摘要：铜铝过渡变压器线夹是电力系统中应用十分广泛的电力金具，主要应用于铝导线与电气设备铜端子的连接。目前使用的铜铝过渡变压器线夹大多采用闪光焊、摩擦焊等焊接技术将铜和铝焊接在一起，长期的运行过程中因各种原因较易在焊接部位发生断裂，造成较为严重的电网事故。通过系统分析断裂原因，同时借助电子显微镜和光学显微镜对实际断裂的铜铝过渡变压器线夹的断口进行微观分析，结果表明断裂的主要原因是焊接缺陷，焊缝组织存在氧化物及焊瘤、铜铝未有效焊合等。焊接缺陷造成了应力集中，在交变应力作用下，最终造成线夹的断裂。从材料、工艺以及结构设计等方面分析研究，提出了几项改进对策。同时，介绍了当下应用一体成型的新型合金变压器线夹代替铜铝过渡变压器线夹，从而有效防止断裂隐患的实践情况及发展趋势。
关键词：铜铝过渡变压器线夹；断裂分析；改进策略；合金设备线夹
电力系统中导线和用电设备接线端子需要用线夹相连接，架空导线的材料大部分为铝，但用电设备接线端子的材料大部分为铜，直接使用铜或铝单一材料作为连接体存在以下三个方面的问题：第一个方面，就铜、铝材料的性能参数而言，通过比较，无论是导电性还是抗拉强度，铜的性能都超越于铝，但结合经济考虑，铝的市场价格远远低于铜，相关资料表明，由于我国范围内的铜铝资源和提炼技术水平，我国每年有10%的铝要出口，产能严重过剩，而我国每年铜材的缺口为130万吨，由我国铜材稀缺且价格昂贵的现状来看使用铝材料比较可行和便利[1]；第二个方面，纯铝材料有以下缺点：（1）机械强度差，刚度弱，容易断裂；（2）铝易蠕变，容易出现接口松动，需要经常紧固螺丝；（3）铝容易因过载发热导致温度过高而引起融化变形，存在安全隐患；第三个方面，铜铝直接连接会因产生的电化学反应增大接触电阻，烧毁接头。铜铝设备线夹因其结合了铜、铝的优点，且其具备良好的稳定性、安装方便、具有良好的导电性而在电力系统中得到广泛应用[2]。
1.1铜铝过渡变压器线夹介绍
设备线夹是电力连接金具的一种，主要用于变电所母线引下线与电气设备（如变压器、断路器、隔离开关、互感器）的出线端子接续。铜铝过渡变压器线夹是设备线夹的一种，主要用于铝质引下线（铝绞线、绝缘铝绞线、钢芯铝绞线等）与电气设备的铜出线端子连接。
1.2铜铝过渡变压器线夹的分类
因常用电气设备的出线端子为铜质和铝质两类，而母线引出线分为铝绞线或钢芯铝绞线，故设备线夹从材质上分为铝设备线夹和铜铝过渡变压器线夹两个系列。
根据安装方法和结构形式的不同，设备线夹分螺栓型、压缩两种类型。
每种型式的线夹又按引下线与安装电气设备端子所成角的不同分为0°、45°、90°三种。
目前，常用的铜铝过渡变压器线夹主要有DTL系列铜铝过渡接线端子、SLG系列螺栓型铜铝设备线夹、SBG型铜铝变压器线夹。
根据焊接工艺的不同，铜铝过渡变压器线夹分闪光焊、摩擦焊、钎焊三类。
2.1直接原因
由于铜铝过渡线夹的主要制造工艺为焊接,影响其产品质量的主要因素就是焊接质量。铜铝过渡线夹一般采用摩擦焊、闪光焊等方法将铜与铝板焊接在一起,形成铜铝过渡板,再在铜或铝板一边连接铜或铝导线。对于摩擦焊、闪光焊等焊接方法,由于工艺等原因,极易在焊接接头部位产生“未熔合”、“夹渣”、“错边”等缺陷。未熔合其实就是两种金属(这里就是铜与铝)熔化后没有真正相互熔合,仅仅是靠在一起,两者之间从微观上看是存在一定缝隙的。另外,在高温下,铝易产生氧化,氧化铝的熔点较高,在焊接时不易熔化(相对铝来说),它滞留在焊缝中就形成所谓“夹渣”。未熔合、夹渣等缺陷的存在阻断了两种金属的连接,引起焊接接头强度降低;另一方面在运行过程中这些缺陷就是一个裂纹源,在受到外力作用时,引起缺陷扩展,最终导致线夹断裂。错边是铜板与铝板在焊接时没有对正,焊接后形成过渡线夹一面铜板高,而另一面铝板高的现象。这种缺陷实质上是减少了铜铝过渡线夹的截面积,从而减小了其承载能力,在截面变化处还易形成应力集中。
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2.2间接原因
间接原因影响焊接质量，因而从某种程度上导致运行中铜铝过渡变压器线夹的使用寿命缩短，加快了断裂的进程。
2.3断面不净
在焊接过程中，铜、铝端面不干净和平后端面放置时间过长（一般不超过2小时），会直接影响产品焊接质量。
3.受力分析
铜铝过渡变压器所受的外力主要来自于施工过程中受力和日常运行中的牵引力两个方面。以DTL-70铜铝过渡接线端子为例，作受力分析如图2所示。
3.1施工受力
在铜铝过渡接线端子的施工过程中首先将端子的铝材料端压接在铝线上，再直接用螺栓紧困线夹的铜材料端和用电设备的接线柱。在施工过程中，因操作工的不良操作习惯，先用螺栓坚固铜材料和接线柱，最后才完成铝材料端的压接，压接极易产生巨大外力，使铜铝接触处产生缝隙，微小肉眼不可见的缝隙可能对铜铝设备线夹的安全运行带来严重隐患。
3.2牵引力
调查故障现场发现，导线至设备线夹铝材料端的引流线过紧，铝材料受较大的牵引力，大风导致引流线舞动产生的应力动作至铝铜焊面，进一步给铜铝焊接面产生裂纹带来了隐患。铜铝设备线夹受力分析如图2所示。将铜铝焊面看作支点，Fl为铜材料端紧固螺栓的支持力，通过紧固螺栓的中心线竖直向下，L1为F1的力臂；F2为铝材料端导线的牵引力，可以等效为通过铝材料端端面竖直向上，L2为F2的力臂。根据静力平衡原理，铝铜焊面承受的弯曲剪应力Q=F2×L2/Ll，其中两力臂的比值L2/L1近似为5，可见铝铜焊面承受的剪应力为铝材料端导线牵引力的5倍。
4其他原因
4.1化学反应
设备线夹长期室外运行，长时间经历停电和通电、大负荷和小负荷交替变化，在潮湿的环境下，铜、铝金属接触处附着的水分极易在空气中C02和其他杂质的共同作用下形成电解液发生电化学反应，此过程中铜作为正极、铝作为负极行程恶性循环，加剧铝的电化学腐蚀，电化学反应发出的热量加速铝的氧化，达到一定程度时，易因焊面断裂而发生断电故障。
4.2气候因素
铜铝过渡变压器线夹断裂故障常发生在的冬春交汇季节，冬季气温低，春季气温回升较快，且春季昼夜温差较大，因铝和铜两种材料的热膨胀系数相差很大。当气温上升（下降）到一定温度时，铜材料的热膨胀（冷缩）幅度比铝材料的小，在运行中，经长时间、大幅度的温度降热交替变化后，接触面处容易产生相对较大的间隙，影响线夹的接触面积，造成接触不良，引起接触电阻的变化，当连接处的接触松动达到一定的程度时，接触处将有缝隙产生，空气通过缝隙进入断口将铝氧化成氧化铝，尽管断口表面的氧化铝层特别薄，但其高电阻值的性能使缝隙处的电阻增大，运行过程中发热量增加，加剧铝的氧化，降低连接体的强度［4］。
4.3断口金相组织分析
观察断口附近的金相组织有助于分析焊接的热影响程度，是否造成金属晶粒的粗大等缺陷。金相观察分析表明，所使用的铜板符合国家标准，而且邻近焊接区域的金相组织基本没有变化。铝板的金相组织在近焊接区基本正常，说明焊接过程未造成金属晶粒与金相组织的显著变化。图5是铜侧焊瘤的金相组织。焊瘤明显粗大成柱状，这是在焊接过程中由于压力不够而使溶化的金属未挤出焊缝，又未与另一侧金属溶液混合，从而在焊接区凝固下来，焊瘤的存在直接说明焊接缺陷的存在并极大地降低了焊接质量。
结束语
本文分析了铜铝过渡变压器线夹的应用现状，得出焊接缺陷和焊接质量的不稳定性所导致的易断裂情况是铜铝过渡变压器线夹最突出的问题。通过系统分析铜铝过渡变压器线夹的断裂原因，同时借助电子显微镜和光学显微镜对实际断裂的铜铝过渡变压器线夹的断口进行微观分析，结果表明断裂的主要原因是焊接缺陷，焊缝组织存在氧化物及焊瘤、铜铝未有效焊合等。焊接缺陷造成了应力集中，在交变应力作用下，最终造成线夹的疲劳断裂。本文提出了几点改进对策。从材料、工艺以及结构设计等方面，分析研究了新技术新产品的特点及实践应用情况，为有效防止铜铝过渡变压器线夹的断裂提供了理论依据和解决思路。
论文作者:田宏亮
论文发表刊物:《电力设备》2017年第33期
论文发表时间:2018/4/27
标签：变压器论文; 金相论文; 设备论文; 缺陷论文; 断口论文; 铝材论文; 导线论文; 《电力设备》2017年第33期论文;