一起架空輸電線路導線斷線故障分析

王 津，王文卓，徐 浩，彭 鵬，張發剛

(1.國網甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅 蘭州 730070； 2.國網甘肅省電力公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

在架空輸電線路運行過程中，導線斷線情況并不常見，大多由于外力影響造成，如超設計覆冰、超設計大風、外力碰線、持續短路電流燒毀等，在外界條件未對線路造成直接影響時，較難判斷線路設備斷線故障原因。筆者通過一起330 kV架空輸電線路斷線故障的分析，探尋到了判斷導線原生缺陷故障的方法，對以后導線斷線分析有一定指導意義。

1 故障情況

某年12月，某330 kV架空輸電線路故障跳閘，重合不成功，試送不成功。經現場故障巡查，發現該線路51#-52#檔內A相導線一子導線斷線，斷線部位為51#耐張塔起第二、三間隔棒之間，靠近第三個間隔棒大約5 m處，2號子線(四分裂導線，左上線)斷線，如圖1、2所示。

圖1 子導線斷線后現場情況

斷線時，線路上有6 mm霧凇，如圖3所示，換算為等值覆冰厚度小于1 mm，導線規格JL/G1A-300/40(LGJ-300/40)。

圖2 導線斷裂示意圖

圖3 斷線當天覆雪情況 圖4 現場調查覆雪情況

2 故障分析

根據線路故障時天氣情況以及周邊環境情況，分析故障原因結果如下。

2.1 產生斷線的可能因素

(1) 故障時，故障區段均為輕微覆冰，可以排除覆冰超過設計覆冰值[1]導致導線拉斷的因素。

(2) 故障時，故障區段未出現大風情況，可以排除超設計大風引起超設計荷載導致導線拉斷的因素[2]。

(3) 故障時，故障區段有6 mm霧凇，可忽略不計[3]，排除覆冰舞動導致導線拉斷的因素。

(4) 故障發生在冬季，不可能出現雷雨天氣，可以排除雷擊導致導線斷線的因素。

(5) 故障區段處于山脊無人區，無超高機械通過的可能，故障區段周邊未發現其他飛行器殘骸等異常物品，故障周邊亦未發現可造成線路短路的異物，可以排除外力破壞導致導線斷線的因素。

綜上所述，線路運行過程中，因外部因素導致導線斷線的情況均已排除。

2.2 力學計算分析

正常運行時，導線最終彈性模量為70.5 GPa,線膨脹系數19.4×10-6/℃，額定拉斷力為92.36 kN，最大使用張力為34.408 kN，鋼芯及鋁絞線受力比例60.328%，鋼芯中各鋼線受力比例近似均勻受力，每根鋼絲最大使用力為7 959.9 N，最大許用張力2 949.5 N。

單根鋼絲斷裂后，其余6根鋼線受力增加2.38%、鋼芯出現塑性延伸，內層鋁絞線部分出現延伸斷裂情況。

根據試驗數據及設計手冊公式計算：

① 單根導線最大使用張力[T]：

[T]=0.95Tp/2.55=Tpu/2.55=0.95×92.36/2.55=34.408 kN

② 單根鋼絲最大使用力F0：

1 500×106 Pa=F0/3.14×1.32×10-6

F0=7 959.9 N

③ 鋼芯承受最大使用力F1：

F1=7 959.9×7=55 719.3 N=55.719 kN

④ 鋁線承受最大使用力F2：

F2=92.36-55.719=36.641 kN

⑤ 單股鋁線承受最大使用力F3：

F3=36.641/24=1 526.708 N

⑥ 鋼芯受力占導線額定拉斷力比值：

A=55.719/92.36=60.328%

⑦ 4股嚴重損傷鋁線損失強度力為：

1 526.708×4=6 106.832 N

⑧ 鋼芯承受最大使用張力為：

34.408×0.603 28=20 644.8 N

⑨ 單根鋼絲承受最大使用張力為：

20 644.8/7=2 949.25 N

⑩ 鋁線承受最大使用張力為：

34.408-20.644=13 763.3 N

綜合分析：導線斷線時，4股嚴重損傷外層鋁絞線損失強度力僅為6 106.832 N，現場未出現可導致導線應力大幅增大的情況，因此，單根導線承受張力不超過34 408 N，因鋼芯缺陷的原因，鋼芯鋼絲斷裂1根，導致單根鋼絲所受張力超過單根鋼絲所受的最大張力2 949.5 N，第2根鋼絲瞬間斷裂，因鋼芯拉斷時延伸率2%～4%，鋁股拉斷時延伸率1%～2%，鋁絞線陸續出現延伸斷裂，因內層鋁股同時受到螺旋鋼股和外層鋁股的內外擠壓，內層鋁股應力比外層更大，所以內層鋁絞線先斷，之后是外層鋁絞線，當鋼芯斷第3根時，瞬間單根導線最大使用張力作用在鋼芯和少部分外層導線上，鋼芯瞬間全部斷裂。

3 試驗檢測

3.1 斷裂部位外觀檢查

斷裂導線規格為JL/G1A-300/40,其中部為7根鍍鋅鋼線絞制成的鋼芯，兩層布置，中心為1根，第一層 6根，7根鋼芯單絲的斷口均呈現為帶有頸縮的杯錐狀；外部有24根硬鋁線，兩層布置，內層為9根，外層為15根，其中外層的13根和內層的7根鋁線單絲斷口形貌較為相似，為45°斜切面。在外層和內層的鋁線單絲中各有2根斷口為帶有頸縮的正向拉伸斷口。

3.2 鋼芯單絲斷口形貌分析

失效樣品中7根鋼芯單絲斷口均存在明顯的纖維區、放射區、剪切唇，斷口呈現杯錐狀形貌，表明導致鋼芯斷裂的主應力為正向拉伸應力，鋼芯單絲斷口形貌如圖5所示。

圖5 鋼芯單絲斷口示意圖

3.3 鋁線單絲斷口形貌分析

由于絞合后的鋁線單絲與導線軸向帶有一定夾角，且相鄰兩層線之間存在一定的正壓力和摩擦力，影響了每根鋁線單絲的承載力及方向，造成先斷裂的大部分鋁線單絲呈現斜向剪切斷口；鋁線單絲中存在頸縮的斷口屬于正向拉力作用所致，判斷為鋁線中最后拉斷的部分。且部分鋁線表面可見絞制過程中造成的斜向壓痕，如圖6所示。

3.4 鋼線單絲斷口金相分析

截取鋼芯單絲斷口附近部分，沿軸向剖面觀察金相組織，基本組織為鐵素體+珠光體。可以看出，由于材料受到拉伸變形，組織呈纖維狀。斷口附近與距斷口10 mm處金相組織基本一致，并未發現由于焊接熱循環引起的金相組織變化跡象，如圖7所示。

圖6 鋁線單絲損傷示意圖

圖7 鋼芯單絲斷口附近及距斷口10 mm處金相照片

3.5 鋼芯單絲斷口掃描電鏡檢查

如圖8所示，在鋼芯單絲中部位于杯錐狀斷口底部的初始斷裂區呈現韌性斷裂斷口特征，視野內可見的韌窩基本為等軸韌窩，是在正應力作用下形成的。

圖8 鋼芯單絲斷口掃描電鏡對比照片及能譜面掃照片

從中心向四周，呈現明顯的纖維區、放射區和剪切唇。所抽查的#7鋼芯單絲原始斷口可見一些孔隙和微裂紋，在孔隙內部未觀察到雜質。增加抽查對比新導線#3鋼芯單絲斷口微觀形貌與斷線導線#7鋼芯單絲斷裂基本特征大致相同，但微裂紋及凹坑明顯少于斷線導線#7鋼芯單絲。鋼芯單絲斷口端面掃描電鏡能譜分析結果如圖8所示，可見其內部不同區域鐵和碳元素分布帶有一定的不均勻性，這與材料基本組織為鐵素體和珠光體兩相且存在一定偏析相關。

3.6 鋼芯單絲力學性能試驗

對7根鋼芯單絲分別進行力學性能試驗，拉伸試驗指標符合標準要求。

3.7 鋁線單絲力學性能試驗

對24根鋁線單絲進行力學性能試驗，拉伸試驗符合標準要求。

3.8 同型號鋼芯鋁絞線新樣品對比試驗

(1) 鋼芯單絲力學性能

對7根鋼芯單絲分別進行力學性能試驗，鋼芯單絲1%伸長應力、抗拉強度、斷后伸長率結果均符合標準要求。

(2) 鋼芯單絲斷口金相分析

金相組織為鐵素體+珠光體組織，由于受到拉伸變形組織呈纖維狀，斷口附近與距斷口10 mm處金相組織基本一致。與斷裂導線鋼芯單絲組織形貌無明顯差異。

(3) 鋼芯單絲斷口掃描電鏡檢查

如圖8所示，對比新導線鋼芯單絲拉伸試樣斷口從中心向四周也呈現出明顯的纖維區、放射區和剪切唇。初始斷裂區斷裂面存在大量等軸韌窩，呈現韌性斷裂斷口特征，為正應力作用下導致的斷裂。但在斷裂面上，孔隙和微裂紋明顯少于斷裂導線#7鋼芯單絲原始斷口。

3.9 綜合分析

斷裂導線及對比試驗新導線鋼芯及鋁線單絲拉伸試驗結果符合標準要求，斷裂導線鋼芯單絲斷口附近金相組織與對比新導線試樣基本一致，說明導線本身材質及拉伸試驗力學性能符合標準要求，且斷口附近金相組織不存在焊接跡象。

從斷口掃描電鏡微觀圖像看，斷裂導線#7鋼芯單絲斷口初始開裂區域斷面平整度明顯不及對比新導線#3鋼芯單絲，且斷裂面上的孔隙及微裂紋多于對比新導線鋼芯單絲。說明斷裂導線#7鋼芯單絲的組織均勻度與對比新導線#3鋼芯單絲存在差異。

經專家探討分析，此次斷線失效分析試驗檢測項目全面、數據詳實、結論正確，原始性孔隙缺陷是導致本次斷線事故的主要因素，輕微覆冰及微風震動是導致本次斷線事故的次要原因，不存在因外部因素導致導線斷線的情況，導線斷線多見于金具壓接等施工工藝不良，在施工過程中過載或運行多年后產生金屬疲勞，進而導致斷線。

4 結 論

(1) 此次斷線可以排除覆冰超過設計覆冰值[4]、大風引起超設計荷載、覆冰舞動導致導線拉斷[5]、雷擊導致導線斷線、外力破壞導致導線斷線的因素；經宏觀檢查、尺寸測量、材質分析、力學性能試驗，除斷裂導線1根鋼線及2根鋁線卷繞試驗結果不符合標準要求，其他樣品力學試驗結果均符合相關標準要求。經金相檢驗，斷裂導線和對比導線鋼絲試樣斷口附近金相組織基本一致，可排除鋼芯斷口處存在焊接情況。

(2) 導線斷裂過程是：鋼芯鋼絲斷裂1根，導致單根鋼絲所受張力超過單根鋼絲所受的最大張力2 949.5 N，第2根鋼絲瞬間斷裂，因鋼芯拉斷時延伸率2%～4%，鋁股拉斷時延伸率1%～2%，鋁絞線陸續出現延伸斷裂，因內層鋁股同時受到螺旋鋼股和外層鋁股的內外擠壓，內層鋁股應力比外層更大，所以內層鋁絞線先斷，之后是外層鋁絞線，當鋼芯斷第3根時，瞬間單根導線最大使用張力作用在鋼芯和少部分外層導線上，鋼芯瞬間全部斷裂。

(3) 斷線鋼芯中自編號為#7的鋼線存在原始性孔隙缺陷，該缺陷屬于制造過程中脫氧等工藝中出現的小概率事件，是導致此次斷線事故的重要因素。輕微覆冰及微風震動是導致本次斷線事故的次要原因，不存在因外部因素導致導線斷線的情況。

通過此次分析以及計算、試驗結果，找到了導線斷線故障原因分析方法，可用于指導輸電線路運行單位針對導線斷線故障，準確判斷故障原因。