摘 要:內蒙古高寒地區(qū)某１１０kV 高壓輸電線路架空地線發(fā)生斷裂.通過宏觀分析、斷口分 析、金相檢驗、力學性能試驗、接續(xù)管壓接質量檢驗等方法對架空地線的斷裂原因進行了分析.結 果表明:架空地線鋼絲表面存在脫碳層,且脫碳層內存在大量裂紋,嚴重降低了鋼絲的疲勞抗力;架 空地線接頭壓接質量不合格,接續(xù)管彎曲變形嚴重,接續(xù)管端口與架空地線鋼絲接觸部位產生了較 大的疲勞應力,二者共同作用使得架空地線鋼絲表面形成微動疲勞裂紋,最終導致架空地線斷裂.
關鍵詞:架空地線;接續(xù)管;壓接質量;全脫碳層;微動疲勞
中圖分類號:TM７２６．３ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０２０)０２Ｇ００３１Ｇ０４
高壓架空輸電線路是目前最主要的遠距離輸電 線路,作為一種典型的風振敏感結構,架空輸電線路 桿塔高、跨度大,所處環(huán)境復雜多變,易受到惡劣天 氣的影響[１Ｇ３].電網(wǎng)調度對架空地線的可靠性要求 很高,如果架空地線的制造或安裝質量不良,其引起 的線路故障將給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行和用戶的用電 可靠性帶來很大的威脅.
內蒙古高寒地區(qū)某１１０kV 高壓輸電線路在運 行過程中發(fā)生開關接地距離I段保護動作跳閘,測 距為１５km,故障巡視發(fā)現(xiàn)架空地線斷裂垂地.故 障時段天氣情況為晴轉多云,氣溫在－６~－１６ ℃, 西北風,風力４~５級.斷裂架空地線的型號為 GJＧ ８０,導線型號為 LGJＧ２４０/３０,斷裂部位為檔間接續(xù) 管接頭處.
為防止同類架空地線斷裂事件的發(fā)生,筆者通 過一系列理化檢驗對該高壓輸電線路架空地線的斷 裂原因進行了詳細的分析并提出了針對性建議.
１ 理化檢驗
１．１ 宏觀分析
經現(xiàn)場勘查,該架空地線斷裂于５５,５６號鐵塔 之間,斷裂點位于地線接續(xù)管壓接接頭的一側端口部位,地線斷裂后掉落至地面,在掉落過程中地線與 A 相導線掛接,引發(fā)放電并灼傷導線和地線,如圖１ 所示.
對斷裂架空地線的宏觀形貌進行觀察,可見該 地線為１×７股結構的鍍鋅鋼絞線.其中６股鋼絲 的斷口及其附近呈無塑性變形的脆性斷裂特征,１ 股為明顯的過載致單向拉伸頸縮斷口.６股脆性斷 裂的鋼絲中有２股斷口表面銹蝕較為嚴重,斷裂時 間較長,其余４股鋼絲的斷口表面干凈,斷口及附近 未見電弧灼傷及腐蝕損傷等痕跡.各股鋼絲表面均 存在鋼絲之間磨擦損傷的痕跡,其中１股鋼絲的斷 口明顯與接續(xù)管端口發(fā)生了擠壓.在脆性斷裂鋼絲 的斷口上可以觀察到清晰的“海灘”狀疲勞輝紋,各 斷口上的裂紋源區(qū)、裂紋擴展區(qū)及瞬斷區(qū)等特征區(qū) 清晰可辨,疲勞裂紋起源于接續(xù)管邊緣與鋼絲以及 鋼絲與鋼絲的接觸面,如圖２所示.
１．２ 斷口分析
利用掃描電鏡(SEM)對各股地線的斷口進行 微觀形貌分析,如圖３所示.可以看出有４股鋼絲 的斷口呈現(xiàn)疲勞斷裂特征,各斷口均可觀察到典型 的疲勞條帶;裂紋起源于鋼絲表面缺口處,裂紋擴展 區(qū)面積約占斷口截面積的１/３;瞬斷區(qū)呈準解理斷 裂特征;起裂的鋼絲表面缺口位于鋼絲與接續(xù)管端 部接觸位置.
１．３ 金相檢驗
在架空地線鋼絲斷口處截取試樣,使用光學顯 微鏡觀察其橫、縱截面的顯微組織形貌.由圖４可 見,縱截面的顯微組織為纖維狀分布的細長索氏體 ＋少量珠光體,未見嚴重的夾雜物缺陷;鋼絲表面存 在厚度約為５０μm 的全脫碳層,全脫碳層內存在大 量裂口及裂紋等缺陷.由圖５可見,橫截面的顯微 組織為等軸分布的細小索氏體＋少量鐵素體,未見嚴重夾雜物缺陷,表層存在深度為４０~５０μm 的脫 碳層缺陷,脫碳層晶粒粗大,粗大的先共析鐵素體沿 晶界分布;脫碳層中還存在大量裂口及裂紋.這些 缺陷的存在,不符合 GB/T３４２８－２０１２«架空絞線 用鍍鋅鋼線»中盤條鋼表面不允許存在裂紋、折疊、 耳子、分層等缺陷的要求.
１．４ 力學性能試驗
對斷裂的架空地線的單絲進行拉伸試驗和韌性 測試,架空地線單絲卷繞試樣宏觀形貌如圖６所示, 試 驗結果見表１.可見單絲的抗拉強度符合GB/T３４２８－２０１２規(guī)定的最低強度(即１級強度)等級鍍 鋅鋼線的技術要求;在測試單絲韌性的卷繞試驗中, 鋼線表面未見開裂,說明架空地線單絲的韌性符合 要求.
１．５ 接續(xù)管壓接質量檢驗
對架空地線的接續(xù)管進行宏觀觀察,如圖７所示.可見接續(xù)管的壓接質量較差,壓接時表面被模 具損傷嚴重、不光滑;接續(xù)管彎曲變形嚴重,不符合 DL/T５２８５－２０１８«輸變電工程架空導線(８００mm２ 以下)及地線液壓壓接工藝規(guī)程»中壓接后接續(xù)管不 應有明顯彎曲的要求.利用 X 射線數(shù)字成像(DR) 技術對接續(xù)管進行整體透視觀察,如圖８所示,可見 接續(xù)管彎曲變形嚴重.
２ 分析與討論
高壓輸電線路架空地線檔間接頭通常采用接續(xù) 管液壓壓接的方式進行連接.該架空地線接續(xù)管的 壓接質量較差,表面損傷及彎曲變形嚴重且未進行 有效的校直處理.接續(xù)管的嚴重彎曲會增加其外弧 側端口與地線之間的接觸應力.
架空地線在運行過程中除承受大的拉應力外, 還會受環(huán)境影響.在風力作用下架空地線長期處于 振動狀態(tài),特別是風速較小時,當風橫向吹過架空地 線,會在其背后形成穩(wěn)定的卡門漩渦,使得架空地線 發(fā)生高頻微幅的振動[４],而此時由于接續(xù)管的嚴重 彎曲,架空地線上加裝的防振裝置在接續(xù)管處幾乎 無法起到防振作用.同時,在接續(xù)管外弧側端口與 地線鋼絲之間存在較大的接觸疲勞應力,增大了地 線鋼絲發(fā)生疲勞開裂的傾向.
金相檢驗結果表明,該架空地線鋼絲表面存在 深度約為５０μm 的全脫碳層,全脫碳層的晶粒粗大 且存在大量裂紋及裂口等缺陷,嚴重降低了鋼絲的 疲勞抗力[５].
從架空地線單股鋼絲的斷口形貌來看,與彎曲 的接續(xù)管外弧側端口接觸的鋼絲表面均存在一定的 擠壓變形,同時斷口均呈現(xiàn)疲勞斷裂特征.這是由 于彎曲接續(xù)管的外弧側端口與鋼絲的接觸應力較 大,在微振作用下接觸部位的疲勞應力增大,而鋼絲 表面全脫碳層及裂口等缺陷的存在使得鋼絲的疲勞 抗力嚴重下降,兩者共同作用導致了架空地線部分 鋼絲的疲勞斷裂.當大部分鋼絲斷裂后,剩余鋼絲 無法承受地線拉伸載荷作用而斷裂,最終導致地線 整體斷裂.
３ 結論及建議
架空地線鋼絲表面存在脫碳層且脫碳層內有大 量裂紋,嚴重降低了鋼絲的疲勞抗力;接續(xù)管接頭液 壓壓接質量不合格,接續(xù)管彎曲變形嚴重,接續(xù)管端 口與架空地線鋼絲接觸部位產生了較大的疲勞應 力,二者共同作用使得架空地線鋼絲表面形成微動 疲勞裂紋,最終導致架空地線斷裂.
架空地線作為高壓輸電線路的重要組成部分, 一定要嚴格控制選材質量,避免不合格鍍鋅鋼線的 使用.此外,在架設過程中應盡可能減少使用架空 地線檔間接頭,如果無法避免,在進行接續(xù)管接頭制 造時應嚴格控制接續(xù)管的壓接質量,避免出現(xiàn)接續(xù) 管嚴重彎曲現(xiàn)象,以保證高壓架空輸電線路的安全 穩(wěn)定運行.
參考文獻:
[１] 張濤,高云鵬,陳浩,等．基于 X 射線數(shù)字成像技術的 ５００kV 輸電線路四分裂導線間隔棒斷裂分析[J]．理 化檢驗(物理分冊),２０１８,５４(６):４４２Ｇ４４６．
[２] 張濤,高云鵬,田峰,等．５００kV 超高壓輸電線路架空 地線頻繁斷股原因分析[J]．內蒙古電力技術,２０１９, ３７(１):１１Ｇ１５．
[３] 汪大海,吳海洋,梁樞果．輸電線風荷載規(guī)范方法的 理論解析和計算比較研究[J]．中國電機工程學報, ２０１４,３４(３６):６６１３Ｇ６６２１．
[４] 孔德怡．基于動力學方法的特高壓輸電線微風振動 研究[D]．武漢:華中科技大學,２００９．
[５] SARHAN A A D,ZALNEZHAD E,HAMDI M． Theinfluenceofhighersurfacehardnessonfretting fatiguelifeofhardanodizedaerospace AL７０７５ＧT６ alloy[J]．Materials Science and Engineering:A, ２０１３,５６０:３７７Ｇ３８７．