许宏伟, 虞鸿江, 杨迎春, 周静波, 陈国坤

(云南电网有限责任公司电力科学研究院, 昆明 650217)

电网设备线夹主要用于变电站母线引下线与电气设备(如变压器、断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、穿墙套管等)的出线端子接续，是母线引下线与电气设备及电气设备之间连接用的金具[1-2]。随着电网的快速发展，高压输电线路越来越密集，线夹的使用数量也越来越多，该部件的质量关系着电网运行的安全、稳定。设备线夹由紧固绞线部分和与电气设备相连部分组成，前者为压盖和线槽结构或管状结构，后者为与电气设备通过螺栓紧固连接的平板式端子板结构[3-4]，典型形貌如图1所示。接线管一般采用工业纯铝热轧制造，端子板采用铸造铝合金制造，两者之间连接方式为焊接。线夹仅承受自身和部分导线重力，一般不会出现应力过大现象。

图1 设备线夹宏观形貌Fig.1 Macro morphology of terminal connector

在实际生产中，受加工成本、生产进度要求和人员技能水平不均等因素的影响，铝合金设备线夹的端子板铸件容易产生铸造缺陷，端子板和接线管之间的焊缝容易出现未熔合、未焊透等焊接缺陷[5-8]。这些缺陷不仅增加了电力输送过程中的电能损失，还大大降低了线夹的强度和承载能力，使得设备线夹在运行过程中产生裂纹甚至开裂，严重影响其使用寿命[9-10]。因此，开展线夹的失效分析对于电网的安全与稳定运行具有重要意义。

某公司设备巡维过程中发现，在低温、湿润环境地区使用的压缩型设备线夹在运行1～3 a(年)后发生批次开裂的情况，为探究失效原因和机理，笔者进行了一系列检验与分析，提出了相应治理措施，并针对所提治理措施进行试验验证，以期为防止同类型设备线夹开裂提供帮助。

1 理化检验

1.1 宏观观察

对开裂线夹进行宏观观察，可见设备线夹连接管与端子板之间的焊缝开裂，开裂部位位于焊缝中部，如图2所示。测得环焊缝周长为238 mm，表面裂纹长度为133 mm，裂纹长度占整条焊缝长度的55%以上。设备线夹靠近焊缝位置的连接管存在膨胀变形现象，分别对接线管距焊缝0，10，20，30 mm位置的外径进行测量，结果如表1所示。可见接线管外径超过设计值，外径最大的超过设计值4.62 mm。

图2 开裂设备线夹宏观形貌Fig.2 Macro morphology of cracked terminal connector

表1 开裂设备线夹连接管外径测量结果Tab.1 Measurement results of external diameter of connecting pipe of cracked terminal connector mm

将焊缝未开裂部位沿接线管轴线纵向剖开，可观察到接线管焊缝处存在未熔合、未焊透等缺陷，如图3所示。接线管壁厚10 mm，测得未熔合宽度最大为7.9 mm，达到理想熔合线3/4以上；未焊透宽度为2.9 mm，超过接线管壁厚1/4，焊缝的有效连接严重不足，不满足DL/T 768.6-2002 《电力金具制造质量 焊接件》的技术要求。

图3 开裂设备线夹焊缝截面图Fig.3 Weld cross section diagram of cracked terminal connector

1.2 无损检测

对设备线夹的开裂焊缝进行X射线检测，结果如图4所示。可见设备线夹焊缝存在裂纹，接线管内导线末端与底部距离27 mm，在线夹底部形成空腔。

图4 开裂设备线夹X射线检测图像Fig.4 X-ray examination image of cracked terminal connector

1.3 化学成分分析

设备线夹的端子板材料为1070铝合金，接线管材料为1050A铝合金，对其进行化学成分分析，结果如表2所示。可见端子板和接线管的化学成分符合GB/T 3190-2008《变形铝及铝合金化学成分》的技术要求。

表2 开裂设备线夹的化学成分分析结果(质量分数)Tab.2 Chemical composition analysis results of cracked terminal connector (mass fraction) %

1.4 力学性能测试

在图1所示设备线夹的端子板平板和接线管管壁中截取矩形拉伸试样进行室温拉伸试验，试样长度为20 mm，平行长度为12 mm，平行长度部分截面尺寸为10 mm×4 mm，试验结果如表3所示。可见端子板的抗拉强度满足GB/T 3880.2-2012《一般工业用铝及铝合金板、带材 第2部分:力学性能》对1070铝合金的技术要求,接线管的抗拉强度同样满足GB/T 4437.1-2015 《铝及铝合金热挤压管 第1部分：无缝圆管》对1050A铝合金的技术要求。

表3 设备线夹的抗拉强度测试结果Tab.3 Tensile strength test results of terminal connector MPa

1.5 断口分析

在裂纹尚未贯穿焊缝的位置截取试样并进行观察，可见裂纹开口朝向接线管内部，由内向外扩展至焊缝表面，说明断裂是由内部开始产生然后逐渐向表面扩展，如图5所示。

图5 开裂设备线夹裂纹宏观形貌Fig.5 Macro morphology of crack of cracked terminal connector

对接线管侧焊缝的裂纹表面进行宏观观察，可见靠接线管内壁存在未焊透区，最大宽度为3.6 mm，约占总厚度的1/3，如图6所示。

图6 开裂设备线夹断口宏观形貌Fig.6 Macro morphology of fracture of cracked terminal connector

1.6 进水性模拟试验

因靠近焊缝的接线管存在膨胀变形现象，怀疑内部有积水结冰膨胀的情况。将设备线夹沿焊缝根部截断进行进水性模拟试验，如图7所示。可见水可由线夹顶部流到下端，表明设备线夹在运行过程中，雨水可通过压接部位进入线夹内部。

图7 进水性模拟试验Fig.7 Water inflow simulation test

选取4个未开裂的线夹，在靠近焊缝位置的接线管处打孔并灌水，测量所得积水体积分别为105，203，236,177 mL，积水量均大于100 mL。

1.7 冷冻模拟试验

在靠近焊缝位置的接线管处打孔，线夹充满水后在大气环境试验室内进行RT(室温)～-20 ℃的冷冻模拟试验。线夹经7次冷冻模拟循环试验后于焊缝处出现长度为108 mm的裂纹，接线管明显膨胀变形，形态与该变电站开裂线夹的一致，如图8所示。

图8 冷冻模拟试验开裂线夹形貌Fig.8 Morphology of cracked terminal connector in freezing simulation test

1.8 有限元模拟

使用ABAQUS软件对设备线夹建立有限元模型，设置未熔合缺陷，并在积水空间内施加30 MPa的膨胀应力进行有限元分析。计算所用铝合金材料的抗拉强度为75 MPa，弹性模量为70 GPa，切变模量为26 GPa，泊松比为0.36，计算结果如图9所示。可知应力最大的部位为焊缝根部，应力值最大位置与未熔合缺陷位置一致。

图9 设备线夹应力分布有限元模拟结果Fig.9 Finite element simulation results of stress distribution of terminal connector

2 分析与讨论

综合以上试验，开裂设备线夹化学成分及抗拉强度均符合标准的技术要求。线夹焊缝存在未熔合及未焊透缺陷，焊缝质量不符合设计要求。接线管底部存在积水空间，未采用避免积水的结构和措施，雨水可在自然条件下流入积水空间内，积水在低温条件下结冰膨胀，在焊缝位置产生较大的应力，使线夹沿焊缝未焊透、未熔合缺陷等薄弱部位因过载产生裂纹并逐渐扩展，最终导致线夹在焊缝处产生贯穿性裂纹。

因此，可以从加强线夹质量管控和避免产生积水两个方面着手，解决该类线夹开裂的问题。

3 改善措施

3.1 线夹质量管控措施

选型阶段选择结构形式符合国家、行业标准的变电金具，低温湿润地区的设备线夹应优先选用整体铸造型设备线夹。

制造、安装阶段严格按国家、行业、企业标准进行到货抽检，保证变电金具的产品质量符合要求。设备线夹到货抽检中应有数字X射线检测项目，以检查设备线夹是否存在未熔合及未焊透缺陷。

运行及维护阶段采用60倍望远镜对变电站焊接设备线夹焊缝部位进行检查，及时发现压接管的结冰膨胀现象和焊缝部位的裂纹缺陷。

3.2 线夹防积水措施

3.2.1 力学性能评价

抽取3对设备线夹，在设备线夹积水部位开φ6 mm的泄水孔。经握力试验，设备线夹满足GB/T 2314-2008《电力金具通用技术条件》和GB/T 2317.4-2008《电力金具试验方法 第4部分：验收规则》的技术要求。继续加载设备线夹直至其被破坏，发现破坏的部位在焊缝处，而不在开孔部位。因此，在设备线夹积水部位开φ6 mm的泄水孔后，设备线夹的力学性能满足标准和设计要求。

3.2.2 载流性能评价

在设备线夹积水部位开φ6 mm的泄水孔并进行大电流温升试验，记录线夹和导线的最高温度。导线通过电流为1 500 A，当通电30 min时，线夹温度(21 ℃)低于导线温度(41 ℃)；当通电60 min时，线夹温度(25 ℃)低于导线温度(45 ℃)，通电60 min后设备线夹和导线的温度如图10所示。因此对线夹进行开孔处理后，不会引起线夹的整体发热，也不会影响线夹的通流能力。

图10 通电60 min后设备线夹和导线的温度分布Fig.10 Temperature distribution of a) terminal connector and b) conductor after power on 60 min

4 结论及建议

设备线夹焊缝处存在焊接缺陷，导致焊缝强度下降；设备线夹接线管底部存在积水空间，寒冷天气下积水结冰，体积膨胀，使焊缝承受超出设计工况的外力，造成了线夹焊缝的开裂。由于线夹开裂为一个发生、扩展、开裂的渐变过程，因此建议在运维过程中通过20～60倍的高倍望远镜检查设备线夹是否开裂及接线管是否明显膨胀变形，通过在线夹积水部位开泄水孔可有效防止设备线夹因积水结冰导致的开裂和膨胀变形。经试验验证，在设备线夹积水部位开φ6 mm泄水孔，线夹力学性能及电流承载性能仍能满足要求。