銅鋁過渡線夾故障探究與防范

鄭 研，崔 姝，李 昊，董懿鋒，吳 瓊

(國網大連供電公司，遼寧 大連 116000)

1 概述

銅鋁過渡線夾被廣泛應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備長期暴露于戶外，銅鋁過渡線夾時刻面臨著運行環境的嚴峻考驗。近年全國輸電設備銅鋁過渡線夾故障所引發的問題屢有發生，2014—2016年，僅大連地區就發生多起銅鋁過渡線夾導致的設備故障。深挖問題根源、根除設備隱患已成為全面提升輸電設備運維水平過程中面臨的一大難題。為此，對大連地區典型故障進行系統分析，提出了若干防范措施，并結合實際生產情況，自2015年起逐步實施，設立試點定期檢測，驗證其可行性，旨在從根本上消除設備隱患，同時降低檢修工作量及事故跳閘率，進一步提升大連地區乃至全行業輸電運維檢修水平，確保電網穩定、設備安全。

雖然銅有良好的導電性、導熱性和抗腐蝕性能，被大量用作導線、熱交換器等；但銅是貴重金屬，所有導線都選用銅不現實。經研究表明，鋁可以代替銅作為導電材料[1]。性能上，鋁的導電率約為銅的 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，因此出現了銅鋁過渡設備線夾。

目前常用的電氣設備，其出線端子有銅質和鋁質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，設備線夾與電氣設備連接時，由于許多設備出線端子均為銅板，鋁設備線夾與銅端子連接，出現2種電位差不同的金屬電氣過渡，在運行中易產生電化學腐蝕，所以目前全國范圍內，銅鋁過渡線夾廣泛應用在輸電設備上[2]。

2014年以前，大連地區大部分銅鋁過渡線夾多采取銅鋁復合片(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合而成的一種導體材料[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現220 kV高淮甲線1號電纜塔A相子導線與避雷器連接點處情況異常。后經現場排查，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，發生了原電池反應。

原電池反應實質是一種氧化還原反應。發生氧化反應的一極上有電子流出，為負極，失去電子的物質是還原劑。電子通過原電池的負極經導線流向正極，在正極上氧化劑得到電子，發生還原反應。原電池就是通過化學反應實現化學能向電能轉化的。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體)構成電極、電解質溶液及形成閉合回路。

氧化還原反應能自發進行(至少有1個電極與電解質溶液反應)，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，用連有電流計的導線連接兩極時，可以觀察到3個重要的現象：鋁片溶解，銅片上有氣體逸出，導線中有電流通過。此外,在鹽溶液中也能發生原電池反應。

透過這些現象，分析兩極反應的實質，便可理解原電池將化學能轉化為電能的原理。鋁是活潑金屬，容易失去電子變為鋁離子。鋁電極發生的電極反應式為

鋁片：Al-3e-=Al3+(氧化反應)

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線經電流計流入銅片，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；氫原子又結合成氫分子并放出。銅電極發生的電極反應式為

2H++2e-=H2↑(還原反應)

與此同時，水在失掉2個氫離子后，在氧氣的作用下，產生氫氧根，即

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

而后，OH-與Al3+結合，生成以膠體狀態存在的Al(OH)3,此時其分散質粒子在1～100 nm，分子體積已遠大于Al。

隨后在設備運行中，接點溫度或環境溫度一旦升高，則Al(OH)3遇熱分解為Al2O3和H2O，而多數情況下，水會以結晶水的形式存在，導致分子結構進一步膨脹。

此外，如果反應過程有其他酸、堿類物質參與，表面將會生成相應的鋁鹽，分子體積進一步擴大，大部分鋁鹽易結合水分子生成晶體，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，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,使鋁產生電化學腐蝕。

反應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，導致界面縫隙加大，與空氣及酸堿鹽雜質接觸增加，進一步加速了各類化學反應速率，形成惡性循環。張力過大將極有可能導致緊固螺栓滑絲、斷裂、脫落，加之導線之間會有電動力存在, 根據導線的排列不同, 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,產生惡性循環,使連接質量進一步惡化,最后導致接觸點溫度過高甚至發生燒毀等事故。

4 防范措施

4.1 嚴把材料質量關

銅鋁過渡線夾的關鍵工藝在于焊接，如果焊接工藝不達標，過渡片部位存在縫隙，形成原電池結構是不可避免的。只有嚴把質量關，加強工廠監造，施工前到貨檢查，讓設備各個環節合格、達標、在控，規避一切可能產生原電池反應的條件，才能從源頭杜絕類似故障的發生。

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的隱蔽工程記錄。通過強化驗收管理，確保設備無隱患投運，保障電網安全穩定運行。

4.3 應用新材料、新技術

積極應用新技術、新材料，消除電化學腐蝕的必要條件，進而避免同類故障發生。國網大連供電公司近年來結合實際，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，防水防腐能力優越，能夠徹底隔絕接觸面與空氣、水的接觸，從根本上規避了電化學腐蝕的形成條件，確保設備安全穩定運行。自2015年起，已在大連地區選擇具有代表性的設備進行試點，2016年紅外測溫等記錄顯示，設備運行良好。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 結束語

輸電設備銅鋁過渡線夾的大部分故障原因為接觸面或過渡片發生原電池反應(電化學腐蝕)、氧化還原反應所致，導致反應形成的原因很多，包含材料質量、焊接工藝、施工工藝、工況環境等多方面因素，想要從根本上防范此類故障的發生，一方面要嚴把質量關，做好材料、施工、驗收等各個環節的管控，同時也應積極應用新技術、新材料規避反應發生的必要條件，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[M].北京：機械工業出版社,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，2005,26(7):26-29．

[4] 唐校友．架空輸電線路的導線振動[J]．東北電力技術，2003,24(5):43-46．

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