0 引言

铜铝过渡线夹广泛用于变电站铝质母线引下线与电气设备铜质出线端子的连接。最常见的线夹连接方式是采取闪光焊的方法将铜板与铝板对焊，由于是铜与铝异种有色金属焊接，如果焊接工艺操作不当，容易在接头处产生焊接缺陷。因铜铝过渡线夹焊接接头缺陷导致的电网事故屡有发生^[1-2]。

蒙西电网某110 kV变电站在运行过程中，1122母联隔离开关U、W相的铜铝过渡线夹发生断裂失效，隔离开关型号为GW4-126ⅡDW；线夹型号为SIG-4，厚度为6 mm。为查明铜铝过渡线夹断裂原因，防止同类故障再次发生，对铜铝过渡线夹进行理化分析。

1 理化分析 1.1 宏观形貌

铜铝过渡线夹断裂于铜材与铝材对接焊缝处，断口齐平，断裂部位未见明显塑性变形，断口及附近区域未见明显机械损伤、腐蚀损伤及电弧灼伤等缺陷。只有约1/6断口区域为新鲜断区，其余部分则为大片未有效熔合的平滑区域和孔洞类焊接缺陷区域，表明焊缝的有效熔合区域面积很小。此外，铜板上的2个螺栓孔偏斜，未位于铜板的长度方向中心线上，如图 1所示。

1.2 微观形貌

利用扫描电子显微镜（SEM）对铜铝过渡线夹断口进行微观形貌分析，如图 2所示。断口上大部分区域为图 2a所示的未有效熔合的光滑区域，该区域已被较厚的氧化层所覆盖。在铜铝有效焊接熔合区域可以观察到清晰、细小、互相平行分布的“海滩状”疲劳辉纹，疲劳条纹数量较多且间隔较小，具有典型的疲劳断裂微观特征。在瞬断区可以观察到较为明显的韧窝状韧性断裂特征，瞬断区所占面积很小，说明线夹承受载荷较小，其疲劳断裂具有较为典型的高周低应力疲劳断裂特征^[3-4]，以此判断线夹在使用过程中不存在承受过度载荷的情况。

1.3 化学成分

对铜铝过渡线夹的铜板和铝板分别取样进行化学成分检测，结果见表 1和表 2。依据GB/T 1196—2008《重熔用铝锭》 ^[5]，铜铝过渡线夹铝板的Al元素质量分数符合标准要求，Cu元素质量分数略高；依据GB/T 5231—2012 《加工铜及铜合金牌号和化学成分》 ^[6]，铜板的化学成分中Cu元素和Ag元素质量分数不足，而Pb、Fe和S等杂质元素质量分数偏高，使铜板电阻增大，影响其导电性能，在通流过程中使线夹温度升高，一定程度上降低了焊接接头的强度。

1.4 金相组织

对铜铝过渡线夹的铜板、铝板及焊接接头分别取样进行金相组织检测，检测结果如图 3所示。铝板组织为退火态的等轴状单相α相，组织分布均匀，未见明显夹杂物等；铜板组织为单相α相，存在较为严重的长条状的夹杂物，局部伴有孪晶组织；焊接接头部分区域铜材与铝材大间隔分离，未有效熔合为一体，形成严重的未熔合及未焊透缺陷区域，在未焊透及未熔合缺陷端部与有效熔合区形成了明显的尖角状过渡区域，这些尖角区域由于其特殊的形貌特征极易成为疲劳开裂的裂纹源^[7]。

2 断裂原因分析

大部分铜铝过渡线夹采用闪光对焊的方法进行焊接。闪光对焊是将2个焊件相对放置、装配成对接接头，接通电源并使其端面局部接触，利用电阻热加热触点（产生闪光），使端面的金属触点熔化，直至端部在一定深度范围内达到预定温度时，迅速施加顶锻力，依靠焊接区金属本身的高温塑性金属的大变形和电阻热，使2个分离表面的金属原子之间接近到晶格距离，形成金属键，在结合面上产生足够量的共同晶粒而得到永久接头。该方法对于铜、铝有色金属异种合金板材的连接是一种经济高效的焊接方法。按照GB/T 2314—2008《电力金具通用技术条件》 ^[8]要求，采用闪光焊接工艺制造的铜铝过渡线夹，铜铝焊接处应能够承受180°弯曲而不发生焊缝断裂。但铜铝闪光焊接工艺参数复杂，各工艺参数相互影响、相互制约，如工艺参数控制不当，则焊接质量难以控制^[9]。

检查断裂的铜铝过渡线夹，铜板与铝板的对接接头断口中铜铝的有效熔合区域大约只占接头截面的1/6，其余截面铜铝未有效熔合，形成了严重的未熔合及未焊透缺陷，不符合DL/T 346—2010 《设备线夹》 ^[10]中“铜铝焊接焊缝应完整”的要求，说明闪光焊接工艺操作不当，导致焊接接头质量不合格。这使得接头的承载能力只有正常承载能力的1/6，既降低了线夹的接头强度，又减小了线夹的通流截面积，远不能满足DL/T 346—2010中“设备线夹所能承受的载流量不应小于被安装导线的载流量”的要求。通流截面积较小，将导致线夹温度升高，降低线夹接头强度，一定程度上降低接头的疲劳抗力^[11-12]。

此外，铜铝过渡线夹中铜材的Cu和Ag质量分数不足，而Pb、Fe和S等杂质元素质量分数超标，在组织中形成较为严重的夹杂物，这些杂质元素及夹杂物的存在既破坏了材料的整体连续性，也增大了铜板的电阻，在通流过程中引起线夹温度升高，进而降低接头部位的强度和疲劳抗力。

从受力角度分析，铜铝过渡线夹在使用过程中一方面要承受引下线重力引起的弯曲应力和拉应力，另一方面还要承受引下线在风动作用下引起的微动疲劳载荷。在上述2种载荷作用下，接头未熔合及未焊透缺陷的尖角区域应力过度集中，引发疲劳开裂，并在载荷作用下逐渐扩展，进而导致线夹整体断裂失效^[13-14]。

3 建议

针对上述问题，建议对同类型的铜铝过渡线夹进行彻底排查，一旦发现存在开裂情况及时更换；新更换的及后续新建、改建或扩建工程中应采用铜铝过渡板或覆铜过渡片，不再使用铜铝对接焊接形式，以保证输变电设备的安全稳定运行。