基于界面復合技術的新型銅鋁過渡線夾設計研究

廣東電網有限責任公司廣州供電局 楊帆 方健 劉振東 華南理工大學電力學院 劉桑瑜 廣東技術師范大學自動化學院 王鵬宇

1 引言

隨著我國經濟的快速發展，供電量需求不斷提升，對電力設備的運行可靠性要求越來越高[1]。但是電力設備更新換代周期較長，且隨著投運年限的增加，電網負荷還在隨之增加，電力設備面臨的高可靠性挑戰越來越嚴峻。

電力連接金具作為保障電網電能傳輸的關鍵部件，是設備與導線連接的端子，在承擔電能輸送功能的同時承載一定機械荷載[2]。電力連接金具的可靠性直接決定了電能輸送線路的運行穩定性，進而影響電網的穩定性和安全性。銅鋁過渡線夾不僅具有銅導電性優良的特點，同時具備鋁的耐腐蝕、經濟、質量輕等優點。但是由于銅鋁過渡線夾發熱以及斷裂所導致的電力連接金具故障失效。因此提出一種具有高可靠性的新型銅鋁過渡線夾設計方案，本文基于全生命周期的銅鋁過渡線夾損傷機理分析，討論市場現有典型銅鋁過渡線夾產品的可靠性和面臨的技術難題，進而提出一種基于界面復合技術的新型銅鋁過渡線夾設計方案，并從制備方法、結構等方面分析了此種線夾的可靠性和優越性。

2 基于全生命周期的銅鋁過渡線夾損傷機理分析

銅鋁過渡線夾在運行過程中存在發熱和斷裂問題，本章從發熱、斷裂兩方面對目前市面上典型的銅鋁過渡線夾進行失效機理分析。

2.1 銅鋁過渡線夾發熱損傷

隨著社會經濟的快速發展電力需求急劇增長，電力設備在大負荷、氧化等一系列外部因素的影響下，很容易出現線夾發熱問題。若不加以處理，當接觸面電阻超過某一數值，不僅會對線路的載流量產生很大的影響，還會對電力系統的連接點處產生超值的熱效應，對系統的運行穩定性產生影響。

2.1.1 生產焊接

由于在銅鋁過渡線夾的銅鋁過渡部位焊接方法不當、焊接工藝差等，導致銅鋁接觸面積較小，線夾的通流截面減小，使線夾的溫度上升。

2.1.2 投運過程

在安裝時，如果采用橫向安裝，設備的引線常常與設備有較大的拐角，會因導線的彎曲半徑太小形成發熱點。若壓接導線順序不正確或二次加工時未對接觸面毛刺部位進行處理、導電膏涂抹不均勻，同樣會使有效接觸面積減少，接觸電阻增大。此外，若壓接模具尺寸太大或螺栓松動造成接觸壓力降低，造成導線與線夾接頭的接觸不良，接觸電阻增大[3]。

2.1.3 運行過程

在過渡線夾銅鋁交接界面處，由于空氣中的水分、二氧化碳和其他雜質等因素的影響，容易在金屬表面形成電解質膜層，從而組成銅為正極、鋁為負極的原電池，腐蝕界面連接點導致接觸電阻增加。由于銅、鋁熱膨脹系數差異，在使用過程中經過多次的冷熱循環，會在接觸點上形成很大的空隙，影響接觸面的接觸，接觸電阻增大，導致溫度上升。

2.2 銅鋁過渡線夾斷裂原因

在運行中線夾斷裂常常會給設備和電網帶來危險，特別是在設備的實際使用中，對人身安全有很大的威脅。

2.2.1 產品設計

由于不合理的結構設計，部分銅鋁過渡線夾界面實際接觸面積較小，從而使銅鋁界面負荷強度較低，在受力時容易發生斷裂。另外，由于一些線夾在線夾與外部環境的接觸面上沒有涂敷抗腐蝕材料，在長時間的使用中容易發生氧化和電化學腐蝕。

2.2.2 產品生產

在銅鋁過渡線夾焊接過程中，由于焊接方法不正確，出現虛焊、未焊透、未焊滿等情況，會導致銅鋁復合面積小，界面強度差，在加熱或受力時容易出現焊接處斷裂。如果線夾銅含量不達標，會使線夾的導電性下降，接頭強度降低，從而引起線夾斷裂。如果線夾Pb、Fe、S 等雜質含量超過標準，會在組織中形成夾雜物，破壞晶粒之間的黏結，造成材料的脆性斷裂。

2.2.3 投運過程

在安裝過程中，一些線夾可能會被裝在穿墻的套管上，在斷電維修時，要在此處接通地線，操作人員通常是拉動安裝地線，會造成線夾的損傷。

2.2.4 運維過程

銅與鋁的膨脹系數存在較大的差異，導致線夾發熱時界面附近的銅料會被擠壓，而且在冷卻后無法完全恢復。長期使用后，重復地擠壓會導致接觸面出現很大的空隙，從而影響接觸面積，接觸電阻增大，導致接頭強度下降[4]。由于銅鋁化學活性差異顯著，接觸面發生電化學腐蝕，不僅會導致有效面積減小，電阻率大幅度提高，長期運行會嚴重發熱，發熱使鋁進一步塑性變形，接觸電阻增大，產生惡性循環，接頭最終燒斷。并且腐蝕產物的分子體積明顯增大，會使界面張力急劇增大，增大螺栓斷裂、脫落的可能。此外，張力的增大還會導致界面縫隙進一步加大，更加速了電化學腐蝕反應，形成惡性循環[5]。

銅鋁過渡線夾在運行過程中同時受交變應力與自身重力的影響。交變應力主要為風擺、絞線拉力、電場力。裂紋處長期受到這些力的作用，使接頭缺陷處應力過于集中，從而誘發疲勞開裂，并在荷載作用下逐步擴大，最終造成線夾的整體斷裂[6]。某些區域常年氣候干燥，常年多風，導致線夾的隨風擾動較大。有些區域終年潮濕，導線夾接頭易發生腐蝕，加快了線夾的斷裂。除此之外，工業污染區、沿海地區及沿海工業污染區等具有強烈腐蝕性的環境，容易使線夾氧化，發生電化學腐蝕。

3 典型銅鋁過渡線夾產品可靠性分析

目前市面上廣泛使用的銅鋁過渡線夾主要有閃光焊型、摩擦焊型、釬焊型、爆炸焊型和復合型幾大類。根據各類線夾的優點、缺點、使用情況、成本等對各種銅鋁過渡線夾進行優劣性分析。市面常用銅鋁過渡線夾產品對比分析結果如表1所示。

表1 市面常用銅鋁過渡線夾產品對比分析

從表1可以看出，釬焊型銅鋁過渡線夾為當前使用的主流線夾。較對接型線夾而言，釬焊型線夾沒有像對接型線夾一樣的銅鋁對接焊縫，解決了困擾電網已久的線夾斷裂問題，但是釬焊型線夾具有較高的直阻、較低的載流量、較高的過熱風險、較快的電化學腐蝕速率，在服役過程中易出現線夾發熱和線夾腐蝕等問題。因此，有必要設計一款高可靠性的新型銅鋁過渡線夾產品，彌補市場已有銅鋁過渡線夾的不足，提升電網的運行穩定性和安全性。

4 新型銅鋁過渡線夾

為了解決目前已有銅鋁過渡線夾產品的發熱和斷裂關鍵問題，基于界面復合技術提出一種具有高可靠性的新型銅鋁過渡線夾設計方案，具體制備步驟如下。

一是基于對銅鋁復合鑄造工藝的精準冷卻控制得到復合界面達到冶金結合要求的銅鋁復合棒坯。

二是將銅鋁復合棒坯水平連鑄，進行孔型軋制，經拉撥后對卷料進行鋸切，將銅鋁排鋸切成標準的長度即得到界面復合率高達100%的雙層銅面復合板，作為新型銅鋁過渡線夾的基礎材料。

三是通過車銑工藝去除部分銅鋁復合板的雙層銅面得到裸露的鋁板，對裸露的鋁板進行沖壓成型使其中部形成凹槽用于放置鋁導線，再對裸露的鋁板裁剪、打孔制得鋁基底部分。鋁基底部分中部所開的凹槽的底部距離雙層銅面復合部分端面具有一定距離，防止槽型鋁壓板壓緊對雙層銅面復合部分端面產生沖擊損傷。

四是制備和鋁基底部分凹槽相配合的槽型鋁壓板，通過4 根螺栓壓緊于鋁基底上方，配合使用固定放置在凹槽內的鋁導線。

五是新型銅鋁過渡線夾表面涂防腐蝕涂料。設計的新型銅鋁過渡線夾詳細結構如圖1所示。基于界面復合技術得到的新型銅鋁過渡線夾界面處銅鋁復合率為100%，接觸電阻小，可以有效預防線夾銅鋁駁接界面的斷裂問題和發熱問題。

圖1 新型銅鋁過渡線夾結構示意圖

此外，新型線夾使用的銅鋁復合板抗沖擊能力強，可以適用于各種條件的沖孔、鉆孔、銑孔等操作。配合線夾表面防腐蝕涂料的使用長期運行過程中可以避免電化學腐蝕，從而保證運行過程中的高可靠性。

5 結語

為提高電力設備運行可靠性，對銅鋁過渡線夾的全生命周期損傷機理展開研究，論述市面現有典型銅鋁過渡線夾產品面臨的界面難題，基于界面復合技術提出了一種高可靠性的新型銅鋁過渡線夾設計方案，從結構設計、制備方法、優點分析三個方面詳細介紹了新型線夾。該新型線夾界面銅鋁復合率高達100%，可以有效解決現有銅鋁過渡線夾產品的發熱、斷裂等問題，有效地減少電網對于過渡線夾檢修或更換的成本投入，并且提高電網運行的穩定性。