基于壓接質(zhì)量考慮的架空地線斷裂原因分析

(內(nèi)蒙古電力科學研究院， 呼和浩特 010020)

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(jié)構(gòu)，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[1-3]。電網(wǎng)調(diào)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(zhì)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(nèi)蒙古高寒地區(qū)某110 kV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15 km，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(zhuǎn)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GJ-80，導線型號為LGJ-240/30，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(jīng)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(cè)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(jié)構(gòu)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。

圖1 斷裂架空地線現(xiàn)場圖Fig.1 Scene diagram of fractured overhead ground wire: a) location of hanging point; b) dropped overhead ground wire

圖2 斷裂架空地線的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fractured overhead ground wire: a) fractured overhead ground wire; b) surface wear marks; c) fracture

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?？梢钥闯鲇?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50 μm的全脫碳層，全脫碳層內(nèi)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40～50 μm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/T 3428-2012《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(jié)果見表1?？梢妴谓z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。

表1 架空地線單絲的力學性能試驗結(jié)果Tab.1 Mechanical properties test results of monofilament of overhead ground wire

圖3 架空地線鋼絲斷口SEM形貌Fig.3 SEM morphology of steel wire fracture of overhead ground wire: a) whole; b) fatigue fracture; c) crack source zone; d)crack propagation zone; e) instantaneous fault zone; f) cracks near the surface of steel wire

圖4 架空地線鋼絲縱截面顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of longitudinal section of overhead ground steel wire: a) fracture; b) matrix； c) decarburization layer and cracks of surface

圖5 架空地線鋼絲橫截面顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of cross section of overhead ground steel wire:a) matrix; b) decarburization layer of surface; c) cracks of surface

圖6 架空地線單絲卷繞試樣宏觀形貌Fig.6 Macro morphology of monofilament winding samples of overhead ground wire

圖7 架空地線接續(xù)管宏觀形貌Fig.7 Macro morphology of splice tube of overhead ground wire:a) whole； b) damaged surface

1.5 接續(xù)管壓接質(zhì)量檢驗

對架空地線的接續(xù)管進行宏觀觀察，如圖7所示?？梢娊永m(xù)管的壓接質(zhì)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/T 5285-2018《輸變電工程架空導線(800 mm2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。

圖8 架空地線接續(xù)管DR透視形貌Fig.8 DR perspective morphology of splice tube of overhead ground wire

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(zhì)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(cè)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(cè)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(jié)果表明，該架空地線鋼絲表面存在深度約為50 μm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(cè)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(cè)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(jié)論及建議

架空地線鋼絲表面存在脫碳層且脫碳層內(nèi)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(zhì)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(chǎn)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(zhì)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(zhì)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。