摘 要:内蒙古高寒地区某１１０kV 高压输电线路架空地线发生断裂.通过宏观分析、断口分 析、金相检验、力学性能试验、接续管压接质量检验等方法对架空地线的断裂原因进行了分析.结 果表明:架空地线钢丝表面存在脱碳层,且脱碳层内存在大量裂纹,严重降低了钢丝的疲劳抗力;架 空地线接头压接质量不合格,接续管弯曲变形严重,接续管端口与架空地线钢丝接触部位产生了较 大的疲劳应力,二者共同作用使得架空地线钢丝表面形成微动疲劳裂纹,最终导致架空地线断裂.
关键词:架空地线;接续管;压接质量;全脱碳层;微动疲劳
中图分类号:TM７２６．３ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０２０)０２Ｇ００３１Ｇ０４
高压架空输电线路是目前最主要的远距离输电 线路,作为一种典型的风振敏感结构,架空输电线路 杆塔高、跨度大,所处环境复杂多变,易受到恶劣天 气的影响[１Ｇ３].电网调度对架空地线的可靠性要求 很高,如果架空地线的制造或安装质量不良,其引起 的线路故障将给电网的安全稳定运行和用户的用电 可靠性带来很大的威胁.
内蒙古高寒地区某１１０kV 高压输电线路在运 行过程中发生开关接地距离I段保护动作跳闸,测 距为１５km,故障巡视发现架空地线断裂垂地.故 障时段天气情况为晴转多云,气温在－６~－１６ ℃, 西北风,风力４~５级.断裂架空地线的型号为 GJＧ ８０,导线型号为 LGJＧ２４０/３０,断裂部位为档间接续 管接头处.
为防止同类架空地线断裂事件的发生,笔者通 过一系列理化检验对该高压输电线路架空地线的断 裂原因进行了详细的分析并提出了针对性建议.
１ 理化检验
１．１ 宏观分析
经现场勘查,该架空地线断裂于５５,５６号铁塔 之间,断裂点位于地线接续管压接接头的一侧端口部位,地线断裂后掉落至地面,在掉落过程中地线与 A 相导线挂接,引发放电并灼伤导线和地线,如图１ 所示.
对断裂架空地线的宏观形貌进行观察,可见该 地线为１×７股结构的镀锌钢绞线.其中６股钢丝 的断口及其附近呈无塑性变形的脆性断裂特征,１ 股为明显的过载致单向拉伸颈缩断口.６股脆性断 裂的钢丝中有２股断口表面锈蚀较为严重,断裂时 间较长,其余４股钢丝的断口表面干净,断口及附近 未见电弧灼伤及腐蚀损伤等痕迹.各股钢丝表面均 存在钢丝之间磨擦损伤的痕迹,其中１股钢丝的断 口明显与接续管端口发生了挤压.在脆性断裂钢丝 的断口上可以观察到清晰的“海滩”状疲劳辉纹,各 断口上的裂纹源区、裂纹扩展区及瞬断区等特征区 清晰可辨,疲劳裂纹起源于接续管边缘与钢丝以及 钢丝与钢丝的接触面,如图２所示.
１．２ 断口分析
利用扫描电镜(SEM)对各股地线的断口进行 微观形貌分析,如图３所示.可以看出有４股钢丝 的断口呈现疲劳断裂特征,各断口均可观察到典型 的疲劳条带;裂纹起源于钢丝表面缺口处,裂纹扩展 区面积约占断口截面积的１/３;瞬断区呈准解理断 裂特征;起裂的钢丝表面缺口位于钢丝与接续管端 部接触位置.
１．３ 金相检验
在架空地线钢丝断口处截取试样,使用光学显 微镜观察其横、纵截面的显微组织形貌.由图４可 见,纵截面的显微组织为纤维状分布的细长索氏体 ＋少量珠光体,未见严重的夹杂物缺陷;钢丝表面存 在厚度约为５０μm 的全脱碳层,全脱碳层内存在大 量裂口及裂纹等缺陷.由图５可见,横截面的显微 组织为等轴分布的细小索氏体＋少量铁素体,未见严重夹杂物缺陷,表层存在深度为４０~５０μm 的脱 碳层缺陷,脱碳层晶粒粗大,粗大的先共析铁素体沿 晶界分布;脱碳层中还存在大量裂口及裂纹.这些 缺陷的存在,不符合 GB/T３４２８－２０１２«架空绞线 用镀锌钢线»中盘条钢表面不允许存在裂纹、折叠、 耳子、分层等缺陷的要求.
１．４ 力学性能试验
对断裂的架空地线的单丝进行拉伸试验和韧性 测试,架空地线单丝卷绕试样宏观形貌如图６所示, 试 验结果见表１.可见单丝的抗拉强度符合GB/T３４２８－２０１２规定的最低强度(即１级强度)等级镀 锌钢线的技术要求;在测试单丝韧性的卷绕试验中, 钢线表面未见开裂,说明架空地线单丝的韧性符合 要求.
１．５ 接续管压接质量检验
对架空地线的接续管进行宏观观察,如图７所示.可见接续管的压接质量较差,压接时表面被模 具损伤严重、不光滑;接续管弯曲变形严重,不符合 DL/T５２８５－２０１８«输变电工程架空导线(８００mm２ 以下)及地线液压压接工艺规程»中压接后接续管不 应有明显弯曲的要求.利用 X 射线数字成像(DR) 技术对接续管进行整体透视观察,如图８所示,可见 接续管弯曲变形严重.
２ 分析与讨论
高压输电线路架空地线档间接头通常采用接续 管液压压接的方式进行连接.该架空地线接续管的 压接质量较差,表面损伤及弯曲变形严重且未进行 有效的校直处理.接续管的严重弯曲会增加其外弧 侧端口与地线之间的接触应力.
架空地线在运行过程中除承受大的拉应力外, 还会受环境影响.在风力作用下架空地线长期处于 振动状态,特别是风速较小时,当风横向吹过架空地 线,会在其背后形成稳定的卡门漩涡,使得架空地线 发生高频微幅的振动[４],而此时由于接续管的严重 弯曲,架空地线上加装的防振装置在接续管处几乎 无法起到防振作用.同时,在接续管外弧侧端口与 地线钢丝之间存在较大的接触疲劳应力,增大了地 线钢丝发生疲劳开裂的倾向.
金相检验结果表明,该架空地线钢丝表面存在 深度约为５０μm 的全脱碳层,全脱碳层的晶粒粗大 且存在大量裂纹及裂口等缺陷,严重降低了钢丝的 疲劳抗力[５].
从架空地线单股钢丝的断口形貌来看,与弯曲 的接续管外弧侧端口接触的钢丝表面均存在一定的 挤压变形,同时断口均呈现疲劳断裂特征.这是由 于弯曲接续管的外弧侧端口与钢丝的接触应力较 大,在微振作用下接触部位的疲劳应力增大,而钢丝 表面全脱碳层及裂口等缺陷的存在使得钢丝的疲劳 抗力严重下降,两者共同作用导致了架空地线部分 钢丝的疲劳断裂.当大部分钢丝断裂后,剩余钢丝 无法承受地线拉伸载荷作用而断裂,最终导致地线 整体断裂.
３ 结论及建议
架空地线钢丝表面存在脱碳层且脱碳层内有大 量裂纹,严重降低了钢丝的疲劳抗力;接续管接头液 压压接质量不合格,接续管弯曲变形严重,接续管端 口与架空地线钢丝接触部位产生了较大的疲劳应 力,二者共同作用使得架空地线钢丝表面形成微动 疲劳裂纹,最终导致架空地线断裂.
架空地线作为高压输电线路的重要组成部分, 一定要严格控制选材质量,避免不合格镀锌钢线的 使用.此外,在架设过程中应尽可能减少使用架空 地线档间接头,如果无法避免,在进行接续管接头制 造时应严格控制接续管的压接质量,避免出现接续 管严重弯曲现象,以保证高压架空输电线路的安全 稳定运行.
参考文献:
[１] 张涛,高云鹏,陈浩,等．基于 X 射线数字成像技术的 ５００kV 输电线路四分裂导线间隔棒断裂分析[J]．理 化检验(物理分册),２０１８,５４(６):４４２Ｇ４４６．
[２] 张涛,高云鹏,田峰,等．５００kV 超高压输电线路架空 地线频繁断股原因分析[J]．内蒙古电力技术,２０１９, ３７(１):１１Ｇ１５．
[３] 汪大海,吴海洋,梁枢果．输电线风荷载规范方法的 理论解析和计算比较研究[J]．中国电机工程学报, ２０１４,３４(３６):６６１３Ｇ６６２１．
[４] 孔德怡．基于动力学方法的特高压输电线微风振动 研究[D]．武汉:华中科技大学,２００９．
[５] SARHAN A A D,ZALNEZHAD E,HAMDI M． Theinfluenceofhighersurfacehardnessonfretting fatiguelifeofhardanodizedaerospace AL７０７５ＧT６ alloy[J]．Materials Science and Engineering:A, ２０１３,５６０:３７７Ｇ３８７．