分享某500kV变电站隔离开关软连接失效

摘要:某kV变电站投运仅1a,其水平折臂式隔离开关的软连接最外层铜箔发生了断裂而失效,通过宏观观察、化学成分分析、力学性能试验和断口分析等方法,分析了铜箔断裂的原因。结果表明:铜箔与铜板过渡位置被压裂,铜箔硬度高,抗拉强度高,延伸率低,韧性差,隔离开关工作中软连接需要反复折弯,最终导致铜箔断裂,而使软连接失效。

关键词:隔离开关;铜箔;软连接;失效分析

中图分类号:TG14文献标志码:B文章编号:-()11--03

变电站高压隔离开关的结构相对简单,制造过程中常常不受重视,质量难以保证[1-2]。某kV变电站内西门子TR53-MM31型隔离开关投运仅1a,其软连接最外层铜箔出现断裂,该软连接是用多片镀锡T2紫铜箔叠加两端压焊而成,如图1所示。由于折臂式隔离开关弯折位置为滑动接触,不能保证其导电性,需要安装铜箔软连接保证通流和弯折,其断裂会对电网的安全运行构成威胁[3-6]。

为找出铜箔断裂的原因,笔者对断裂软连接铜箔进行了宏观观察、化学成分分析、力学性能试验、扫描电镜和能谱分析。目前铜箔软连接暂无国家标准参照,通过对铜箔软连接断裂的原因进行分析、讨论,以期为厂家的规范生产提供借鉴。

1理化检验

1.1宏观观察

软连接铜箔压焊位置螺栓紧固侧焊有铜板,压焊后部件整体镀锡,压焊位置钻有螺栓孔,软连接示意见图2。铜箔软连接安装于户外,因此投运1a后镀锡层呈暗灰色。

软连接单层铜箔设计厚度为0.1mm,镀锡层厚度为20μm,实测镀锡铜箔厚度为0.14~0.15mm。铜在大气环境中很容易发生腐蚀,该断裂铜箔表面镀锡层均匀,无划伤、起皮等缺陷。断口附近暗绿色附着物为铜箔断裂后铜被大气腐蚀所致,因此可排除铜箔镀锡层不合格导致的断裂。折臂式隔离开关执行动作时,软连接需要反复弯折。断裂铜箔均处于软连接外侧,外侧铜箔在工作中长期受拉应力,断裂处位于铜板与铜箔连接的过渡位置,此次事故共有4个断裂样品,样品最外层铜箔均已完全断裂,见图3。

使用ZEISSSmartZoom5型体视显微镜对断裂软连接侧面进行观察。由图4可见,铜板与多片铜箔压焊侧面外观紧密,未发现开裂等缺陷。

由于压焊过程中,要对组合焊件施加一定的压力,为防止铜箔压裂,与铜箔过渡位置处的铜板设计了倒角,倒角是为了保证铜板过渡位置光滑,同时去除机加工过程中产生的毛刺。进一步放大观察断裂软连接侧面,发现失效样品倒角尺寸并不均匀,所有样品铜板靠铜箔侧倒角都有不同程度的向外菱角,见图5。倒角不均匀易导致压焊过程中铜箔表面产生划伤、压裂等缺陷。

如图5d)所示,其第二片铜箔也发生开裂。软连接铜箔表面均镀锡,铜箔断裂后镀锡层在潮湿环境中与大气发生反应,断口已无金属光泽,铜箔断裂后暴露于大气环境中,并且断裂位于软连接下侧,铜易被大气腐蚀,因此断口表面附着厚实的暗绿色腐蚀产物。

1.2化学成分分析

按照设计要求,软连接用铜箔材料为T2紫铜。用角磨机和砂纸轻微打磨铜箔和铜板表面,去除镀锡层,采用电火花光谱仪对铜箔、铜板进行化学成分检测。由表1可见,铜箔、铜板的化学成分均满足标准GB/T-《加工铜及铜合金牌号和化学成分》对T2紫铜的要求。可排除因铜箔化学成分不合格导致的断裂。

1.3力学性能试验

根据设计要求,镀锡铜箔需为1/4硬(Y4)状态,其抗拉强度为~MPa,伸长率不小于25%,维氏硬度为60~90HV。

按标准GB/T.1-《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》规定,开展拉伸试验,结果见表2,可知断裂铜箔的抗拉强度和断后伸长率均不符合设计要求。

采用BuehlerVH型显微硬度计对断裂铜箔表面进行显微硬度测试,测试载荷为0.98N,保荷为10s,按标准GB/T.1-《金属材料维氏硬度试验第1部分:试验方法》,开展维氏硬度试验。由表3可见,该铜箔硬度较高。

软连接是由铜板与多片铜箔压焊而成,铜箔硬度高,韧性差,易在压焊位置产生裂纹。并且软连接在工作中需反复弯折,铜箔韧性差,反复弯折后易开裂。

1.4扫描电镜及能谱分析

用扫描电镜对铜箔断口进行观察,如图6所示,可见断口较疏松,存在大量絮状腐蚀产物,断口未见裂纹、韧窝、光亮断面等断口特征。铜箔断裂后,断口暴露于大气环境中,很容易被腐蚀。通过能谱分析,检测到断口表面主要含碳、氧元素,推测是受大气腐蚀而产生的腐蚀产物

2结论及建议

(1)失效软连接为铜板与多片铜箔压焊而成,铜板倒角尺寸不均匀,两者压焊加工时,在外力作用下,铜箔与铜板过渡位置产生压裂。同时,铜箔硬度高,抗拉强度高,延伸率低,韧性差,隔离开关工作中软连接需要反复折弯,最终导致铜箔断裂,而使软连接失效。

(2)建议选用韧性较好的T2紫铜箔制作软连接,对新的铜箔软连接外层铜箔表面进行渗透检测。

参考文献:

[1]钟振蛟.户外隔离开关机械故障的起因及预防[J].高压电器,,42(6):-.

[2]胡红光.隔离开关触头结构与发热原因分析[J].高电压技术,,27(5):72-75.

[3]崔景春,袁大陆,宋杲.高压隔离开关运行分析及其完善化[J].电器工业,(2):51-56.

[4]盛明学,王志清.户外高压隔离开关常见故障的原因分析与处理[J].高压电器,,46(10):93-96.

[5]丁昌国.隔离开关存在的问题及改进措施[J].吉林电力,,32(6):55-56.

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文章来源材料与测试网期刊论文理化检验－物理分册57卷11期(pp:30-32)