某500 kV變電站隔離開關(guān)軟連接失效的原因

焦宗寒, 虞鴻江, 代克順

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院, 昆明 650217)

變電站高壓隔離開關(guān)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，制造過程中常常不受重視，質(zhì)量難以保證[1-2]。某500 kV變電站內(nèi)西門子TR53-MM31型隔離開關(guān)投運(yùn)僅1 a，其軟連接最外層銅箔出現(xiàn)斷裂，該軟連接是用多片鍍錫T2紫銅箔疊加兩端壓焊而成，如圖1所示。由于折臂式隔離開關(guān)彎折位置為滑動(dòng)接觸，不能保證其導(dǎo)電性，需要安裝銅箔軟連接保證通流和彎折，其斷裂會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅[3-6]。

圖1 隔離開關(guān)軟連接位置示意Fig.1 Schematic diagram of soft connection position of disconnector

為找出銅箔斷裂的原因，筆者對(duì)斷裂軟連接銅箔進(jìn)行了宏觀觀察、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)、掃描電鏡和能譜分析。目前銅箔軟連接暫無國家標(biāo)準(zhǔn)參照，通過對(duì)銅箔軟連接斷裂的原因進(jìn)行分析、討論，以期為廠家的規(guī)范生產(chǎn)提供借鑒。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

軟連接銅箔壓焊位置螺栓緊固側(cè)焊有銅板，壓焊后部件整體鍍錫，壓焊位置鉆有螺栓孔，軟連接示意見圖2。銅箔軟連接安裝于戶外，因此投運(yùn)1 a后鍍錫層呈暗灰色。

圖2 軟連接結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of soft connection structure

軟連接單層銅箔設(shè)計(jì)厚度為0.1 mm，鍍錫層厚度為20 μm，實(shí)測(cè)鍍錫銅箔厚度為0.14～0.15 mm。銅在大氣環(huán)境中很容易發(fā)生腐蝕，該斷裂銅箔表面鍍錫層均勻，無劃傷、起皮等缺陷。斷口附近暗綠色附著物為銅箔斷裂后銅被大氣腐蝕所致，因此可排除銅箔鍍錫層不合格導(dǎo)致的斷裂。折臂式隔離開關(guān)執(zhí)行動(dòng)作時(shí)，軟連接需要反復(fù)彎折。斷裂銅箔均處于軟連接外側(cè)，外側(cè)銅箔在工作中長期受拉應(yīng)力，斷裂處位于銅板與銅箔連接的過渡位置，此次事故共有4個(gè)斷裂樣品，樣品最外層銅箔均已完全斷裂，見圖3。

圖3 4個(gè)外層銅箔斷裂的軟連接示意Fig.3 Schematic diagram of four soft connections offractured outer copper folis

使用ZEISS SmartZoom5型體視顯微鏡對(duì)斷裂軟連接側(cè)面進(jìn)行觀察。由圖4可見，銅板與多片銅箔壓焊?jìng)?cè)面外觀緊密，未發(fā)現(xiàn)開裂等缺陷。

圖4 銅板與銅箔壓焊?jìng)?cè)面的微觀形貌Fig.4 Micro morphology of pressure welding side ofcopper plate and copper foils

由于壓焊過程中，要對(duì)組合焊件施加一定的壓力，為防止銅箔壓裂，與銅箔過渡位置處的銅板設(shè)計(jì)了倒角，倒角是為了保證銅板過渡位置光滑，同時(shí)去除機(jī)加工過程中產(chǎn)生的毛刺。進(jìn)一步放大觀察斷裂軟連接側(cè)面，發(fā)現(xiàn)失效樣品倒角尺寸并不均勻，所有樣品銅板靠銅箔側(cè)倒角都有不同程度的向外菱角，見圖5。倒角不均勻易導(dǎo)致壓焊過程中銅箔表面產(chǎn)生劃傷、壓裂等缺陷。

圖5 斷裂軟連接側(cè)面的微觀形貌Fig.5 Micro morphology of the side of fractured soft connection:a) sample 1; b) sample 2; c) sample 3 d) sample 4

如圖5d)所示，其第二片銅箔也發(fā)生開裂。軟連接銅箔表面均鍍錫，銅箔斷裂后鍍錫層在潮濕環(huán)境中與大氣發(fā)生反應(yīng)，斷口已無金屬光澤，銅箔斷裂后暴露于大氣環(huán)境中，并且斷裂位于軟連接下側(cè)，銅易被大氣腐蝕，因此斷口表面附著厚實(shí)的暗綠色腐蝕產(chǎn)物。

1.2 化學(xué)成分分析

按照設(shè)計(jì)要求，軟連接用銅箔材料為T2紫銅。用角磨機(jī)和砂紙輕微打磨銅箔和銅板表面，去除鍍錫層，采用電火花光譜儀對(duì)銅箔、銅板進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)。由表1可見，銅箔、銅板的化學(xué)成分均滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5231-2012《加工銅及銅合金牌號(hào)和化學(xué)成分》對(duì)T2紫銅的要求。可排除因銅箔化學(xué)成分不合格導(dǎo)致的斷裂。

表1 銅箔和銅板的化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Chemical composition test results of copper foil andcopper plate

1.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，鍍錫銅箔需為1/4硬(Y4)狀態(tài)，其抗拉強(qiáng)度為215～275 MPa，伸長率不小于25%，維氏硬度為60～90 HV。

按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》規(guī)定，開展拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見表2，可知斷裂銅箔的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均不符合設(shè)計(jì)要求。

表2 斷裂銅箔的拉伸性能檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Test results of tensile properties of fractured copper foil

采用Buehler VH1102型顯微硬度計(jì)對(duì)斷裂銅箔表面進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，測(cè)試載荷為0.98 N，保荷為10 s，按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》，開展維氏硬度試驗(yàn)。由表3可見，該銅箔硬度較高。

表3 斷裂銅箔的硬度試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Hardness test results of fractured copper foil

軟連接是由銅板與多片銅箔壓焊而成，銅箔硬度高，韌性差，易在壓焊位置產(chǎn)生裂紋。并且軟連接在工作中需反復(fù)彎折，銅箔韌性差，反復(fù)彎折后易開裂。

1.4 掃描電鏡及能譜分析

用掃描電鏡對(duì)銅箔斷口進(jìn)行觀察，如圖6所示，可見斷口較疏松，存在大量絮狀腐蝕產(chǎn)物，斷口未見裂紋、韌窩、光亮斷面等斷口特征。銅箔斷裂后，斷口暴露于大氣環(huán)境中，很容易被腐蝕。通過能譜分析，檢測(cè)到斷口表面主要含碳、氧元素，推測(cè)是受大氣腐蝕而產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物。

圖6 銅箔斷口的微觀形貌Fig.6 Micro morphology of fracture of copper foil

2 結(jié)論及建議

(1) 失效軟連接為銅板與多片銅箔壓焊而成，銅板倒角尺寸不均勻，兩者壓焊加工時(shí)，在外力作用下，銅箔與銅板過渡位置產(chǎn)生壓裂。同時(shí)，銅箔硬度高，抗拉強(qiáng)度高，延伸率低，韌性差，隔離開關(guān)工作中軟連接需要反復(fù)折彎，最終導(dǎo)致銅箔斷裂，而使軟連接失效。

(2) 建議選用韌性較好的T2紫銅箔制作軟連接，對(duì)新的銅箔軟連接外層銅箔表面進(jìn)行滲透檢測(cè)。