摘 要:某500kV變電站投運僅1a,其水平折臂式隔離開關(guān)的軟連接最外層銅箔發(fā)生了斷裂 而失效,通過宏觀觀察、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗和斷口分析等方法,分析了銅箔斷裂的原因。 結(jié)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(guān)工作 中軟連接需要反復(fù)折彎,最終導(dǎo)致銅箔斷裂,而使軟連接失效。
關(guān)鍵詞:隔離開關(guān);銅箔;軟連接;失效分析
中圖分類號:TG14 文獻標(biāo)志碼:B 文章編號:1001-4012(2021)11-0030-03
變電站高壓隔離開關(guān)的結(jié)構(gòu)相對簡單,制造過 程中常常不受重視,質(zhì)量難以保證[1-2]。某500kV 變電站內(nèi)西門子 TR53-MM31型隔離開關(guān)投運僅 1a,其軟連接最外層銅箔出現(xiàn)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(guān)彎折位置為滑動接觸,不 能保證其導(dǎo)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(wǎng)的安全運行構(gòu)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(xué)成分分析、力學(xué)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(biāo) 準(zhǔn)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(guī)范生產(chǎn)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(cè)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(shè)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(huán)境中很容易發(fā)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(dǎo)致的斷裂。折臂式隔離開關(guān) 執(zhí)行動作時,軟連接需要反復(fù)彎折。斷裂銅箔均處于 軟連接外側(cè),外側(cè)銅箔在工作中長期受拉應(yīng)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(cè)面進行觀察。由圖4可見,銅板與多片銅 箔壓焊側(cè)面外觀緊密,未發(fā)現(xiàn)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(shè)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(chǎn)生的毛刺。進一步放大觀察斷裂 軟連接側(cè)面,發(fā)現(xiàn)失效樣品倒角尺寸并不均勻,所有樣品銅板靠銅箔側(cè)倒角都有不同程度的向外菱角, 見圖5。倒角不均勻易導(dǎo)致壓焊過程中銅箔表面產(chǎn) 生劃傷、壓裂等缺陷。
如圖5d)所示,其第二片銅箔也發(fā)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(huán)境中與 大氣發(fā)生反應(yīng),斷口已無金屬光澤,銅箔斷裂后暴露于 大氣環(huán)境中,并且斷裂位于軟連接下側(cè),銅易被大氣腐 蝕,因此斷口表面附著厚實的暗綠色腐蝕產(chǎn)物。
1.2 化學(xué)成分分析
按照設(shè)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(xué)成分 檢測。由表1可見,銅箔、銅板的化學(xué)成分均滿足標(biāo) 準(zhǔn)GB/T5231-2012《加工銅及銅合金牌號和化學(xué) 成分》對 T2紫銅的要求?？膳懦蜚~箔化學(xué)成分 不合格導(dǎo)致的斷裂。
1.3 力學(xué)性能試驗
根據(jù)設(shè)計要求,鍍錫銅箔需為1/4硬(Y4)狀 態(tài),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(biāo)準(zhǔn) GB/T228.1-2010《金屬材料 拉伸試 驗第1部分:室溫試驗方法》規(guī)定,開展拉伸試驗,結(jié) 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(shè)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(biāo)準(zhǔn) 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(chǎn)生裂紋。并且軟連接 在工作中需反復(fù)彎折,銅箔韌性差,反復(fù)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(chǎn)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(huán)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(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物
2 結(jié)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(chǎn)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(guān)工作中 軟連接需要反復(fù)折彎,最終導(dǎo)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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