110 kV線路鋼芯鋁絞線斷裂分析

陳家慧，王方強，馮 杰，劉 曦

(國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

鋼芯鋁絞線是高壓輸電線路的重要組成部分，主要用作架空導線進行遠距離、大功率輸電，具有傳輸容量大、線路造價低、導電性好、機械強度高等優點，在世界各地的電力輸送系統得到廣泛應用。因架設在室外桿塔上，鋼芯鋁絞線通常要經受風雨、冰雪、雷電等惡劣氣象環境，易出現微動磨損、疲勞斷裂、雷擊斷裂等問題[1-4]；還會受到周邊大氣環境中水分、工業污染物和鹽類物質等腐蝕介質的侵蝕，產生腐蝕失效[5-6]；此外，導線狀態也受導線力學性能、架設工藝等因素的影響[7-8]。實際運行過程中導線所處環境復雜，失效事故多為幾種影響因素共同作用的結果，分析失效原因對評估在役鋼芯鋁絞線的運行狀況有重要的現實意義。

某110 kV 線路接地距離I段動作跳閘，重合不成功。對此線路進行故障巡視發現37號塔至38號塔C相導線斷線，37號至38號檔距287 m，斷點距離38號塔25 m。所處耐張段類型為耐-直-直-耐，長度為1007 m。導線型號為LGJ-150/25鋼芯鋁絞線，地線型號為GJ-35，于1997年6月投運。下面以該起斷裂事故為研究對象，通過運行環境調查及理化檢測對鋼線鋁絞線斷裂原因進行詳細分析，并提出運維防護建議，對提高電力系統運行的經濟穩定性有重要指導意義。

1 運行情況分析

該段線路為跨山架設，桿塔間高差大，為雷電多發區。雷電監測信息顯示事故當天凌晨兩點左右當地為雷雨天氣，該線路多個桿塔附近存在落雷現象。其中，1時52分38號桿附近有2個落雷，雷電流為-15.2 kA，距離3538 m，雷擊時間比導線斷裂時間早17 h。經查詢，事故發生時線路負荷為23 MW，電流為108 A，當日最大負荷和電流分別為23.5 MW和110 A。事故發生前，線路負荷及電流波動較小，基本正常。檢查發現，事故發生后該線路地線無損傷，桿塔絕緣子無閃絡痕跡，運行正常。

2 理化檢驗

2.1 宏觀分析

導線由26根直徑為2.70 mm的鋁線和中心7根直徑為2.15 mm的鍍鋅鋼線絞制而成，內部為兩層鋼線組成的鋼芯，鋁線分兩層纏繞在鋼芯外部，內層10根、外層16根。外觀檢查發現：斷裂處鋁線凌亂地散向四周，鋼芯表面存在大量灰白色粉末，可能是由于部分鋁線先斷裂、導線層間緊密型變差，在潮濕環境中鋼線表面鍍鋅層氧化造成的[9]；斷口附近鋼芯表面有較深裂紋，由腐蝕或疲勞所致；鋁絞線表面有顯著熔融痕跡，如圖1所示。

圖1 斷裂導線形貌

鋁絞線的斷口形貌分3種，如圖2(a)所示：3根鋁線斷口無明顯變形，有燒蝕痕跡，為高溫快速熔斷；20根鋁線斷口存在明顯頸縮，呈典型杯錐形，屬于拉伸斷裂；3根鋁線斷口顯著收縮，且表面有磨損，由鋁絞線在風陣作用下的擠壓摩擦導致。

7根鋼線一側斷口中有2根較平滑，有熔融特征，其余4根存在明顯頸縮，屬于拉伸斷裂，如圖2(b)所示；另一側7根斷口均呈拉斷特征，無熔融跡象。

圖2 斷裂導線形貌

2.2 掃描電鏡分析

圖3展示了鋁線表面微觀形貌，磨損區表面粗糙且有顆粒和片狀剝離，能譜分析顯示該區域主要成分為Al、O元素，來源于鋁線表面的腐蝕產物Al2O3。

圖3 鋁線表面形貌

對圖1中存在明顯裂紋的鋼芯區域進行顯微觀察，結果見圖4。該區域沒有明顯頸縮現象，除了一個較大的主裂紋，該區域還存在較多平行于主裂紋的小裂紋，推斷為鋼線在風陣或舞動時產生的疲勞裂紋。

圖4 存在裂紋區域的鋼芯形貌

2.3 力學性能試驗

對導線的鋼單線和鋁單線進行力學性能測試，結果如表1所示。鋼單線的各項性能指標均符合IEC 60888:1987《架空絞線用鍍鋅鋼線》標準要求，其中抗拉強度和斷后伸長率分別為1497 MPa和4.9%；鋁單線的分別為150 MPa和5.2%，抗拉強度不滿足IEC 60889：1987《架空導線用硬拉鋁線》要求的170 MPa。

表1 導線力學性能試驗結果

2.4 材質分析

通過手持式X射線熒光光譜儀對外層鋁線、內層鋁線及鋼線進行材質測試，結果如表2、表3所示。鋁單線中鋁含量偏低且含有大量的Si及部分P和S，主要來源于大氣中的污染物和沙塵。鍍鋅鋼單線表面有少量Al元素，由其與鋁線間的摩擦產生。

表2 鋁單線材質分析結果 單位：%

表3 鋼單線材質分折結果 單位：%

2.5 對比分析

在遠離斷口區域取一段導線，與斷口附近導線進行對比分析(見圖5)，發現正常導線內部鋼芯呈銀灰色，而斷口附近鋼芯表面存在白色粉末，主要成分是氧化鋅、氫氧化鋅、碳酸鋅等混合物，為鋅在潮濕環境中的腐蝕產物[10]，表明鋼芯在斷裂前已在潮濕環境中暴露較長時間。

圖5 斷口附近導線與正常導線鋼芯表面形貌對比

3 討論與分析

導線中有2根鋼線有熔融痕跡，表明經歷過超過碳鋼熔點的高溫；其余斷口有明顯頸縮現象，呈典型拉斷特征。斷口熔融痕跡有可能由高溫熔斷導致，也有可能是斷口落地后對地放電產生。

導線高溫熔斷可能由工頻短路電流或雷擊產生。但工頻短路電流作用時間長、影響范圍大，不會只對少量單絲有影響，且該線路未發生短路記錄。雷電產生的高溫，作用范圍小，可使部分單絲瞬間升溫斷裂[11]。輸電線路架設在室外，易遭受雷擊而產生停電事故。當雷電流較小時，易引起雷電繞擊相導線，在絕緣子上產生閃絡痕跡；當電流較大時，雷電一般不會繞擊導線，而是直擊架空地線或桿塔，引起反擊跳閘[12]。事故發生后該線路桿塔絕緣子無閃絡痕跡，地線無損傷，排除了雷電繞擊導致斷線的可能性。由于鋼線兩側斷口特征不一致，一側均呈明顯頸縮，另一側部分顯示熔融狀態；因此推斷鋼線為拉伸斷裂而非高溫熔斷，部分熔融斷口為鋼線斷裂落地后形成短路接地造成。

斷口附近鋼線表面有顯著腐蝕痕跡，表明部分外層鋁線先發生斷裂使絞線層間緊密度減小，加速了鋼線的氧化腐蝕。力學性能測試結果顯示鋁單線抗拉強度偏低，鋁線的擠壓變形磨損會使其承載力進一步降低。鋁線在大風等外界條件下易形成應力集中，出現拉伸斷裂情況。隨斷線股數量的增加，導線有效受力面積及有效載流截面均減小，導致單線承受的應力增大且斷股處發熱情況加劇，剩余鋁線和鋼線的抗拉強度急劇減小到某一程度后被瞬間拉斷。此外，鋼線表面嚴重腐蝕或出現微裂紋會顯著降低其抗拉強度，促進導線的斷裂失效。結合上述分析基本可判斷該起事故主要是由鋁線抗拉強度偏低及層間擠壓磨損造成。

4 結 論

故障導線中鋁線力學性能較差，表面磨損使其承載力進一步降低，部分鋁線在大風等特殊氣象條件下逐漸被拉斷。斷股處導線發熱加劇，鋼線腐蝕及疲勞惡化，剩余鋼線和鋁絞線強度逐漸減小，在不足以承受導線張力時發生斷裂。

為避免導線斷裂事件的再次發生，建議下一步開展以下工作：

1)通過仿真計算評估同批次導線運行安全可靠性，若不能滿足運行要求需進行全部更換；

2)加強同批次導線斷股情況巡視，防止斷線事故再次發生；

3)嚴格把控新建、改造及擴建輸電工程中的新入網導線質量，確保其安全服役。