某500 kV變電站隔離開關軟連接失效的原因

焦宗寒, 虞鴻江, 代克順

(云南電網有限責任公司 電力科學研究院, 昆明 650217)

變電站高壓隔離開關的結構相對簡單，制造過程中常常不受重視，質量難以保證[1-2]。某500 kV變電站內西門子TR53-MM31型隔離開關投運僅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彎折位置為滑動接觸，不能保證其導電性，需要安裝銅箔軟連接保證通流和彎折，其斷裂會對電網的安全運行構成威脅[3-6]。

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

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

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

軟連接銅箔壓焊位置螺栓緊固側焊有銅板，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1 a后鍍錫層呈暗灰色。

圖2 軟連接結構示意Fig.2 Schematic diagram of soft connection structure

軟連接單層銅箔設計厚度為0.1 mm，鍍錫層厚度為20 μm，實測鍍錫銅箔厚度為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致的斷裂。折臂式隔離開關執(zhí)行動作時，軟連接需要反復彎折。斷裂銅箔均處于軟連接外側，外側銅箔在工作中長期受拉應力，斷裂處位于銅板與銅箔連接的過渡位置，此次事故共有4個斷裂樣品，樣品最外層銅箔均已完全斷裂，見圖3。

圖3 4個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型體視顯微鏡對斷裂軟連接側面進行觀察。由圖4可見，銅板與多片銅箔壓焊側面外觀緊密，未發(fā)現(xiàn)開裂等缺陷。

圖4 銅板與銅箔壓焊側面的微觀形貌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計了倒角，倒角是為了保證銅板過渡位置光滑，同時去除機加工過程中產生的毛刺。進一步放大觀察斷裂軟連接側面，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倒角都有不同程度的向外菱角，見圖5。倒角不均勻易導致壓焊過程中銅箔表面產生劃傷、壓裂等缺陷。

圖5 斷裂軟連接側面的微觀形貌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，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，銅易被大氣腐蝕，因此斷口表面附著厚實的暗綠色腐蝕產物。

1.2 化學成分分析

按照設計要求，軟連接用銅箔材料為T2紫銅。用角磨機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銅箔、銅板進行化學成分檢測。由表1可見，銅箔、銅板的化學成分均滿足標準GB/T 5231-2012《加工銅及銅合金牌號和化學成分》對T2紫銅的要求。可排除因銅箔化學成分不合格導致的斷裂。

表1 銅箔和銅板的化學成分檢測結果Tab.1 Chemical composition test results of copper foil andcopper plate

1.3 力學性能試驗

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

按標準GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》規(guī)定，開展拉伸試驗，結果見表2，可知斷裂銅箔的抗拉強度和斷后伸長率均不符合設計要求。

表2 斷裂銅箔的拉伸性能檢測結果Tab.2 Test results of tensile properties of fractured copper foil

采用Buehler VH1102型顯微硬度計對斷裂銅箔表面進行顯微硬度測試，測試載荷為0.98 N，保荷為10 s，按標準GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，開展維氏硬度試驗。由表3可見，該銅箔硬度較高。

表3 斷裂銅箔的硬度試驗結果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，易在壓焊位置產生裂紋。并且軟連接在工作中需反復彎折，銅箔韌性差，反復彎折后易開裂。

1.4 掃描電鏡及能譜分析

用掃描電鏡對銅箔斷口進行觀察，如圖6所示，可見斷口較疏松，存在大量絮狀腐蝕產物，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，檢測到斷口表面主要含碳、氧元素，推測是受大氣腐蝕而產生的腐蝕產物。

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

2 結論及建議

(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，在外力作用下，銅箔與銅板過渡位置產生壓裂。同時，銅箔硬度高，抗拉強度高，延伸率低，韌性差，隔離開關工作中軟連接需要反復折彎，最終導致銅箔斷裂，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，對新的銅箔軟連接外層銅箔表面進行滲透檢測。