鄭 研，崔 姝，李 昊，董懿鋒，吳 瓊

(國網(wǎng)大連供電公司，遼寧 大連 116000)

1 概述

銅鋁過渡線夾被廣泛應(yīng)用于輸電架空線路與電纜線路連接點處，由于電纜終端塔等輸電設(shè)備長期暴露于戶外，銅鋁過渡線夾時刻面臨著運行環(huán)境的嚴峻考驗。近年全國輸電設(shè)備銅鋁過渡線夾故障所引發(fā)的問題屢有發(fā)生，2014—2016年，僅大連地區(qū)就發(fā)生多起銅鋁過渡線夾導(dǎo)致的設(shè)備故障。深挖問題根源、根除設(shè)備隱患已成為全面提升輸電設(shè)備運維水平過程中面臨的一大難題。為此，對大連地區(qū)典型故障進行系統(tǒng)分析，提出了若干防范措施，并結(jié)合實際生產(chǎn)情況，自2015年起逐步實施，設(shè)立試點定期檢測，驗證其可行性，旨在從根本上消除設(shè)備隱患，同時降低檢修工作量及事故跳閘率，進一步提升大連地區(qū)乃至全行業(yè)輸電運維檢修水平，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、熱交換器等；但銅是貴重金屬，所有導(dǎo)線都選用銅不現(xiàn)實。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%。在電力運行方面有很多銅與鋁連接的情況，因此出現(xiàn)了銅鋁過渡設(shè)備線夾。

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

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

2014年以前，大連地區(qū)大部分銅鋁過渡線夾多采取銅鋁復(fù)合片(過渡片)，即將銅材和鋁材運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 銅鋁過渡線夾脫落

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

圖1 銅鋁過渡片鈣化面與正常端子對比

2.2 避雷器接點螺栓脫落

理論計算分析和實踐證明，將線路避雷器應(yīng)用到雷電活動強烈、土壤電阻率高、降低接地電阻有困難的線段，可提高線路的耐雷水平[4]。大連66 kV水青左右線根據(jù)上述要求安裝了氧化鋅避雷器。2016年6月30日17時30分，大連66 kV水青右線B相接地，故障原因為B相避雷器引線接點螺絲滑脫，螺紋變形，造成接線端子脫落，引線下滑至塔材上，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

分析銅鋁過渡線夾故障首先要從2種材質(zhì)不同的化學活潑性及電位差入手。而由于二者電位差和化學活潑性的差異，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，為負極，失去電子的物質(zhì)是還原劑。電子通過原電池的負極經(jīng)導(dǎo)線流向正極，在正極上氧化劑得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)。原電池就是通過化學反應(yīng)實現(xiàn)化學能向電能轉(zhuǎn)化的。組成原電池有4個不可缺少的條件：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)進行(至少有1個電極與電解質(zhì)溶液反應(yīng))，以銅鋁為例，當把鋁板和銅板平行放入盛有稀硫酸的燒杯里，用連有電流計的導(dǎo)線連接兩極時，可以觀察到3個重要的現(xiàn)象：鋁片溶解，銅片上有氣體逸出，導(dǎo)線中有電流通過。此外,在鹽溶液中也能發(fā)生原電池反應(yīng)。

透過這些現(xiàn)象，分析兩極反應(yīng)的實質(zhì)，便可理解原電池將化學能轉(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))

鋁離子進入溶液，使得溶液里的正電荷過多；同時鋁失去的電子沿導(dǎo)線經(jīng)電流計流入銅片，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，水在失掉2個氫離子后，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,此時其分散質(zhì)粒子在1～100 nm，分子體積已遠大于Al。

隨后在設(shè)備運行中，接點溫度或環(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，水會以結(jié)晶水的形式存在，導(dǎo)致分子結(jié)構(gòu)進一步膨脹。

此外，如果反應(yīng)過程有其他酸、堿類物質(zhì)參與，表面將會生成相應(yīng)的鋁鹽，分子體積進一步擴大，大部分鋁鹽易結(jié)合水分子生成晶體，進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)，就是我們在接觸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

當銅、鋁導(dǎo)體直接連接時,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,從而形成以鋁為負極、銅為正極的原電池,使鋁產(chǎn)生電化學腐蝕。

反應(yīng)生成物分子體積較原來有明顯增加，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，進一步加速了各類化學反應(yīng)速率，形成惡性循環(huán)。張力過大將極有可能導(dǎo)致緊固螺栓滑絲、斷裂、脫落，加之導(dǎo)線之間會有電動力存在, 根據(jù)導(dǎo)線的排列不同, 電動力振動有脈動振動和簡諧振動,進一步增大了螺栓滑絲、斷裂、脫落的可能性[5]，進而造成如大連220 kV高淮甲線、66 kV水青右線的接點故障。

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。運行中就會引起溫度升高。高溫下腐蝕氧化就會加劇,產(chǎn)生惡性循環(huán),使連接質(zhì)量進一步惡化,最后導(dǎo)致接觸點溫度過高甚至發(fā)生燒毀等事故。

4 防范措施

4.1 嚴把材料質(zhì)量關(guān)

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

4.2 強化施工驗收管理

對于銅鋁過渡線夾，在驗收中可考慮進一步強化檢查力度。如抽取部分線夾打開檢查，查看同批次未使用線夾是否有工藝問題，認真檢查包括銅鋁過渡線夾在內(nèi)的隱蔽工程記錄。通過強化驗收管理，確保設(shè)備無隱患投運，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

4.3 應(yīng)用新材料、新技術(shù)

積極應(yīng)用新技術(shù)、新材料，消除電化學腐蝕的必要條件，進而避免同類故障發(fā)生。國網(wǎng)大連供電公司近年來結(jié)合實際，引入了3M 525BG無溶劑絕緣防腐防水涂料對接點外表面進行密封涂刷。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)避了電化學腐蝕的形成條件，確保設(shè)備安全穩(wěn)定運行。自2015年起，已在大連地區(qū)選擇具有代表性的設(shè)備進行試點，2016年紅外測溫等記錄顯示，設(shè)備運行良好。涂抹無溶劑絕緣防腐防水涂料后接點如圖4所示。

圖4 涂抹無溶劑絕緣防腐防水涂料后接點

5 結(jié)束語

輸電設(shè)備銅鋁過渡線夾的大部分故障原因為接觸面或過渡片發(fā)生原電池反應(yīng)(電化學腐蝕)、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故障的發(fā)生，一方面要嚴把質(zhì)量關(guān)，做好材料、施工、驗收等各個環(huán)節(jié)的管控，同時也應(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，做好日常巡視測溫工作。

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

[2] 董吉諤．電力金具手冊[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．架空輸電線路的導(dǎo)線振動[J]．東北電力技術(shù)，2003,24(5):43-46．

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