剛性接觸懸掛銅鋁接線端子斷裂分析

趙經(jīng)東

（廣州市地下鐵道總公司運營事業(yè)總部，510000，廣州∥助理工程師）

剛性接觸懸掛具有結(jié)構(gòu)簡單、架設(shè)方便、可靠性高以及維護量小的特點，已逐步成為國內(nèi)城市軌道交通接觸懸掛的主要形式。剛性接觸懸掛主導(dǎo)回路由隔離開關(guān)、上網(wǎng)電纜、匯流排、接觸線和錨段關(guān)節(jié)電連接等組成。因城市軌道交通供電系統(tǒng)低電壓、大電流的特點，剛性接觸懸掛主導(dǎo)回路除匯流排和連接線夾采用鋁材外，其他全部采用導(dǎo)電性能良好的銅材，所以主導(dǎo)回路內(nèi)各部分之間的電氣連接主要依靠銅鋁過渡件（見圖1）實現(xiàn)載流。

圖1 銅鋁接線端子示意圖

1 銅鋁接線端子應(yīng)用概述

剛性接觸懸掛中使用銅鋁接線端子的位置主要有：①隔離開關(guān)上網(wǎng)電纜端子與匯流排電連接線夾連接處；②非絕緣錨段關(guān)節(jié)裸銅絞線連接處；③剛?cè)徇^渡裸銅絞線連接處。

在這些位置使用銅鋁過渡連接主要原因是：當(dāng)銅接線端子和鋁質(zhì)匯流排直接連接時，這兩種金屬的接觸面在潮濕環(huán)境中，在二氧化碳和其他雜質(zhì)的作用下極易形成電解液，從而形成以鋁為負(fù)極、銅為正極的原電池，使匯流排產(chǎn)生電偶腐蝕，影響匯流排的使用壽命。另外，由于銅與鋁的彈性模量和熱膨脹系數(shù)相差很大，在經(jīng)過多次冷熱循環(huán)，會使接觸點產(chǎn)生較大的間隙，增大了銅鋁接觸面的電阻。若接觸電阻增大，運行中就會引起接觸面溫度升高。高溫下腐蝕氧化就會加劇，從而產(chǎn)生惡性循環(huán)，使銅鋁連接質(zhì)量進一步惡化，最后導(dǎo)致接觸點溫度過高甚至?xí)l(fā)生熔接、燒毀等事故，嚴(yán)重影響城市軌道交通供電系統(tǒng)的運行安全。

銅鋁接線端子在剛性接觸懸掛的大量應(yīng)用雖然解決了匯流排與銅絞線、電纜等設(shè)備的連接問題，但是在近幾年的運營過程中卻發(fā)生了多次銅鋁接線端子斷裂的事件，例如廣州地鐵1號線楊箕站—體育西路站下行線TL44關(guān)節(jié)式剛?cè)徇^渡電連接銅鋁接線端子斷裂和非絕緣錨段關(guān)節(jié)裸銅電連接銅鋁接線端子斷裂（見圖2）。上述兩次銅鋁接線端子斷裂事件雖未影響地鐵正常運營，但是卻存在重大安全隱患。若未及時發(fā)現(xiàn)銅鋁接線端子斷裂，不僅會使剛性接觸懸掛主導(dǎo)回路載流量不夠，導(dǎo)致同一供電分區(qū)內(nèi)的電連接線纜發(fā)熱甚至燒損；而且斷裂后的絞線將侵入限界，導(dǎo)致重大弓網(wǎng)事故，影響整個牽引供電系統(tǒng)的安全性。所以，本文針對剛性接觸懸掛銅鋁過渡件的斷裂進行了分析并提出一些改進方法。

圖2 廣州地鐵銅鋁接線端子線夾斷裂

2 剛性接觸懸掛銅鋁接線端子斷裂分析

針對剛性接觸懸掛銅鋁接線端子出現(xiàn)的斷裂現(xiàn)象，從焊接工藝、材料特性、受力情況和施工工藝四個方面進行分析和探究。

2.1 銅鋁接線端子焊接工藝

剛性接觸懸掛銅鋁接線端子的主要制造工藝為焊接，影響其工作狀態(tài)的主要因素就是焊接質(zhì)量。銅鋁接線端子一般采用摩擦焊、閃光焊和爆炸焊等方法將銅板與鋁板焊接在一起，形成銅鋁過渡板。在高溫下鋁易產(chǎn)生氧化生成氧化鋁，氧化鋁的熔點較高，在焊接時不易熔化，它滯留在焊縫中就形成所謂的“夾渣”。“夾渣”的存在阻斷了兩種金屬的連接，引起焊接接頭強度降低。在運行過程中“夾渣”就是一個裂紋源，在受到外力作用時，引起缺陷擴展，最終導(dǎo)致銅鋁過渡面斷裂。在焊接過程中銅板與鋁板未對正，焊接后形成銅鋁過渡面高低不平，這種缺陷實質(zhì)上是減少了銅鋁過渡的截面積，減小了其承載能力，同時在截面變化處形成了應(yīng)力集中。

2.2 銅鋁材料特性

室溫狀態(tài)下銅的線脹系數(shù)約為鋁的一半（見表1），故銅與鋁的焊接接頭很容易產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)這一應(yīng)力值大于接頭強度極限時就發(fā)生裂紋。銅鋁過渡面產(chǎn)生裂紋，造成接觸不良進而使接觸電阻增加。銅鋁過渡面在外界條件影響下形成氧化鋁。盡管氧化鋁的氧化層很薄，但是它的電阻值很高。在連接處的接觸電阻大大增加，使連接部位容易發(fā)熱，加劇氧化并使接頭的強度降低。由于銅鋁材料特性差異大，在焊接交界面中有銅鋁金屬化合物等脆性化合物生成使接頭的強度和塑性都降低，甚至?xí)菇唤缑娈a(chǎn)生晶間腐蝕。銅鋁電極電位相差較大，也易引起銅鋁交界面腐蝕。

表1 銅鋁材料特性

2.3 銅鋁接線端子受力分析

剛性接觸懸掛銅鋁接線端子處所受力的大小與引下線纜的材質(zhì)、截面積和承受的荷載等因素有關(guān)。為了表征銅鋁接線端子受力情況，如圖3所示進行簡單受力分析和計算。本文中所討論銅鋁接線端子的引下線纜短且處于比較穩(wěn)定的運行環(huán)境中，故受力分析和計算過程不考慮線纜荷載拋物線計算方法和風(fēng)負(fù)載等環(huán)境影響。由此，施加在銅鋁接線端子處的線纜自重力載荷

式中：

q——線纜單位長度的質(zhì)量，kg／m；

g——重力加速度，取9.806 65m／s2；

H——線纜懸掛點至連接端子高度，m。

圖3 銅鋁接線端子所受的線纜自重力

通過查閱電纜參數(shù)表剛性接觸懸掛上網(wǎng)電纜所用的150mm2電纜單位長度質(zhì)量為1.4kg／m，隧道內(nèi)線纜懸掛點至連接端子平均高度約為3.6m，故根據(jù)式（1）得出銅鋁接線端子處的線纜自重力載荷為49.4N。通過圖4可以計算銅鋁交界面處所受力矩

式中：

F——銅鋁交界面處所受力矩，N／m；

P——銅鋁接線端子處的線纜自重力載荷，N；

L——銅鋁接線端子本體線管長度，m；

α——銅鋁接線端子本體線管與連接面夾角。

圖4 銅鋁接線端子所受的線纜自重力矩

通過查閱銅鋁接線端子技術(shù)規(guī)格書，銅鋁接線端子本體線管平均長度為0.075m，銅鋁接線端子本體線管與連接面夾角規(guī)格為0°，30°，45°，故根據(jù)式（2）得出表2。

表2 不同夾角時銅鋁交界面力矩對比表

引下線纜力矩作用于銅鋁焊接面容易造成應(yīng)力集中，從而造成疲勞破壞。由于鋁的機械強度低于銅，因此一般表現(xiàn)為鋁首先產(chǎn)生物理斷裂。運行過程中，這些開裂與微小表面裂紋就很容易成為應(yīng)力集中部位或在受到周期作用力時成為疲勞源，在外力作用時裂紋擴展，最終導(dǎo)致線夾斷裂。

2.4 銅鋁接線端子施工工藝

剛性接觸懸掛銅鋁接線端子利用壓接鉗和模具采用冷態(tài)壓接方式與相應(yīng)尺寸的絞線連接。這種連接方式的優(yōu)點是操作工藝簡單、成本低，但是在現(xiàn)場施工過程中由于施工人員技能水平不同，會導(dǎo)致銅鋁接線端子在壓接過程中出現(xiàn)損傷。主要表現(xiàn)為：銅鋁接線端子的壓接管在施壓過程中未扶平，使導(dǎo)線軸線與鋼模軸線不重疊，造成施壓后彎曲變形導(dǎo)致銅鋁交界面產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。

3 剛性接觸懸掛銅鋁接線端子的改進

3.1 銅鋁接線端子連接方式的改進

廣州地鐵運營線路中剛性接觸懸掛銅鋁接線端子與匯流排電連接線夾平行連接（見圖5），導(dǎo)致線纜重力集中在銅鋁接線端子處，經(jīng)過長期振動和線纜拉扯極易導(dǎo)致銅鋁接線端子斷裂。所以，選擇合適的銅鋁接線端子安裝角度是解決斷裂現(xiàn)象的途徑之一。目前市場上銅鋁接線端子雖有不同型號（0#、30#、45#），但只是端子與線纜連接處彎曲角度不同，未改善銅鋁接線端子受力狀況。通過受力分析可知，銅鋁接線端子所受最大應(yīng)力是引下線纜自重力對其產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力。若安裝時選擇合適位置，使其合力與引下線軸向一致，從而變彎曲應(yīng)力為軸向拉應(yīng)力，將會大大減小線纜重力產(chǎn)生的彎矩對銅鋁接線端子的危害。剛性接觸懸掛銅鋁接線端子連接方式的改進，主要是對與銅鋁接線端子直接相連的匯流排電連接線夾的優(yōu)化。匯流排電連接線夾的改進是指在原線夾的兩側(cè)新增鋁材質(zhì)的垂直連接耳（見圖6）。銅鋁接線端子通過垂直耳與線夾連接實現(xiàn)載流功能。銅鋁接線端子與匯流排電連接線夾垂直耳連接，使機械強度大的連接螺栓承受引下線纜的重力，避免銅鋁過渡處重力集中導(dǎo)致斷裂。

圖5 現(xiàn)有的銅鋁接線端子連接方式

圖6 改進后的銅鋁接線端子連接方式

3.2 銅鋁接線端子本體的改進

剛性接觸懸掛銅鋁接線端子的改進不僅要考慮改善端子安裝的受力情況，還要考慮通過增大銅鋁接線端子本身銅鋁接觸面來防止連接面出現(xiàn)功能退化和斷裂情況。銅鋁接線端子本體改進的基本思路是在原銅鋁接線端子的下部復(fù)合一層鋁板（見圖7）。該層復(fù)合的鋁板直接與剛性接觸懸掛匯流排電連接線夾連接，實現(xiàn)載流功能。銅鋁接線端子單面復(fù)合鋁板，其實質(zhì)是在受力最大且材質(zhì)最脆弱的銅鋁交界面采取加固措施。在接線端子的制造過程中，可以通過爆炸焊、釬焊或壓力焊等焊接方式復(fù)合一塊截面積與接線端子接觸面相同的鋁板。鋁板與接線端子的銅材和鋁材部分有效結(jié)合，將異種材質(zhì)金屬連接起來，使其成為整體。銅鋁接線端子復(fù)合鋁板也可有效分散絞線或電纜擺動時施加在銅鋁交接面上的扭力。

圖7 銅鋁接線端子本體改進

4 結(jié)語

通過對剛性接觸懸掛銅鋁接線端子斷裂現(xiàn)象進行分析所得到的斷裂原因及規(guī)律，不但對斷裂故障分析有指導(dǎo)意義，而且可以為銅鋁接線端子的安裝及運行提供參考指導(dǎo)。同時，通過對銅鋁接線端子的斷裂分析，對改進其生產(chǎn)工藝、提高銅鋁焊接的質(zhì)量及剛性接觸懸掛的穩(wěn)定性都有著重要意義。

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