摘 要:某500kV變電站投運僅1a,其水平折臂式隔離開關的軟連接最外層銅箔發生了斷裂 而失效,通過宏觀觀察、化學成分分析、力學性能試驗和斷口分析等方法,分析了銅箔斷裂的原因。 結果表明:銅箔與銅板過渡位置被壓裂,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。
關鍵詞:隔離開關;銅箔;軟連接;失效分析
中圖分類號:TG14 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2021)11-0030-03
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500kV 變電站內西門子 TR53-MM31型隔離開關投運僅 1a,其軟連接最外層銅箔出現斷裂,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]。
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1a后 鍍錫層呈暗灰色。
軟連接單層銅箔設計厚度為0.1mm,鍍錫層厚 度為20μm,實測鍍錫銅箔厚度為0.14~0.15mm。 銅在大氣環境中很容易發生腐蝕,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。
使用ZEISSSmartZoom5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,未發現開裂等缺陷。
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,發現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。
如圖5d)所示,其第二片銅箔也發生開裂。軟連接 銅箔表面均鍍錫,銅箔斷裂后鍍錫層在潮濕環境中與 大氣發生反應,斷口已無金屬光澤,銅箔斷裂后暴露于 大氣環境中,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/T5231-2012《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。
1.3 力學性能試驗
根據設計要求,鍍錫銅箔需為1/4硬(Y4)狀 態,其抗拉強度為215~275 MPa,伸長率不小于25%,維氏硬度為60~90HV。
按標準 GB/T228.1-2010《金屬材料 拉伸試 驗第1部分:室溫試驗方法》規定,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。
采用BuehlerVH1102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0.98N,保 荷為10s,按標準 GB/T4340.1-2009《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。
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
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。
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