某220 kV輸電線路懸垂線夾斷裂原因

楊迎春, 虞鴻江, 代克順

(云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院, 昆明 650217)

懸垂線夾(簡稱線夾)作為輸電線路的一種常用金具，在輸電線路中起懸掛導線的作用[1-2]。常見的懸垂線夾有防暈型(XGF)、在XGF導線上加裝預絞絲護線條(FYH)、預絞式(AGS)3種[3]。近年，懸垂線夾的斷裂事故也有相關報道,斷裂的原因主要有以下幾種:一是安裝工藝不當導致所受張力超過線夾極限載荷[4-5]；二是嚴重磨損導致線夾有效承載面積減小，最終在外力作用下發(fā)生斷裂[6-7]；三是銹蝕導致線夾表面產(chǎn)生微裂紋，最終發(fā)生疲勞腐蝕斷裂[8]。

某220 kV輸電線路2018年4月投運，于2019年1月線路跳閘，工作人員在故障排查時發(fā)現(xiàn)某塔導線懸垂線夾斷裂，一般輸電線路的工作壽命為20 a(年)，該懸垂線夾斷裂屬于早期斷裂。故障塔所處位置為山頂，海拔高度約為3 800 m，發(fā)現(xiàn)故障時的氣溫為-5～-3 ℃,風力為10 m·s-1,線路上覆冰厚度為5 mm。為找到該懸垂線夾的斷裂原因，筆者以換下的斷裂懸垂線夾、未斷懸垂線夾以及同批次同型號的新懸垂線夾為研究對象，進行了宏觀分析、化學成分分析、硬度測試、機械破壞載荷測試、射線檢測、斷口分析等，以期為輸電線路的安全、可靠運行提供保障。

1 理化檢驗

1.1 宏觀及低倍分析

對某220 kV輸電線路換下的斷裂懸垂線夾(編號為JH-0)、未斷懸垂線夾(編號為JH-1，JH-2)和同批次同型號新的懸垂線夾(編號為S-1，S-2)進行宏觀分析，懸垂線夾的型號為XGF-6X。

懸垂線夾從掛耳下面的船體中部和中下部斷裂，斷口較新，無明顯腐蝕；斷口除了在尖角處沾有少量泥土外，整體較干凈，如圖1a)所示。掛耳的斷口邊緣略有彎折，但大部分斷口邊緣平整，無明顯塑性變形，如圖1b)～c)所示。在斷裂懸垂線夾的下部螺栓孔拐角處有一條長度為25 mm的裂紋，如圖2a)所示，體視顯微鏡下觀察裂紋開口較新，無明顯塑性變形，如圖2b)所示。

圖1 斷裂懸垂線夾宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of fractured suspension clamp：a) overall morphology; b) hanging ear morphology; c) hull morphology

圖2 斷裂懸垂線夾船體底部螺栓孔附近的裂紋形貌Fig.2 Crack morphology near bolt hole of fracturedsuspension clamp hull bottom:a) macro morphology; b) morphology at low magnification

用游標卡尺對JH-0線夾掛耳厚度、螺栓孔間距、螺栓孔內徑、線夾整體長度、線夾底部內徑進行測量，除了掛耳部位螺栓孔內徑因磨損略大于設計要求外，其余尺寸均符合圖紙要求。對JH-1和S-1線夾除測量上述尺寸外增加底部U形螺栓孔處船體高度的測量，圖紙設計該高度應為80 mm，實測結果JH-1線夾為66.1 mm,S -1線夾為74.2 mm，低于設計要求，而底部U形螺栓孔處船體高度的減小，會降低懸垂線夾的承載能力。幾何尺寸測量結果如表1所示。

表1 懸垂線夾幾何尺寸測量結果及設計尺寸Tab.1 Measurement results of geometric dimensions and design dimensions of suspension clamps

1.2 化學成分分析

根據(jù)廠家提供的資料，XGF-6X型懸垂線夾的設計材料為ZL102鋁合金，采用定量光譜儀按照GB/T 7999—2015《鋁及鋁合金光電直讀發(fā)射光譜分析方法》的技術要求對JH-0，JH-1，S -1掛耳打磨后的表面進行化學成分分析，結果如表2所示。根據(jù)GB/T 1173—2013《鑄造鋁合金》對ZL102鋁合金化學成分的要求，除JH-0線夾的硅含量略高于標準值，其余懸垂線夾的化學成分均符合要求。

表2 懸垂線夾的化學成分分析結果(質量分數(shù))Tab.2 Chemical composition analysis results of suspension clamps (mass fraction) %

1.3 硬度測試

選取JH-0，JH-1，S -1線夾，采用臺式布洛維硬度計按GB/T 231.1—2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》的技術要求對掛耳部位進行硬度測試，壓頭直徑為2.5 mm，壓力為62.5 N,保載15 s,

取3個測試點的平均值為線夾的布氏硬度，結果如表3所示。可見JH-0線夾的平均布氏硬度為66 HBW，JH-1線夾的平均布氏硬度為68.5 HBW，S-1線夾的平均布氏硬度為73.2 HBW，所測懸垂線夾的布氏硬度滿足GB/T 1173-2013對ZL102鋁合金布氏硬度不低于50 HBW的要求。

表3 懸垂線夾的布氏硬度Tab.3 Brinell hardness of suspension clamps

1.4 機械破壞載荷測試

采用拉力試驗機對懸垂線夾JH-1，JH-2，S-1，S-2進行試驗測試懸垂線夾的機械破環(huán)載荷，圖3為試樣布置圖，結果如表4所示。可知懸垂線夾的機械破壞載荷在36～48 kN之間。且JH-1，JH-2，S-1，S-2線夾機械破壞載荷測試后的斷裂部位和試樣JH-0線夾的基本一致，都是從船體中下部和掛耳下方斷裂，機械破壞載荷測試的試樣斷裂位置示意圖如圖4所示。判斷是由于懸垂線夾的船體中下部和掛耳下方較薄，是懸垂線夾較薄弱的部位，當懸垂線夾承受較大應力時，會優(yōu)先在該部位發(fā)生斷裂。根據(jù)廠家設計資料，該型號懸垂線夾的標稱破壞載荷為70 kN，而實測機械破壞載荷為42 kN，實測機械破環(huán)載荷明顯低于標稱破壞載荷。

圖3 機械破壞載荷測試試樣布置圖Fig.3 Layout diagram of mechanical failure load test specimen

表4 機械破壞載荷測試結果Tab.4 Test results of mechanical failure load kN

圖4 機械破壞載荷測試的試樣斷裂位置示意圖Fig.4 Diagram of specimen fracture location in mechanicalfailure load test

1.5 射線檢測

采用數(shù)字射線對斷裂懸垂線夾(JH-0)進行檢測，管電壓為90 kV、管電流為3 mA、曝光時間為4 s。可見線夾本體和壓板內部存在若干氣孔、夾渣和疏松缺陷，如圖5和圖6所示。氣孔、夾渣和疏松缺陷的存在,一方面在一定程度上減小了懸垂線夾的承載面積；另一方面這些缺陷多為不規(guī)則形狀，其尖角處會形成應力集中，當懸垂線夾受力時,在這些缺陷的應力集中處易形成裂紋源并擴展，造成懸垂線夾的斷裂[9-11]。

圖5 線夾本體射線檢測影像Fig.5 Radiographic inspection image of clamp body

圖6 掛耳和壓板射線檢測影像Fig.6 Radiographic inspection image of hanging ear and pressure plate

1.6 掃描電鏡及能譜分析

對斷裂懸垂線夾JH-0的斷口進行掃描電鏡(SEM)和能譜(EDS)分析，掃描電鏡下斷口可見韌窩形貌，局部有氣孔，未發(fā)現(xiàn)疲勞條紋，如圖7所示；能譜分析結果顯示，斷口表面主要含有碳、氧、硅、鋁等元素，如表5和表6所示。

圖7 斷裂懸垂線夾HJ-0的斷口SEM形貌Fig.7 SEM morphology of fracture of fracturedsuspension clamp JH-0: a) dimple ; b) pore

表5 圖7a)中不同位置的EDS分析結果(質量分數(shù))Tab.5 Analysis results of EDS point scanning at differentlocations in Fig.7a) (mass fraction) %

表6 圖7b)中不同區(qū)域的EDS面掃描分析結果(質量分數(shù))Tab.6 Analysis results of EDS face scanning at differentarea in Fig.7b) (mass fraction) %

2 分析與討論

斷裂懸垂線夾的斷口較新，表明斷裂時間不長；斷口較平整，整體無明顯塑性變形。懸垂線夾U形螺栓孔處船體高度低于設計要求。

斷裂懸垂線夾JH-0的硅含量略高于標準的要求，其余懸垂線夾的化學成分符合標準對ZL102鋁合金的要求。

懸垂線夾的布氏硬度滿足標準的要求,機械破壞載荷低于該型號懸垂線夾的標稱破壞載荷。斷裂懸垂線夾(JH-0)的內部存在氣孔、夾渣等鑄造缺陷；SEM分析表明，斷裂懸垂線夾的斷口呈韌窩形貌，局部可看到氣孔。當懸垂線夾中的氣孔率超過一定數(shù)值時，會對懸垂線夾的強度造成不良影響；夾渣和疏松缺陷會使懸垂線夾的有效承受面積減小，且在缺陷的尖角處會形成應力集中，易形成裂紋源，造成懸垂線夾的過載斷裂。

綜上所述，懸垂線夾所處環(huán)境溫度較低，導線覆冰厚度約5 mm，導線的覆冰增大了懸垂線夾的垂直載荷，此外，懸垂線夾的尺寸不符合設計要求，且線夾內部存在氣孔、夾渣等鑄造缺陷，使得懸垂線夾的機械破壞載荷低于標準要求，最終在運行中發(fā)生過載斷裂。

3 結論及建議

懸垂線夾的斷裂原因為尺寸不符合設計要求，且懸垂線夾的內部存在氣孔、夾渣等鑄造缺陷，使得懸垂線夾的機械破壞載荷低于標準的要求，運行中由于覆冰導致懸垂線夾垂直載荷增大，最終發(fā)生過載斷裂。

建議加強對XGF-6X型懸垂線夾產(chǎn)品的采購驗收，如測量線夾的主體外形尺寸，進行化學成分及機械破環(huán)載荷測試等。