重，停電困難；其次，關(guān)鍵位置線夾的更換多涉及母線停電，如果集中進(jìn)行大規(guī)模更換，勢必造成部分地區(qū)在一段時間內(nèi)電網(wǎng)高風(fēng)險運行，在各行業(yè)基礎(chǔ)建設(shè)如火如荼，線路通道形勢依舊嚴(yán)峻的當(dāng)下，不宜采取過于集中的方式進(jìn)行治理。此外，通過加強日常巡視監(jiān)控，并采取有效保護(hù)措施能夠大大降低該類線夾對電網(wǎng)構(gòu)成的威脅，配合有針對性更換計劃，能夠最大限度降低電網(wǎng)風(fēng)險和停電時間。在具體實施中，應(yīng)著力做好如下工作。

4.1 制定周密巡視計劃，指導(dǎo)更換工作開展

通過研發(fā)或引入先進(jìn)的線夾監(jiān)測、檢測儀器，結(jié)合紅外測溫，即時掌握線夾運行狀況，能夠最大限度的對線夾治理工作起到指導(dǎo)和促進(jìn)作用。尤其應(yīng)注重線夾檢查的計劃性，應(yīng)制定切實可行的巡視計劃和特殊條件下的應(yīng)急特巡計劃并嚴(yán)格落實，通過巡視記錄的不斷更新，發(fā)現(xiàn)設(shè)備薄弱點，能夠有效指導(dǎo)線夾治理更換工作有針對性開展。

4.2 對線夾更換工作執(zhí)行差異化管理

針對線夾不同運行狀況，對以下幾類線夾優(yōu)先執(zhí)行更換計劃：

4.2.1 運行10年以上老舊線夾。10年以上老舊線夾受風(fēng)擺、環(huán)境腐蝕等影響時間較長，繼續(xù)運行已無法保證其正常運行工況，故對該類線夾優(yōu)先考慮更換。

4.2.2 高型、半高型布置變電站線夾。該類變電站接線方式較為復(fù)雜，且上下層布置設(shè)備間多通過長導(dǎo)線連接，受導(dǎo)線自身重力和高層風(fēng)擺較大等因素影響，線夾繼續(xù)運行風(fēng)險較大，宜對其站內(nèi)母線側(cè)、長導(dǎo)線側(cè)線夾進(jìn)行優(yōu)先更換。

4.2.3 對變電站采用軟母線單線接線的，因其風(fēng)擺對線夾受力影響較大，宜對其站內(nèi)母線側(cè)線夾進(jìn)行優(yōu)先更換。

4.2.4 母線走向為南北向的變電站線夾。該類變電站因受風(fēng)方向原因，易對線夾焊縫形成擠壓和拉伸力，長期擺動受力將使線夾運行質(zhì)量進(jìn)一步下降，因此宜對其母線隔離開關(guān)線夾進(jìn)行優(yōu)先更換。

另外，對以下幾類線夾區(qū)別對待：

4.2.5 對導(dǎo)線較短、弧垂較小、受力較小的間隔內(nèi)線夾（如斷路器與電流互感器、接線座固定式隔離開關(guān)與斷路器之間的線夾等），宜重點加強監(jiān)控，并可在其運行工況未發(fā)生劣化的前提下暫緩進(jìn)行更換。

4.2.6 對暫時未更換的設(shè)備線夾，視其實際運行情況和缺陷出現(xiàn)、發(fā)展等情況，應(yīng)對其采取包括加裝不銹鋼托架在內(nèi)的各類有效手段，確保其在更換前的安全平穩(wěn)運行。

5 結(jié)語

目前，電網(wǎng)運行中，對閃光對焊銅鋁過渡線夾這類線夾，各電網(wǎng)應(yīng)統(tǒng)一要求，加強監(jiān)控、盡快更換，確保所有銅鋁線夾狀況是可控在控的，保障人身、電網(wǎng)、設(shè)備的安全運行。

[1]陳國宏，倪滿生，田宇，等.銅鋁過渡線夾使用狀況與選型分析[J].安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2012，（3）：15-19.

[2]陳國宏，閔良，王家慶.220KV變電站銅鋁過渡線夾腐蝕與斷裂分析[J].安徽電力，2010，（4）：1-5.

[3]吳爽登，陳靜，梁永純，等.銅鋁釬焊接頭鹽霧腐蝕行為研究[J].物理測試，2012，（1）：49-53.