基于界面复合技术的新型铜铝过渡线夹设计研究

广东电网有限责任公司广州供电局 杨帆 方健 刘振东 华南理工大学电力学院 刘桑瑜 广东技术师范大学自动化学院 王鹏宇

1 引言

随着我国经济的快速发展，供电量需求不断提升，对电力设备的运行可靠性要求越来越高[1]。但是电力设备更新换代周期较长，且随着投运年限的增加，电网负荷还在随之增加，电力设备面临的高可靠性挑战越来越严峻。

电力连接金具作为保障电网电能传输的关键部件，是设备与导线连接的端子，在承担电能输送功能的同时承载一定机械荷载[2]。电力连接金具的可靠性直接决定了电能输送线路的运行稳定性，进而影响电网的稳定性和安全性。铜铝过渡线夹不仅具有铜导电性优良的特点，同时具备铝的耐腐蚀、经济、质量轻等优点。但是由于铜铝过渡线夹发热以及断裂所导致的电力连接金具故障失效。因此提出一种具有高可靠性的新型铜铝过渡线夹设计方案，本文基于全生命周期的铜铝过渡线夹损伤机理分析，讨论市场现有典型铜铝过渡线夹产品的可靠性和面临的技术难题，进而提出一种基于界面复合技术的新型铜铝过渡线夹设计方案，并从制备方法、结构等方面分析了此种线夹的可靠性和优越性。

2 基于全生命周期的铜铝过渡线夹损伤机理分析

铜铝过渡线夹在运行过程中存在发热和断裂问题，本章从发热、断裂两方面对目前市面上典型的铜铝过渡线夹进行失效机理分析。

2.1 铜铝过渡线夹发热损伤

随着社会经济的快速发展电力需求急剧增长，电力设备在大负荷、氧化等一系列外部因素的影响下，很容易出现线夹发热问题。若不加以处理，当接触面电阻超过某一数值，不仅会对线路的载流量产生很大的影响，还会对电力系统的连接点处产生超值的热效应，对系统的运行稳定性产生影响。

2.1.1 生产焊接

由于在铜铝过渡线夹的铜铝过渡部位焊接方法不当、焊接工艺差等，导致铜铝接触面积较小，线夹的通流截面减小，使线夹的温度上升。

2.1.2 投运过程

在安装时，如果采用横向安装，设备的引线常常与设备有较大的拐角，会因导线的弯曲半径太小形成发热点。若压接导线顺序不正确或二次加工时未对接触面毛刺部位进行处理、导电膏涂抹不均匀，同样会使有效接触面积减少，接触电阻增大。此外，若压接模具尺寸太大或螺栓松动造成接触压力降低，造成导线与线夹接头的接触不良，接触电阻增大[3]。

2.1.3 运行过程

在过渡线夹铜铝交接界面处，由于空气中的水分、二氧化碳和其他杂质等因素的影响，容易在金属表面形成电解质膜层，从而组成铜为正极、铝为负极的原电池，腐蚀界面连接点导致接触电阻增加。由于铜、铝热膨胀系数差异，在使用过程中经过多次的冷热循环，会在接触点上形成很大的空隙，影响接触面的接触，接触电阻增大，导致温度上升。

2.2 铜铝过渡线夹断裂原因

在运行中线夹断裂常常会给设备和电网带来危险，特别是在设备的实际使用中，对人身安全有很大的威胁。

2.2.1 产品设计

由于不合理的结构设计，部分铜铝过渡线夹界面实际接触面积较小，从而使铜铝界面负荷强度较低，在受力时容易发生断裂。另外，由于一些线夹在线夹与外部环境的接触面上没有涂敷抗腐蚀材料，在长时间的使用中容易发生氧化和电化学腐蚀。

2.2.2 产品生产

在铜铝过渡线夹焊接过程中，由于焊接方法不正确，出现虚焊、未焊透、未焊满等情况，会导致铜铝复合面积小，界面强度差，在加热或受力时容易出现焊接处断裂。如果线夹铜含量不达标，会使线夹的导电性下降，接头强度降低，从而引起线夹断裂。如果线夹Pb、Fe、S 等杂质含量超过标准，会在组织中形成夹杂物，破坏晶粒之间的黏结，造成材料的脆性断裂。

2.2.3 投运过程

在安装过程中，一些线夹可能会被装在穿墙的套管上，在断电维修时，要在此处接通地线，操作人员通常是拉动安装地线，会造成线夹的损伤。

2.2.4 运维过程

铜与铝的膨胀系数存在较大的差异，导致线夹发热时界面附近的铜料会被挤压，而且在冷却后无法完全恢复。长期使用后，重复地挤压会导致接触面出现很大的空隙，从而影响接触面积，接触电阻增大，导致接头强度下降[4]。由于铜铝化学活性差异显著，接触面发生电化学腐蚀，不仅会导致有效面积减小，电阻率大幅度提高，长期运行会严重发热，发热使铝进一步塑性变形，接触电阻增大，产生恶性循环，接头最终烧断。并且腐蚀产物的分子体积明显增大，会使界面张力急剧增大，增大螺栓断裂、脱落的可能。此外，张力的增大还会导致界面缝隙进一步加大，更加速了电化学腐蚀反应，形成恶性循环[5]。

铜铝过渡线夹在运行过程中同时受交变应力与自身重力的影响。交变应力主要为风摆、绞线拉力、电场力。裂纹处长期受到这些力的作用，使接头缺陷处应力过于集中，从而诱发疲劳开裂，并在荷载作用下逐步扩大，最终造成线夹的整体断裂[6]。某些区域常年气候干燥，常年多风，导致线夹的随风扰动较大。有些区域终年潮湿，导线夹接头易发生腐蚀，加快了线夹的断裂。除此之外，工业污染区、沿海地区及沿海工业污染区等具有强烈腐蚀性的环境，容易使线夹氧化，发生电化学腐蚀。

3 典型铜铝过渡线夹产品可靠性分析

目前市面上广泛使用的铜铝过渡线夹主要有闪光焊型、摩擦焊型、钎焊型、爆炸焊型和复合型几大类。根据各类线夹的优点、缺点、使用情况、成本等对各种铜铝过渡线夹进行优劣性分析。市面常用铜铝过渡线夹产品对比分析结果如表1所示。

表1 市面常用铜铝过渡线夹产品对比分析

从表1可以看出，钎焊型铜铝过渡线夹为当前使用的主流线夹。较对接型线夹而言，钎焊型线夹没有像对接型线夹一样的铜铝对接焊缝，解决了困扰电网已久的线夹断裂问题，但是钎焊型线夹具有较高的直阻、较低的载流量、较高的过热风险、较快的电化学腐蚀速率，在服役过程中易出现线夹发热和线夹腐蚀等问题。因此，有必要设计一款高可靠性的新型铜铝过渡线夹产品，弥补市场已有铜铝过渡线夹的不足，提升电网的运行稳定性和安全性。

4 新型铜铝过渡线夹

为了解决目前已有铜铝过渡线夹产品的发热和断裂关键问题，基于界面复合技术提出一种具有高可靠性的新型铜铝过渡线夹设计方案，具体制备步骤如下。

一是基于对铜铝复合铸造工艺的精准冷却控制得到复合界面达到冶金结合要求的铜铝复合棒坯。

二是将铜铝复合棒坯水平连铸，进行孔型轧制，经拉拨后对卷料进行锯切，将铜铝排锯切成标准的长度即得到界面复合率高达100%的双层铜面复合板，作为新型铜铝过渡线夹的基础材料。

三是通过车铣工艺去除部分铜铝复合板的双层铜面得到裸露的铝板，对裸露的铝板进行冲压成型使其中部形成凹槽用于放置铝导线，再对裸露的铝板裁剪、打孔制得铝基底部分。铝基底部分中部所开的凹槽的底部距离双层铜面复合部分端面具有一定距离，防止槽型铝压板压紧对双层铜面复合部分端面产生冲击损伤。

四是制备和铝基底部分凹槽相配合的槽型铝压板，通过4 根螺栓压紧于铝基底上方，配合使用固定放置在凹槽内的铝导线。

五是新型铜铝过渡线夹表面涂防腐蚀涂料。设计的新型铜铝过渡线夹详细结构如图1所示。基于界面复合技术得到的新型铜铝过渡线夹界面处铜铝复合率为100%，接触电阻小，可以有效预防线夹铜铝驳接界面的断裂问题和发热问题。

图1 新型铜铝过渡线夹结构示意图

此外，新型线夹使用的铜铝复合板抗冲击能力强，可以适用于各种条件的冲孔、钻孔、铣孔等操作。配合线夹表面防腐蚀涂料的使用长期运行过程中可以避免电化学腐蚀，从而保证运行过程中的高可靠性。

5 结语

为提高电力设备运行可靠性，对铜铝过渡线夹的全生命周期损伤机理展开研究，论述市面现有典型铜铝过渡线夹产品面临的界面难题，基于界面复合技术提出了一种高可靠性的新型铜铝过渡线夹设计方案，从结构设计、制备方法、优点分析三个方面详细介绍了新型线夹。该新型线夹界面铜铝复合率高达100%，可以有效解决现有铜铝过渡线夹产品的发热、断裂等问题，有效地减少电网对于过渡线夹检修或更换的成本投入，并且提高电网运行的稳定性。