摘 要:某500kV變電站投運(yùn)僅1a,其水平折臂式隔離開關(guān)的軟連接最外層銅箔發(fā)生了斷裂 而失效,通過宏觀觀察、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)和斷口分析等方法,分析了銅箔斷裂的原因。 結(jié)果表明:銅箔與銅板過渡位置被壓裂,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。

關(guān)鍵詞:隔離開關(guān);銅箔;軟連接;失效分析

中圖分類號(hào):TG14 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2021)11-0030-03

變電站高壓隔離開關(guān)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,制造過 程中常常不受重視,質(zhì)量難以保證[1-2]。某500kV 變電站內(nèi)西門子 TR53-MM31型隔離開關(guān)投運(yùn)僅 1a,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]。

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(guó)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)1a后 鍍錫層呈暗灰色。

軟連接單層銅箔設(shè)計(jì)厚度為0.1mm,鍍錫層厚 度為20μm,實(shí)測(cè)鍍錫銅箔厚度為0.14~0.15mm。 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(zhǎng)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。

使用ZEISSSmartZoom5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。

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。

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/T5231-2012《加工銅及銅合金牌號(hào)和化學(xué) 成分》對(duì) T2紫銅的要求?？膳懦蜚~箔化學(xué)成分 不合格導(dǎo)致的斷裂。

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(zhǎng)率不小于25%,維氏硬度為60~90HV。

按標(biāo)準(zhǔn) GB/T228.1-2010《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(zhǎng)率 均不符合設(shè)計(jì)要求。

采用BuehlerVH1102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0.98N,保 荷為10s,按標(biāo)準(zhǔn) GB/T4340.1-2009《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。

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

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)。

參考文獻(xiàn):

[1] 鐘振蛟.戶外隔離開關(guān)機(jī)械故障的起因及預(yù)防[J].高 壓電器,2006,42(6):464-467.

[2] 胡紅光.隔離開關(guān)觸頭結(jié)構(gòu)與發(fā)熱原因分析[J].高電 壓技術(shù),2001,27(5):72-75.

[3] 崔景春,袁大陸,宋杲.高壓隔離開關(guān)運(yùn)行分析及其完 善化[J].電器工業(yè),2007(2):51-56.

[4] 盛明學(xué),王志清.戶外高壓隔離開關(guān)常見故障的原因 分析與處理[J].高壓電器,2010,46(10):93-96.

[5] 丁昌國(guó).隔離開關(guān)存在的問題及改進(jìn)措施[J].吉林電 力,2004,32(6):55-56.

[6] 鐘振蛟.戶外隔離開關(guān)導(dǎo)電回路過熱的原因及對(duì)策 [J].高壓電器,2005,41(4):307-309,312.

<文章來源>材料與測(cè)試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè)>57卷>11期(pp:30-32)>