接触网隔离开关用铜铝过渡方案研究

DOI ：10.19587/ki.1007-936x.2020z2.012
接触网隔离开关用铜铝过渡方案研究
袁 远，刘玉辉，王玉环，孙健翔，邢 彤
摘 要：铜铝过渡线夹是接触网隔离开关铜端子与供电引线连接常用的过渡金具，关乎着接触网安全、稳定运
行。

但现有闪光焊、摩擦焊焊接的铜铝过渡线夹在使用时常出现断裂失效等故障，本文分析其失效主要是由电化学腐蚀、生产质量、受力条件、热膨胀系数等多方面因素造成，同时对比分析了镀锡处理、铜铝过渡板、钎焊铜铝过渡线夹和导电膏等铜铝过渡方案，其中铜铝过渡板为较理想的解决方案，为接触网隔离开关铜铝过渡方案的选择提供了指导性意见。

关键词：铜铝过渡；电化学腐蚀；铜铝过渡板
Abstract: Copper aluminum transition clamp is a common transition fitting for connecting copper terminal of OCL
disconnector and power supply lead, and is related to the safe and stable operation of catenary. However, fracture failures are frequently occurred on the existing copper aluminum transition clamps welded by flash welding and friction welding, in this paper, conclusions are obtained through analysis that the failures are mainly caused by electrochemical corrosion, production quality, stress conditions, thermal expansion coefficient and other factors, at the same time,comparisons and analysis are made for the copper aluminum transition schemes such as tin plating, copper aluminum transition plate, brazing copper aluminum transition clamp and conductive paste, among which, the scheme with adoption of copper aluminum transition plate is an ideal solution, and is able to provide guidance for the selection of copper aluminum transition scheme of OCL disconnectors.
Key words: copper/aluminum transition, electrochemical corrosion, copper/aluminum transition plate
中图分类号：U225.4+5 文献标识码：
B 文章编号：1007-936X (2020)z2-0054-04
0 引言
接触网隔离开关是牵引供电系统中的关键设备之一，根据我国高速铁路设计规范要求，在供电线上网点、电分相等场所需设置接触网隔离开关，其作用是连通或切断接触网供电分段间的电路，同时可以实现单、双边供电的切换，提高供电灵活性。

在接触网检修过程中，通过隔离开关可缩小停电范围，满足检修需求。

为实现供电引线与隔离开关接线端子连接，通常采用过渡金具，其质量优劣直接影响接触网能否安全、稳定运行。

铁总工电[2018]138号《接触网电动隔离开关及控制装置暂行技术条件》要求[1]：“开关刀闸及接线端子为铜镀银”，因此接线端子必须使用铜材质。

接触网供电引线使用的是铝包钢芯铝绞线，在与铜端子进行连接时，为防止铜铝电
54 作者简介：袁 远，孙健翔.中国铁道科学研究院集团有限公司，工程师；
刘玉辉.中国国家铁路集团有限公司工电部，高级工程师； 王玉环.中铁第一勘察设计院集团有限公司，正高级工程师；
邢 彤.中国铁道科学研究院集团有限公司，高级工程师。

化学腐蚀，常使用铜铝过渡线夹。

目前，铜铝过渡线夹多使用闪光焊、摩擦焊等焊接方法进行生产，在实际使用过程中，已多次发生线夹腐蚀、断裂，造成接触网设备损坏、断电等事故。

因此，有必要对隔离开关铜铝过渡方案进行研究。

1 铜铝过渡线夹断裂原因分析
对于闪光焊、摩擦焊生产的铜铝过渡线夹出现腐蚀、断裂等失效形式，其主要原因为电化学腐蚀、生产质量、受力条件、膨胀系数等因素影响。

1.1 电化学腐蚀
铜、铝为两种不同金属，25 ℃下铜的标准电极电位为+0.337～+0.521 V ，铝的标准电极电位为-1.66 V [2]，
可见铜铝之间存在较大的电位差。

当铜、铝两种材质的导体直接连接时，由于铝电极电位较低，易失去电子成为负极，铜标准电极电位高，难以失去电子成为正极，于是在正负极之间就形成了电势。

同时在水、二氧化碳和其他杂质的共同作用下形成电解液，这就构成了电化学腐蚀的环境条件。

产生电化学腐蚀后，铝材料逐渐被腐蚀，其机械强度和导电性迅速降低，引起铜铝之间接触不
良，接触电阻增大。

当有电流通过时，将使接头部位温度升高，而温度升高又加速了腐蚀速度，增大了接触电阻，造成恶性循环，直至腐蚀失效。

1.2 生产质量问题
厂家在焊接前，如果对铜铝表面处理不到位，如去除氧化膜、除油、除锈等工序未能处理到位，焊接时容易产生气孔、焊渣等。

同时铜铝过渡线夹的焊接属于异种金属焊接，熔点相差较大，进行闪光焊及摩擦焊时，如果焊接温度过高，易导致熔点较低的铝溶蚀，且接头内部容易生成脆性物质；焊接温度低，则不能使两种金属形成充分的“熔池”并进行扩散，影响焊接接头结晶行为，造成微观结构不均匀，且容易形成裂纹等肉眼不可辨识的焊接缺陷。

因此，闪光焊及摩擦焊均易造成线夹焊接接头处耐腐蚀性及强度不足。

1.3 受力条件
在服役过程中，铜铝过渡线夹会受附加导线重力引起的弯曲应力和拉伸应力的影响，同时也会受到风力荷载作用，导致工作力矩作用于结合力较差的铜铝过渡线夹焊接面，会在焊接面产生应力集中并形成裂纹源，在应力作用下裂纹不断扩展。

特别是在风载较大处，由于附加导线随风摆动幅度较大，以及受自身重力应力的影响，导致线夹受到交变应力较大，加速了线夹的裂纹扩展速度，缩短了线夹使用寿命。

1.4 膨胀系数
由于铜的热膨胀系数为0.000 016 7，铝的热膨胀系数为0.000 023 6[2]，两种金属膨胀系数相差较大，在隔离开关合闸状态下，通过焦耳效应作用产生发热，铜铝过渡线夹受热胀作用，在焊接面形成一定应力，造成组织热应力损伤。

在长时间运行中，多次冷热不均变化后，容易使焊接面产生间隙，从而影响接触面积，造成接触不良，增大接触电阻，导致运行中局部温度升高，在热疲劳的作用下最终导致线夹烧损。

2 铜铝过渡方案探究
从以上的铜铝过渡线夹断裂原因分析中可以得出，由于铜铝属于异种金属，在进行铜端子和供电引线连接时，首先应避免出现电化学腐蚀，同时结构型式上也应尽量避免力学不利情况。

现对几种替代闪光焊和摩擦焊铜铝过渡线夹方案进行探讨。

2.1 镀锡处理
根据GB/T 25840-2010《规定电气设备部件（特
别是接线端子）允许温升的导则》的规定[3]，为避
免不同金属间的电化学腐蚀，应选择合适的金属组
合，其电势差应低于350 mV，且越低越好。

根据
表1可知，铜铝之间的电势差为580 mV，远高于
标准中的规定，可以考虑进行镀层处理，避免铜铝
两种金属直接接触。

常见的镀层处理有镀银、镀锡、
镀镍、镀锌等表面处理方法。

由表1可知，铜-银、
铜-镍之间的电势差分别为190和40 mV，不会发
生电化学腐蚀，但是若将铝质设备线夹直接与镀银
端子或镀镍端子连接，银-铝之间的电势差达到770
mV，铝-镍之间的电势差达到630 mV，均远超标
准规定，将导致严重的电化学腐蚀，因此镀银、镀
镍方案不合适。

同理，铜-锌之间的电势差为920
mV，因此在铜端子上不能进行镀锌处理。

若在铜
铝之间采用锡层过渡，铜-锡之间的电势差为260
mV，铝-锡之间电势差为300 mV，满足规定要求。

表1双金属结合处形成的电势差mV
铜锡铝锌
银190 470 770 1
100 镍40 320 630 960
铜0 260 580 920
锡—0 300 640
除考虑避免发生电化学腐蚀外，还需考虑镀层
对接触电阻的影响。

接触电阻的计算式如式（1）
所示。

可以看到接触电阻R c除与接触压力F、表
面比电阻σ0有关外，触头材料的电阻常数k1、k2
对接触电阻值影响较大。

R c = k1F-0.6 + k2σ0F-1（1）
表2给出了清洁表面状态下触头材料的电阻
常数，可以得知，与裸铜及镀银铜相比，在铜表面
进行镀锡处理拥有较低的接触电阻，在使用过程中
可有效降低温升，延长使用寿命。

表2触头电阻常数的典型值
金属集中电阻k1/×10-6薄膜电阻k2/×106
铜90 247 镀银铜88 225 镀锡铜57 22.5 镀层厚度是影响镀层质量的关键性指标之一，
由于锡质地较软，在实际施工中易造成镀层损伤，
若镀层太薄，易将铜基体裸露出来，不能起到很好
的防护效果。

按照GB/T 12599-2002《金属覆盖层
锡电镀层技术规范和试验方法》规定[4]，户外环境
条件下铜表面镀锡层厚度不小于15 μm；铝表面需
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先进行镀铜处理，再进行镀锡处理，镀铜层厚度为10～25 μm ，镀锡层厚度不小于20 μm 。

目前，已有部分厂家在铜铝过渡处理时，采用镀锡方案，但镀锡层厚度仅为12 μm ，仅满足GB/T 12599-2002中一定潮湿条件下户内使用要求。

在长时间户外条件下使用，受酸雨等环境的影响，镀锡层缓慢溶解，直至镀层丧失，因此镀层厚度应严格按照标准规定执行。

2.2 铜铝过渡板
铜铝过渡板是一种铜铝复合材料，具有导电性强、导热性良好、耐腐蚀等特点，如图1所示。

目前，该过渡板主要采用连续半熔态轧制复合方法制造，在其一面或两面连续复合一定厚度铜及铜合金板带，铜铝界面处发生铜原子与铝原子相互扩散，铜铝结合界面为冶金结合。

该材料具有良好的机电性能，在温度变化范围-50～130 ℃、循环 1 000次时，铜铝剥离强度仍能达到12 N/mm ，具有良好的热稳定性[5]。

图1 铜铝过渡板
铜铝过渡板引用标准GB/T 32468-2015《铜铝复合板带》中铜基体有T2铜及H68黄体，铝基层有5种牌号，分别为1050、1060、1100、3003、8011[5]。

考虑到铜铝过渡板在本方案中主要是利用其电学性能，因此选择铜基为T2铜，铝基为牌号1050、1060的工业纯铝，其满足铝含量高于99.5%规定。

工业纯铝拥有较高的耐蚀性，在大气使用环境下，不需要遮蔽、涂抹保护涂层及保养，仍能保持光亮的金属外观。

2.3 钎焊铜铝过渡线夹
钎焊铜铝过渡线夹是采用钎焊剂在铝母材上钎焊一块薄铜片，使铝板和铜片结合为一体，如图2所示。

由于钎焊料熔点较低，将焊料融化后润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散实现连接焊接。

在焊接状态良好的情况下，接头结合牢固，机械强度高，导电性良好。

但是由于钎焊焊剂耐腐蚀性不强，在沿海及酸雨污染区，容易在焊缝处形成腐蚀，同时在应力的作用下形成应力腐蚀，造成裂纹及腐蚀不断扩展，加速线夹断裂。

图2 钎焊铜铝过渡线夹
2.4 导电膏
导电膏又称电力复合脂，是一种新型电工材料，是以矿物油、合成脂类油、硅油作基础油，加入导电、抗氧、抗腐、抑弧等特殊添加剂，经研磨、分散、改性精制而成的软状膏体，主要利用其隧道效应而导电[6]。

当导电膏涂于接触面时，导电膏中的锌、镍、铬等细粒填充在接触面的缝隙中，等同于增大了导电接触面，金属细粒在压缩力或螺栓紧固力作用下，能破碎接触面上金属氧化层，使接触电阻下降。

同时导电膏可以对连接点处起油封作用，减少空气氧化和腐蚀性气体、尘埃、水分对导电体的腐蚀，提高电接触的可靠性。

但是导电膏并不是良导体，其导电性由“隧道效应”实现，涂抹太厚反而会适得其反，导致接触
电阻增大，温升增大。

另外，导电膏的使用寿命较短，容易受热流失变干或者金属粒子被氧化而失效，增加了维护保养的难度。

综合上述讨论的4种铜铝过渡方案，可以看出：对铜端子进行镀锡处理虽然可以解决铜铝过渡问题，但是受酸雨等环境的影响，镀锡层厚度逐渐减薄甚至露铜，将直接影响隔离开关的使用寿命，且更换时需将隔离开关拆开，较为繁琐，耗时也较长；钎焊铜铝过渡线夹易受应力腐蚀开裂，接触电阻增大，长时间使用后存在安全隐患；导电膏寿命较短，不利于后期维护保养，且部分铁路局已禁止其户外使用；使用铜铝过渡板是较为理想的解决方案，可以方便地在运行维护中进行观察和更换，一旦铜铝过渡板发生故障，可以在较短时间内完成维修、更换，无需对铜端子和线夹进行重新处理。

3 结语
综上，闪光焊、摩擦焊铜铝过渡线夹失效主要是由于电化学腐蚀、生产质量、受力条件、热膨胀
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系数等多方面因素造成，通过对镀锡处理、铜铝过渡板、钎焊铜铝过渡线夹和导电膏4种铜铝过渡方案的分析，得出铜铝过渡板是较为理想的解决方案，为接触网隔离开关铜铝过渡方案的选择提供了指导性意见。

参考文献：
[1] 中国铁路总公司. 铁总工电[2018]138号 接触网电动隔离开关及控制装置暂行技术条件[S].
[2] 莫熙永. 变电站电力金具选型探讨[J]. 东北电力技术，2005，26（7）：26-29.
[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家
标准化管理委员会. GB/T 25840-2010 规定电气设备部件（特别是接线端子）允许温升的导则[S]. 北京：中国标准出版社，2011.
[4] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. GB/T 12599-2002 金属覆盖层 锡电镀层 技术规范和试验方法[S]. 北京：中国标准出版社，2004. [5] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. GB/T 32468-2015 铜铝复合板带[S]. 北京：中国标准出版社，2016.
[6] 国家能源局. DL/T 373-2010 电力复合脂技术条件[S]. 北京：中国电力出版社，2010.
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图6 视频巡检效果
4 结语
本文介绍了基于BIM 的牵引供电SCADA 系统可视化技术方案，方案融合了遥视与BIM 模型的一体化展示，可及时展示各类设备的三维模型，在选择某一设备时，可以按BIM 模型方式进行展示，对于室内或地下可以进行虚拟化三维场景展示，实现对设备全方位的可视展现。

该方案以BIM 技术为核心，与SCADA 系统的四遥功能进行深度融合，充分利用BIM 模型空间定位和数据信息结合的特点，对变电所真实场景进行精确复刻、实景重构，在传统SCADA 系统的基础上，为调度员掌握变电所运行状态提供了更加多元的信息，也对以后其他项目开展SCADA 可视化研究提供借鉴。

参考文献：
[1] 李钦，罗远峰. 基于BIM 的可视化运维系统应用研究[J].山西建筑，2016，42（27）：223-224.
[2] 李少伟. BIM 提升运维管理的研究[J]. 山西建筑，2015，41（21）：238-240.
[3] 王婷，肖莉萍. 基于BIM 的工程运营管理信息系统架构研究[J]. 建筑经济，2015，36（5）：107-109.
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