輸電線路耐張線夾斷裂原因

楊迎春,焦宗寒,代克順

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,昆明 650217)

耐張線夾本體分為鋼錨與鋁管，是高壓輸電線路的重要連接金具，主要用于把導(dǎo)線或避雷線固定在非直線桿塔的耐張絕緣子串上[1-3]。耐張線夾的斷裂會(huì)造成線路跳閘停電事故，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。耐張線夾斷裂原因主要有：材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致強(qiáng)度不足發(fā)生斷裂[4]；耐張線夾接觸松動(dòng)引起線夾發(fā)熱造成線夾斷裂[5-6]；銹蝕造成構(gòu)件有效承載面積減小發(fā)生斷裂[7]。

云南某500 kV輸電線路于2016年9月投運(yùn)，2018年10月巡線工作人員在登塔檢查中發(fā)現(xiàn)某塔兩處耐張線夾在耐張線夾轉(zhuǎn)角部位斷裂，如圖1和圖2所示。線路的設(shè)計(jì)風(fēng)速為30 m·s-1，耐張壓接管的型號(hào)為NY-300/40，運(yùn)行期間時(shí)常遭遇大風(fēng)天氣，常年平均風(fēng)速在8～11 m·s-1，風(fēng)向與輸電導(dǎo)線的角度約80°。筆者以斷裂耐張線夾為研究對(duì)象，通過化學(xué)成分檢測(cè)、幾何尺寸測(cè)量、斷口形貌觀察以及力學(xué)仿真計(jì)算等方法對(duì)耐張線夾進(jìn)行檢驗(yàn)，分析了耐張線夾的斷裂原因并提出了相應(yīng)措施,為輸電線路的安全可靠運(yùn)行提供保障。

圖1 1號(hào)斷裂耐張線夾宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the No.1 fractured strain clamp

圖2 2號(hào)斷裂耐張線夾宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the No.2 fractured strain clamp

1 理化檢驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分分析

耐張線夾的設(shè)計(jì)材料為1050A鋁合金，耐張壓接管型號(hào)為NY-300/40。采用Spectro型定量光譜儀對(duì)1號(hào)和2號(hào)耐張線夾打磨后的表面進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果如表1所示。1號(hào)和2號(hào)耐張線夾的鋁含量大于或等于99.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，硅含量小于0.25%，鐵含量小于0.4%，耐張線夾的化學(xué)成分符合設(shè)計(jì)要求。

表1 斷裂耐張線夾的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the fractured strain clamps (mass fraction) %

1.2 幾何尺寸測(cè)量

根據(jù)《電力金具手冊(cè)》上NY-300/40壓接管的尺寸，采用游標(biāo)卡尺和鋼卷尺對(duì)2號(hào)耐張線夾的壓接管尺寸進(jìn)行測(cè)量。壓接管外徑的設(shè)計(jì)直徑為40 mm，2號(hào)斷裂耐張線夾壓接管直徑的測(cè)量值為40.5 mm；鋼錨耳環(huán)設(shè)計(jì)直徑為18 mm，2號(hào)斷裂耐張線夾鋼錨耳環(huán)直徑的測(cè)量值為18.2 mm。壓接管外徑和鋼錨耳環(huán)直徑與設(shè)計(jì)直徑基本相符。線夾在壓接后長(zhǎng)度會(huì)有所增長(zhǎng)，因此壓接管長(zhǎng)度測(cè)量值僅供參考。

1.3 斷口分析

對(duì)1號(hào)斷裂耐張線夾斷口進(jìn)行宏觀觀察，根據(jù)斷口宏觀形貌選擇4個(gè)區(qū)域，如圖3所示。分別對(duì)4個(gè)區(qū)域進(jìn)行掃描電鏡(SEM)觀察，如圖4所示。各區(qū)域均可觀察到相互平行的輝紋條帶，呈現(xiàn)出疲勞斷裂的特征，均處于疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)，屬于疲勞斷裂。

圖3 1號(hào)斷裂耐張線夾的斷口宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of fracture of the No.1 fractured strain clamp

圖4 1號(hào)斷裂耐張線夾的斷口SEM形貌Fig.4 SEM morphology of fracture of the No.1 fractured strain clamp:a)position 1;b)position 2;c)position 3;d)position 4

1.4 力學(xué)仿真計(jì)算

為了研究耐張線夾斷裂過程的應(yīng)力分布情況，采用有限元方法建立耐張線夾模型，施加邊界條件和載荷，計(jì)算耐張線夾的應(yīng)力分布情況，耐張線夾模型如圖5所示。

圖5 耐張線夾的有限元計(jì)算三維模型Fig.5 The three-dimensional model of finite element calculation for the strain clamp

有限元模型采用三維實(shí)體單元建模，鋁彈性模量70 GPa，泊松比0.3，塑性延伸強(qiáng)度100 MPa,抗拉強(qiáng)度150 MPa。鋼錨彈性模量210 GPa,泊松比0.3，塑性延伸強(qiáng)度1 000 MPa,抗拉強(qiáng)度1 500 MPa。

通過在C位置施加向下4 mm位移模擬導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)。施加邊界條件約束時(shí)，A位置和B位置全固定，計(jì)算的應(yīng)力云圖如圖6所示。由圖6可知，耐張線夾端部位置受到約束可造成耐張線夾轉(zhuǎn)折位置的應(yīng)力集中，該應(yīng)力集中部位與實(shí)際斷裂部位一致。

圖6 A位置和B位置全固定時(shí)耐張線夾的應(yīng)力分布云圖Fig.6 Stress distribution nephogram of the strain clamp when position A and position B were fixed

改變邊界條件，A位置固定，在B位置施加不同方向的位移，計(jì)算的應(yīng)力云圖如圖7所示。由圖7可知，在B位置施加不同方向的位移時(shí)，耐張線夾的轉(zhuǎn)折位置產(chǎn)生應(yīng)力集中。

圖7 B位置施加不同方向位移時(shí)耐張線夾的應(yīng)力分布云圖Fig.7 Stress distribution nephogram of the strain clamp under different direction displacement at position B:a)applying 3 mm displacement in x direction;b)applying -3 mm displacement in y direction;c)applying 3 mm displacement in z direction

2 分析與討論

斷裂耐張線夾的材料為1050A鋁合金，其幾何結(jié)構(gòu)尺寸與設(shè)計(jì)尺寸基本一致。耐張線夾斷口表面有疲勞輝紋條帶，推斷耐張線夾的斷裂方式為疲勞斷裂。有限元計(jì)算結(jié)果表明耐張線夾端部位置受到約束或施加不同方向位移時(shí)可造成耐張線夾轉(zhuǎn)角部位的應(yīng)力集中，且應(yīng)力集中位置和耐張線夾的真實(shí)斷裂位置相符。

此段輸電線路常年平均風(fēng)速在8～11 m·s-1，風(fēng)向與輸電導(dǎo)線的角度約80°，當(dāng)有持續(xù)風(fēng)垂直吹向輸電導(dǎo)線時(shí)，導(dǎo)線背風(fēng)側(cè)產(chǎn)生上下交替的卡門旋渦，輸電導(dǎo)線會(huì)受到上下交變的力而發(fā)生高頻低幅值微風(fēng)振動(dòng)[8-9]。導(dǎo)線的微風(fēng)振動(dòng)會(huì)使耐張線夾轉(zhuǎn)角部位的應(yīng)力集中位置產(chǎn)生較大的交變應(yīng)力，耐張線夾轉(zhuǎn)角的薄弱位置在較大交變應(yīng)力的作用下會(huì)產(chǎn)生多處疲勞裂紋源。

綜上所述，耐張線夾的轉(zhuǎn)角部位由于端部位置受到約束產(chǎn)生應(yīng)力集中，削弱了耐張線夾的強(qiáng)度[10-11]，在應(yīng)力集中處容易形成多處裂紋源。輸電線路受風(fēng)力的影響產(chǎn)生高頻低幅值微風(fēng)振動(dòng)，在耐張線夾轉(zhuǎn)角部位的應(yīng)力集中位置會(huì)產(chǎn)生較大的交變應(yīng)力，裂紋源在交變應(yīng)力的作用下生長(zhǎng)并發(fā)生擴(kuò)展，當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展到一定尺寸，耐張線夾的剩余截面不足以承受外界載荷時(shí)最終發(fā)生斷裂[12]。

3 結(jié)論及建議

耐張線夾的根部局部受到約束，在較大應(yīng)力作用下耐張線夾轉(zhuǎn)角應(yīng)力集中部位形成裂紋；輸電線路受風(fēng)力的影響發(fā)生高頻低幅值微風(fēng)振動(dòng)，在耐張線夾轉(zhuǎn)角部位的應(yīng)力集中位置會(huì)產(chǎn)生較大的交變應(yīng)力，裂紋在交變應(yīng)力的作用下擴(kuò)展最終發(fā)生疲勞斷裂。

建議采用無人機(jī)、望遠(yuǎn)鏡等手段加強(qiáng)對(duì)耐張線夾的巡視；在安裝和設(shè)計(jì)上進(jìn)行優(yōu)化避免耐張線夾局部區(qū)域應(yīng)力集中，如采用新型雙板式耐張線夾及柔性小間隔棒配合使用，以減小微風(fēng)振動(dòng)、舞動(dòng)對(duì)耐張線夾的影響[13]。