銅鋁過(guò)渡線(xiàn)夾故障探究與防范

鄭 研，崔 姝，李 昊，董懿鋒，吳 瓊

(國(guó)網(wǎng)大連供電公司，遼寧 大連 116000)

1 概述

銅鋁過(guò)渡線(xiàn)夾被廣泛應(yīng)用于輸電架空線(xiàn)路與電纜線(xiàn)路連接點(diǎn)處，由于電纜終端塔等輸電設(shè)備長(zhǎng)期暴露于戶(hù)外，銅鋁過(guò)渡線(xiàn)夾時(shí)刻面臨著運(yùn)行環(huán)境的嚴(yán)峻考驗(yàn)。近年全國(guó)輸電設(shè)備銅鋁過(guò)渡線(xiàn)夾故障所引發(fā)的問(wèn)題屢有發(fā)生，2014—2016年，僅大連地區(qū)就發(fā)生多起銅鋁過(guò)渡線(xiàn)夾導(dǎo)致的設(shè)備故障。深挖問(wèn)題根源、根除設(shè)備隱患已成為全面提升輸電設(shè)備運(yùn)維水平過(guò)程中面臨的一大難題。為此，對(duì)大連地區(qū)典型故障進(jìn)行系統(tǒng)分析，提出了若干防范措施，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，自2015年起逐步實(shí)施，設(shè)立試點(diǎn)定期檢測(cè)，驗(yàn)證其可行性，旨在從根本上消除設(shè)備隱患，同時(shí)降低檢修工作量及事故跳閘率，進(jìn)一步提升大連地區(qū)乃至全行業(yè)輸電運(yùn)維檢修水平，確保電網(wǎng)穩(wěn)定、設(shè)備安全。

雖然銅有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗腐蝕性能，被大量用作導(dǎo)線(xiàn)、熱交換器等；但銅是貴重金屬，所有導(dǎo)線(xiàn)都選用銅不現(xiàn)實(shí)。經(jīng)研究表明，鋁可以代替銅作為導(dǎo)電材料[1]。性能上，鋁的導(dǎo)電率約為銅的 60%，僅次于金、銀、銅而居第4位；鋁的比重小，約為銅的1/3，綜合考慮，相同的導(dǎo)電需求，鋁的投資比銅少60%～70%。在電力運(yùn)行方面有很多銅與鋁連接的情況，因此出現(xiàn)了銅鋁過(guò)渡設(shè)備線(xiàn)夾。

目前常用的電氣設(shè)備，其出線(xiàn)端子有銅質(zhì)和鋁質(zhì)2類(lèi)，而引出線(xiàn)多為鋁絞線(xiàn)或鋼芯鋁絞線(xiàn)。以輸電架空線(xiàn)路與電纜連接點(diǎn)為例，目前主流的66 kV(110 kV)及以上電壓等級(jí)電力電纜多采用銅作為線(xiàn)芯材料，其出線(xiàn)端子也同樣采用銅作為材料，而架空輸電線(xiàn)路目前常用的引下線(xiàn)為鋼芯鋁絞線(xiàn)，作為二者接點(diǎn)部位，不可避免的涉及到銅鋁過(guò)渡的問(wèn)題。

另外，設(shè)備線(xiàn)夾與電氣設(shè)備連接時(shí)，由于許多設(shè)備出線(xiàn)端子均為銅板，鋁設(shè)備線(xiàn)夾與銅端子連接，出現(xiàn)2種電位差不同的金屬電氣過(guò)渡，在運(yùn)行中易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，所以目前全國(guó)范圍內(nèi)，銅鋁過(guò)渡線(xiàn)夾廣泛應(yīng)用在輸電設(shè)備上[2]。

2014年以前，大連地區(qū)大部分銅鋁過(guò)渡線(xiàn)夾多采取銅鋁復(fù)合片(過(guò)渡片)，即將銅材和鋁材運(yùn)用爆炸焊接及爆炸焊接—軋制的特殊工藝加工復(fù)合而成的一種導(dǎo)體材料[3]。

2 典型故障

2.1 銅鋁過(guò)渡線(xiàn)夾脫落

2014年9月19日，巡視人員在日常巡視過(guò)程中發(fā)現(xiàn)220 kV高淮甲線(xiàn)1號(hào)電纜塔A相子導(dǎo)線(xiàn)與避雷器連接點(diǎn)處情況異常。后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)排查，接點(diǎn)處引線(xiàn)端子2個(gè)緊固螺栓螺桿根部斷裂，引線(xiàn)端子脫落，緊固螺栓上有明顯放電痕跡，端子與銅牌連接處銅鋁過(guò)渡片脫落，表面鈣化嚴(yán)重。銅鋁過(guò)渡片鈣化面與正常端子對(duì)比如圖1 所示。

圖1 銅鋁過(guò)渡片鈣化面與正常端子對(duì)比

2.2 避雷器接點(diǎn)螺栓脫落

理論計(jì)算分析和實(shí)踐證明，將線(xiàn)路避雷器應(yīng)用到雷電活動(dòng)強(qiáng)烈、土壤電阻率高、降低接地電阻有困難的線(xiàn)段，可提高線(xiàn)路的耐雷水平[4]。大連66 kV水青左右線(xiàn)根據(jù)上述要求安裝了氧化鋅避雷器。2016年6月30日17時(shí)30分，大連66 kV水青右線(xiàn)B相接地，故障原因?yàn)锽相避雷器引線(xiàn)接點(diǎn)螺絲滑脫，螺紋變形，造成接線(xiàn)端子脫落，引線(xiàn)下滑至塔材上，導(dǎo)致接地。連接銅牌氧化情況如圖2所示。

圖2 連接銅牌氧化情況

3 原因分析

分析銅鋁過(guò)渡線(xiàn)夾故障首先要從2種材質(zhì)不同的化學(xué)活潑性及電位差入手。而由于二者電位差和化學(xué)活潑性的差異，加之空氣和水的參與，發(fā)生了原電池反應(yīng)。

原電池反應(yīng)實(shí)質(zhì)是一種氧化還原反應(yīng)。發(fā)生氧化反應(yīng)的一極上有電子流出，為負(fù)極，失去電子的物質(zhì)是還原劑。電子通過(guò)原電池的負(fù)極經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)流向正極，在正極上氧化劑得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)。原電池就是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)化學(xué)能向電能轉(zhuǎn)化的。組成原電池有4個(gè)不可缺少的條件：2種活潑性不同的金屬(或另一種為非金屬導(dǎo)體)構(gòu)成電極、電解質(zhì)溶液及形成閉合回路。

氧化還原反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行(至少有1個(gè)電極與電解質(zhì)溶液反應(yīng))，以銅鋁為例，當(dāng)把鋁板和銅板平行放入盛有稀硫酸的燒杯里，用連有電流計(jì)的導(dǎo)線(xiàn)連接兩極時(shí)，可以觀(guān)察到3個(gè)重要的現(xiàn)象：鋁片溶解，銅片上有氣體逸出，導(dǎo)線(xiàn)中有電流通過(guò)。此外,在鹽溶液中也能發(fā)生原電池反應(yīng)。

透過(guò)這些現(xiàn)象，分析兩極反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，便可理解原電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的原理。鋁是活潑金屬，容易失去電子變?yōu)殇X離子。鋁電極發(fā)生的電極反應(yīng)式為

鋁片：Al-3e-=Al3+(氧化反應(yīng))

鋁離子進(jìn)入溶液，使得溶液里的正電荷過(guò)多；同時(shí)鋁失去的電子沿導(dǎo)線(xiàn)經(jīng)電流計(jì)流入銅片，使溶液里原有的氫離子在銅電極上被還原成氫原子，這樣溶液中多余的正電荷就被中和；氫原子又結(jié)合成氫分子并放出。銅電極發(fā)生的電極反應(yīng)式為

2H++2e-=H2↑(還原反應(yīng))

與此同時(shí)，水在失掉2個(gè)氫離子后，在氧氣的作用下，產(chǎn)生氫氧根，即

O2+2H2O+4e-=4OH-

而后，OH-與Al3+結(jié)合，生成以膠體狀態(tài)存在的Al(OH)3,此時(shí)其分散質(zhì)粒子在1～100 nm，分子體積已遠(yuǎn)大于Al。

隨后在設(shè)備運(yùn)行中，接點(diǎn)溫度或環(huán)境溫度一旦升高，則Al(OH)3遇熱分解為Al2O3和H2O，而多數(shù)情況下，水會(huì)以結(jié)晶水的形式存在，導(dǎo)致分子結(jié)構(gòu)進(jìn)一步膨脹。

此外，如果反應(yīng)過(guò)程有其他酸、堿類(lèi)物質(zhì)參與，表面將會(huì)生成相應(yīng)的鋁鹽，分子體積進(jìn)一步擴(kuò)大，大部分鋁鹽易結(jié)合水分子生成晶體，進(jìn)一步加大了分子體積。而以上所提到的氧化鋁晶體、鋁鹽、氫氧化鋁等，均為白色粉末狀或成片鈣化狀物質(zhì)，就是我們?cè)诮佑|面上看到的白色鈣化層。氧化鋁、氫氧化鋁、鋁鹽所形成的鈣化層如圖3所示。

圖3 氧化鋁、氫氧化鋁、鋁鹽所形成的鈣化層

當(dāng)銅、鋁導(dǎo)體直接連接時(shí),這2種金屬的接觸面在空氣中水分、二氧化碳和其他雜質(zhì)的作用下極易形成電解液,從而形成以鋁為負(fù)極、銅為正極的原電池,使鋁產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。

反應(yīng)生成物分子體積較原來(lái)有明顯增加，原有界面張力隨之急劇增大，導(dǎo)致界面縫隙加大，與空氣及酸堿鹽雜質(zhì)接觸增加，進(jìn)一步加速了各類(lèi)化學(xué)反應(yīng)速率，形成惡性循環(huán)。張力過(guò)大將極有可能導(dǎo)致緊固螺栓滑絲、斷裂、脫落，加之導(dǎo)線(xiàn)之間會(huì)有電動(dòng)力存在, 根據(jù)導(dǎo)線(xiàn)的排列不同, 電動(dòng)力振動(dòng)有脈動(dòng)振動(dòng)和簡(jiǎn)諧振動(dòng),進(jìn)一步增大了螺栓滑絲、斷裂、脫落的可能性[5]，進(jìn)而造成如大連220 kV高淮甲線(xiàn)、66 kV水青右線(xiàn)的接點(diǎn)故障。

除此之外，接觸面大量雜質(zhì)的形成，造成銅、鋁連接處的接觸電阻增大，接觸面減小。運(yùn)行中就會(huì)引起溫度升高。高溫下腐蝕氧化就會(huì)加劇,產(chǎn)生惡性循環(huán),使連接質(zhì)量進(jìn)一步惡化,最后導(dǎo)致接觸點(diǎn)溫度過(guò)高甚至發(fā)生燒毀等事故。

4 防范措施

4.1 嚴(yán)把材料質(zhì)量關(guān)

銅鋁過(guò)渡線(xiàn)夾的關(guān)鍵工藝在于焊接，如果焊接工藝不達(dá)標(biāo)，過(guò)渡片部位存在縫隙，形成原電池結(jié)構(gòu)是不可避免的。只有嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，加強(qiáng)工廠(chǎng)監(jiān)造，施工前到貨檢查，讓設(shè)備各個(gè)環(huán)節(jié)合格、達(dá)標(biāo)、在控，規(guī)避一切可能產(chǎn)生原電池反應(yīng)的條件，才能從源頭杜絕類(lèi)似故障的發(fā)生。

4.2 強(qiáng)化施工驗(yàn)收管理

對(duì)于銅鋁過(guò)渡線(xiàn)夾，在驗(yàn)收中可考慮進(jìn)一步強(qiáng)化檢查力度。如抽取部分線(xiàn)夾打開(kāi)檢查，查看同批次未使用線(xiàn)夾是否有工藝問(wèn)題，認(rèn)真檢查包括銅鋁過(guò)渡線(xiàn)夾在內(nèi)的隱蔽工程記錄。通過(guò)強(qiáng)化驗(yàn)收管理，確保設(shè)備無(wú)隱患投運(yùn)，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4.3 應(yīng)用新材料、新技術(shù)

積極應(yīng)用新技術(shù)、新材料，消除電化學(xué)腐蝕的必要條件，進(jìn)而避免同類(lèi)故障發(fā)生。國(guó)網(wǎng)大連供電公司近年來(lái)結(jié)合實(shí)際，引入了3M 525BG無(wú)溶劑絕緣防腐防水涂料對(duì)接點(diǎn)外表面進(jìn)行密封涂刷。該涂料密封性能良好，抗老化，防水防腐能力優(yōu)越，能夠徹底隔絕接觸面與空氣、水的接觸，從根本上規(guī)避了電化學(xué)腐蝕的形成條件，確保設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。自2015年起，已在大連地區(qū)選擇具有代表性的設(shè)備進(jìn)行試點(diǎn)，2016年紅外測(cè)溫等記錄顯示，設(shè)備運(yùn)行良好。涂抹無(wú)溶劑絕緣防腐防水涂料后接點(diǎn)如圖4所示。

圖4 涂抹無(wú)溶劑絕緣防腐防水涂料后接點(diǎn)

5 結(jié)束語(yǔ)

輸電設(shè)備銅鋁過(guò)渡線(xiàn)夾的大部分故障原因?yàn)榻佑|面或過(guò)渡片發(fā)生原電池反應(yīng)(電化學(xué)腐蝕)、氧化還原反應(yīng)所致，導(dǎo)致反應(yīng)形成的原因很多，包含材料質(zhì)量、焊接工藝、施工工藝、工況環(huán)境等多方面因素，想要從根本上防范此類(lèi)故障的發(fā)生，一方面要嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，做好材料、施工、驗(yàn)收等各個(gè)環(huán)節(jié)的管控，同時(shí)也應(yīng)積極應(yīng)用新技術(shù)、新材料規(guī)避反應(yīng)發(fā)生的必要條件，做好日常巡視測(cè)溫工作。

[1] 河北工學(xué)院金工教研室.電氣工程中鋁銅焊接技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1978:11-12.

[2] 董吉諤．電力金具手冊(cè)[M].北京：水利水電出版社,1987:5-6.

[3] 莫熙永．變電站電力金具選型探討[J]．東北電力技術(shù)，2005,26(7):26-29．

[4] 唐校友．架空輸電線(xiàn)路的導(dǎo)線(xiàn)振動(dòng)[J]．東北電力技術(shù)，2003,24(5):43-46．

[5] 左來(lái)明,張凌云．高壓輸電線(xiàn)路綜合防雷技術(shù)研究[J]．東北電力技術(shù)，2007,28(2):12-15．