变电站设备线夹失效原因分析与预防措施

变电站设备线夹失效原因分析与预防措施

何军1王谦君2何天磊3

（1.国网安徽省电力公司电力科学研究院安徽合肥230601；

2.神皖池州九华发电有限公司安徽池州247100；3.中电华创电力技术研究有限公司江苏苏州215000）

摘要：本文通过对变电站设备线夹开裂、发热、腐蚀等失效进行分析，分析其产生的主要原因，并就主要的失效形式提出预防措施，避免类似事故的发生。

关键词：变电站；电力设备；线夹；断裂分析；预防措施

0引言

设备线夹是母线引下线与电气设备及电气设备之间连接用的金具[1]。连接在导线与电气设备及电气设备之间，用于传送电力负荷[8]，是设备连接的重要部件。设备线夹由紧固绞线部分和与电气设备相连部分组成，与电气设备连接为端子板结构，与导线连接为压盖和线槽结构或管型结构[1]。220kV以上设备线夹广泛采用管型结构。由于电力网是由若干电气设备组合而成，设备之间的相互连接显得非常重要，设备线夹是承载负荷电流的关键部位，设备线夹的好坏直接影响设备的安全性和可靠性。受设备线夹的材料、加工工艺、运行环境等因素的影响，可能出现开裂、发热、腐蚀等早期失效，极大地影响设备的安全可靠运行。

1设备线夹开裂失效

1.1工艺不良

某1000kV变电站在2016年开展年检工作中，发现发现2号主变中压侧套管A相南北侧、C相南北侧共4只铜铝过渡线夹开裂，见图1；线夹为型号SYG-1600NA的钎焊型铜铝过渡线夹，服役两年多。A相线夹未发现排水孔，C相线夹有排水孔但位置不对，B相线夹底部打有排水孔。2号主变主变中压侧C相套管线夹管出现鼓肚开裂现象。对发生鼓肚开裂的设备线夹进行解剖后发现设备线夹焊接质量不佳、存在严重的焊接缺陷是此次套管线夹开裂的内因；施工单位未按照要求施工，钢芯铝绞线末端未插入线夹底部，未对线夹打排水孔导致线夹进水结冰产生膨胀应力是引起开裂的外力因素；而线夹挂点与中压套管水平距离较长引起的外加结构应力则加剧了线夹的开裂。按照钢芯铝绞线的压接工艺要求，在压接导线前，应在线夹接线管底部提前打好渗水孔，且确保渗水孔位置合理，以便进水能及时排出，导线也要插入线夹最底部，不能留有间隙[2]。

1.2铸造工艺不当

某500kV变电站在设备测温时发现设备线夹发热，进一步检查发现该线夹断裂。为分析设备线夹断裂原因，对更换下来的设备线夹进行了宏观检查、光谱分析、金相试验、显微硬度试验、室温拉升试验[3]，从检查发现，设备线夹为整体铸造，由于铸造工艺采用不当，使得设备线夹接线板与线夹集合处表面和内部都存在较多缩孔、缩松等铸造缺陷[3]。如图2所示。

由于设备线夹内部缺陷的存在，降低了设备线夹的力学性能，运行过程中在外力的作用下产生裂纹，并发生断裂失效[3]。

1.3焊接缺陷

某变电站发生PT引流线夹断裂失效事件，线夹断裂造成A、B相短路，设备损坏。该PT引流线夹为螺栓型对接式铜铝过渡设备线夹，采用闪光焊接技术进行铜铝搭接对焊，引流线为钢芯铝绞线。通过对断口形貌宏观分析、微观成分分析、金相分析等，发现线夹断裂的主要原因为铜铝焊接时产生夹渣、未熔合等焊接缺陷。如图3所示。

包含缺陷的设备线夹长期在外力作用下，在焊接缺陷处萌生微裂纹，微裂纹在外力长期作用下逐步扩展，使得设备线夹的有效承载面积不断减小，在突遇较大外力时，最终因有效承载力不足，导致设备线夹断裂破坏。

2设备线夹发热失效

变电站一次设备线夹的相互接触处由于各种因素的影响，势必存在着接触电阻，当电力负荷增大，就使得流过线夹处的电流增大，导致发热，造成设备故障。在对线夹连接处进行检测过程中，发现线夹和导线的连接处发热情况最为严重。主要问题有：设备线夹与导线的异常磨损，设备线夹处的变形，设备线夹开裂，设备线夹腐蚀，设备线夹安装不当等等，使得设备线夹与导线连接处接触电阻增加，在载流负荷较大的情况下，造成发热现象，最终导致线夹的损坏。

3设备线夹腐蚀失效

某220kV变电站主变220kV侧B相引线在运行过程中发生铜铝过渡设备线夹断裂，如图4所示。观察发生断裂的设备线夹断口，发现其表面覆盖有浅绿色及黑色物质，根据铜铝过渡线夹两侧材质的化学特性分析此两种物质应为铜及铝的腐蚀产物。

该铜铝过渡设备线夹铜铝采用摩擦（闪光）焊接，断裂发生在熔合线上，铜铝两侧的断面均有浅绿色及黑色附着物，铝侧部分区域被融化，断面存在气孔、边缘未熔合缺陷。摩擦（闪光）焊接的铜铝过渡设备线夹，在长期服役过程中腐蚀性介质沿开口的边缘未熔合处进入焊缝熔合线形成缝隙腐蚀，铝材会发生优先腐蚀。本次失效的设备线夹断口附着物颜色变化规律及断口形貌表明该线夹发生了电化学腐蚀，腐蚀沿熔合线从外向内发展，最终使得有效承载面积不足发生断裂。

铜和铝的化学特性不同，铜为2价元素，铝为3价元素，若线夹表面存在缺陷时，在遇到空气湿度较大或大气污染严重地区使用，将发生电解，使铝腐蚀。

4预防措施

4.1严把设计及验收关

在设备投运以前要严把设备线夹的设计及验收关，要严格审查设备线夹的选型是否符合要求，避免不符合要求以及不合格的设备线夹投入运行，力求在设备投运以前解决问题。根据现场实际情况选用型号匹配的合格产品，使得所选用的型号能达到设计要求。对于设备线夹，应积极选用先进焊接工艺的铜铝过渡线夹。

4.2接触面采用防氧化或腐蚀措施

由于空气中的水分、灰尘及其他化学物质存在物体表面存在，在导体表面会形成氧化膜，使得氧化处的电阻增加。连接设备时，为了防止表面发生氧化，可在其接触面镀上不易氧化的材料作为防护层，从而来降低接触电阻，或在处理过程中优先选用导电膏，从而消除金属表面的各种氧化膜层，这样能更好的起到防氧化作用，使接触电阻显著降低。同时还可以阻止氧气、水分和其他腐蚀介质侵入接触区域，降低接触处的电化学腐蚀。而且涂抹导电膏后，接触面的全部空隙被导电膏填满，从而很大程度上扩大了实际有效接触面积，起到了降低接触电阻作用。

4.3加强设备线夹的检验

针对设备线夹应加强质量抽检工作，包括外观、成分、性能焊接缺陷等，对于连接部位应加强螺栓大小的选择、接触面、紧固力、使用材料等方面检查，防止伪劣产品的使用，造成安全隐患，最终引起线夹的断裂。DL/T346-2010规定“铜铝焊接焊缝应完整，无气孔和裂纹，侧面错边不应超过2.0mm，厚度错边不应超过0.5mm[1]。铜铝焊接处在弯曲180º时，焊缝不应断裂[1]。采用闪光焊、摩擦焊的铜铝过渡线件，其焊缝在300º时不应开裂，钎焊焊缝在350º时不应开裂”[1]。铝与铜的焊接属于异种金属焊接，铝的熔点比铜约低一倍，铜、铝的膨胀系数不同，铝的热膨胀系数比铜高36%，铝易氧化等等，造成铜铝焊接难度大，极易产生气孔、夹渣、裂纹、未焊透等缺陷，必须加强检验力度，确保产品质量。

4.4使用新型的铜铝过渡线夹，逐步更换老式线夹

由于摩擦（闪光）焊接铜铝过渡设备线夹焊接工艺难以控制，焊接缺陷多，已逐步危害到电网的安全运行，在操作中容易发生断裂，还有可能引发人身安全事故。因此，对老式设备线夹进行淘汰势在必行。根据相关要求，新更换的铜铝过渡设备线夹不得使用闪光焊和摩擦焊对接式线夹，建议采用钎焊或爆炸焊接工艺的铜铝过渡设备线夹。采用老式设备线夹多为老旧变电站，且该类变电站往往在电网中扮演比较重要的角色，重要用户多，负荷较重，停电困难；其次，关键位置线夹的更换多涉及母线停电，如果集中进行大规模更换，势必造成部分地区在一段时间内电网高风险运行，因此必须采取有计划的逐步更换，加强日常巡视监控，确保电网安全运行。

4.5严格控制安装工艺

在施工过程中，应严格控制安装工艺，严把施工质量关。要严格制定一套设备线夹安装技术规范，并按照安装技术规范的要求严格执行，设备线夹大小要与导线配套，选用线夹等金具时要选用优质可靠的产品。在安装过程中，根据连接点的类型制定不同的安装技术规范。特别注意铜铝设备线夹的安装顺序，避免因安装顺序错误而引起设备线夹焊接而损伤，造成安全隐患，最终引起线夹的断裂。

4.6加强设备巡视

在设备的运行过程中，运维值班人员应加强设备各个连接部位接头的巡视工作，借助望远镜和远红外测温仪观察设备线夹的运行状态[7]，对同一批次出现故障的设备线夹作为重点观察对象，不能留下盲区和死角，对于发现的设备线夹及接头处出现发热等现象要及时登记，并及时消缺，确保设备的连接可靠。

参考文献

[1]DL/T346-2010设备线夹.

[2]吕楠，赵汝国，一起设备线夹开裂缺陷的分析处理，电力安全技术，2014,16（4）,44-45.

[3]卢振宇，李文胜，何凤生，500kV变电站SSY型设备线夹断裂分析，广东电力，2015，28（3）76-81.

作者简介

何军（1963-），男，安徽巢湖人，高级工程师，硕士，主要从事金属材料研究工作。