某500 kV 輸電線路復(fù)合絕緣子掉串故障分析

張立明，馬 立，曹 鋮

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司超高壓公司，湖北 宜昌 443002）

球頭掛環(huán)是一種一端為球形一端為環(huán)形所構(gòu)成的連接金具，是輸電線路的重要受力組件之一[1-3]，主要用于連接導(dǎo)線絕緣子串和桿塔掛點(diǎn)[4-6]。球頭掛環(huán)具有截面變化，其截面突變處容易受到應(yīng)力集中，極易在振動(dòng)載荷下發(fā)生疲勞裂紋[7-10]。研究表明，球頭掛環(huán)的斷裂是導(dǎo)致輸電線路掉線故障的主要原因之一[11-15]。球頭掛環(huán)斷裂的原因可能是制造過(guò)程中的原始缺陷、不合理的安裝工藝[16-19]、長(zhǎng)期運(yùn)行后的腐蝕和磨損，以及惡劣氣候下承受過(guò)大的動(dòng)載荷等[20-24]。

本文通過(guò)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)論證，分析了該500 kV線路球頭掛環(huán)斷裂原因，并提出了解決同類問(wèn)題的方案以及預(yù)防措施。

1 故障概述

2021 年1 月，某500 kV 線路B 相故障跳閘，重合不成功。現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)該線路322 號(hào)桿塔的中相絕緣子球頭斷裂，導(dǎo)線掉落在桿塔瓶口處，4 根子導(dǎo)線不同程度受損，如圖1 所示。中相導(dǎo)線具體受損情況為：1號(hào)子導(dǎo)線斷鋁股12 股，鋼芯無(wú)損傷，截面積損傷占總導(dǎo)電部分截面積22.2%；2 號(hào)子導(dǎo)線斷鋁股15 股，鋼芯無(wú)損傷，截面積損傷占總導(dǎo)電部分截面積27.7%；3號(hào)子導(dǎo)線斷鋁股5 股，鋼芯無(wú)損傷，截面積損傷占總導(dǎo)電部分截面積9.2%；4 號(hào)子導(dǎo)線斷鋁股7 股，鋼芯無(wú)損傷，截面積損傷占總導(dǎo)電部分截面積12.9%，如圖2 所示。

圖1 該500 kV 線路322 號(hào)桿塔中相掉串

圖2 322 號(hào)桿塔中相4 根子導(dǎo)線不同程度受損

2 故障原因分析

2.1 故障原因排查分析

由故障錄波信息可以看出，故障發(fā)生時(shí)間與調(diào)度通知時(shí)間相同，B 相發(fā)生故障，故障阻抗角大于70°，表現(xiàn)為金屬性接地。綜合考慮該500 kV 線路322 號(hào)故障區(qū)段的地理特征、現(xiàn)場(chǎng)天氣特征、故障期間的現(xiàn)場(chǎng)大風(fēng)天氣氣象情況等，結(jié)合故障錄波信息、絕緣子掉串信息等，排除線路發(fā)生其他故障的可能性。

2.2 故障原因具體分析

2.2.1 現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速換算

該市氣象局氣象站觀測(cè)該地區(qū)最大風(fēng)速為26.2 m/s，達(dá)到10 級(jí)風(fēng)力標(biāo)準(zhǔn)，因本次故障點(diǎn)地形屬埡口，風(fēng)速因地形變化較大，氣象觀測(cè)站距離故障點(diǎn)存在地形、高度等各方面差異。本次計(jì)算風(fēng)速取值根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)最大風(fēng)速換算所得，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)風(fēng)儀測(cè)得的風(fēng)速達(dá)到21.28 m/s，測(cè)量點(diǎn)位于距桿塔下方地面17 m，不等高懸點(diǎn)架空線的懸鏈線和架空線的平均高度示意圖分別如圖3 和圖4 所示。

圖3 不等高懸點(diǎn)架空線的懸鏈線

圖4 架空線的平均高度

式中：h 為高差；β 為高差角；γ 為比載；l 為檔距；hcp為架空線平均高度；fm為最大弧垂；σ0為最低點(diǎn)處的軸向應(yīng)力。

根據(jù)式（1）求小號(hào)側(cè)導(dǎo)線平均高度為

折算至導(dǎo)線平均高速風(fēng)速為

大號(hào)側(cè)導(dǎo)線平均高度為

折算至導(dǎo)線平均高速風(fēng)速為

式中：H0為測(cè)量點(diǎn)位于距桿塔下方地面的距離；V0為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)風(fēng)儀測(cè)得的風(fēng)速。

巡視人員到達(dá)該500 kV 線路322 號(hào)桿塔故障現(xiàn)場(chǎng)后，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)風(fēng)儀測(cè)得的風(fēng)速達(dá)到21.28 m/s，人站立較困難。氣象站與掛點(diǎn)存在240 m 高差，經(jīng)換算，實(shí)際風(fēng)速已超過(guò)最大設(shè)計(jì)風(fēng)速27 m/s。現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)絕緣子球頭斷裂，球頭掛環(huán)斷裂痕跡、球頭掛環(huán)與絕緣子鋼帽在風(fēng)力作用下的擠壓痕跡如圖5 所示，W 銷未見明顯變形。

圖5 該500 kV 線路322 號(hào)桿塔中相球頭斷裂

2.2.2 試驗(yàn)與分析

通過(guò)對(duì)球頭掛環(huán)進(jìn)行斷面分析、尺寸測(cè)量、硬度試驗(yàn)、強(qiáng)度換算、光譜分析及金相組織檢查等操作，從該球頭掛環(huán)的成分判斷，其鋼材牌號(hào)為45 號(hào)鋼，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》，45 號(hào)鋼的伸長(zhǎng)率為16%以上，因此該球頭掛環(huán)的選材符合標(biāo)準(zhǔn)DL/T 759—2009《連接金具》第5.1.1 條，“鋼及合金鋼的伸長(zhǎng)率應(yīng)不低于12%”。該球頭掛環(huán)的直徑為19.70 mm，型號(hào)為QP16，連接標(biāo)記為20，依據(jù)GB/T 4056—2008《絕緣子串元件的球窩連接尺寸》，其直徑要求的范圍為19.70~21.00 mm，即該球頭掛環(huán)的直徑滿足QP16的要求。根據(jù)該球頭掛環(huán)的硬度值換算得到的抗拉強(qiáng)度和實(shí)測(cè)截面積計(jì)算，其標(biāo)稱破壞載荷為209 kN，滿足QP16 規(guī)定的標(biāo)稱破壞載荷（160 kN），如圖6 所示。從斷口分析來(lái)看，該球頭掛環(huán)斷面中約存在1/3 面積陳舊性缺陷，因此，該球頭掛環(huán)斷裂原因?yàn)閽飙h(huán)在運(yùn)行中存在擺動(dòng)受阻的情況，導(dǎo)致掛環(huán)表面產(chǎn)生裂紋，裂紋使掛環(huán)的承載截面減少，從而斷裂。

圖6 球頭掛環(huán)斷裂前運(yùn)行工況下的安裝圖

2.2.3 球頭掛環(huán)強(qiáng)度計(jì)算

1）球頭掛環(huán)安全系數(shù)。年平工況下，球頭掛環(huán)垂直荷載計(jì)算

球頭掛環(huán)安全系數(shù)

最大荷載工況（覆冰工況），垂直荷載計(jì)算

球頭掛環(huán)安全系數(shù)

式中：G串為絕緣子串荷載；G線為導(dǎo)線荷載；T額為球頭掛環(huán)額定荷載。根據(jù)規(guī)程要求，現(xiàn)場(chǎng)金具使用情況滿足設(shè)計(jì)要求。

2）剩余強(qiáng)度估算。160 kN 絕緣子球頭軸向額定抗拉強(qiáng)度為160 kN，根據(jù)球頭掛環(huán)斷裂情況估算，剩余連接部分，可承受軸向抗拉強(qiáng)度為額定強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度的70.8%。

剩余連接部分可承受軸向抗拉強(qiáng)度

3）實(shí)際工況下的荷載。實(shí)際工況下，絕緣子球頭的腳球在絕緣子帽窩的轉(zhuǎn)動(dòng)是有限度的，如圖7 所示，根據(jù)GB/T 4056—2008《絕緣子串元件的球窩連接尺寸》，連接標(biāo)記為20 的絕緣子球頭在帽窩中的傾斜角應(yīng)不大于9°。若傾斜角β 大于9°，腳徑則受憋于圖中的A 點(diǎn)，也是本次故障點(diǎn)從絕緣子球頭斷裂的原因。

圖7 實(shí)際工況下絕緣子球頭與帽窩連接圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)速及風(fēng)速換算，橫向作用力為

式中：L大為大號(hào)側(cè)水平檔距；G大為大號(hào)側(cè)導(dǎo)線風(fēng)荷載；L小為小號(hào)側(cè)水平檔距；G小為小號(hào)側(cè)導(dǎo)線風(fēng)荷載；G串為絕緣子串風(fēng)荷載；G風(fēng)為金具所受橫向作用力。

絕緣子球頭受彎計(jì)算，絕緣子球頭未受損時(shí)

絕緣子球頭受彎計(jì)算，現(xiàn)場(chǎng)絕緣子球頭受損時(shí)

式中：P 為球徑可承受荷載；W 為受彎截面系數(shù)；Mmax為160 kN 絕緣子球頭所承受彎矩；σ彎為160 kN 絕緣子球頭的受彎抗拉強(qiáng)度；d 為160 kN 絕緣子球頭斷裂處直徑；h 為帽窩與絕緣子球頭連接處長(zhǎng)度。

未受損絕緣子球徑承受橫向作用力大于38.2 kN時(shí)，可能發(fā)生球徑斷裂事故。

現(xiàn)場(chǎng)受損絕緣子球徑承受橫向作用力大于20.351kN時(shí)，可能發(fā)生球徑斷裂事故。

根據(jù)本次估算，受損絕緣子球徑承受橫向作用力達(dá)到31.53 kN，大于可承受最大橫向作用力，因此發(fā)生斷裂事故。

2.3 故障原因分析結(jié)論

本次故障斷裂的金具為球頭掛環(huán)，是絕緣子串橫擔(dān)側(cè)第二個(gè)連接金具，上端與直角掛板金具相連，下端與絕緣子鋼帽相連。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況，初步分析球頭掛環(huán)斷裂的原因?yàn)椋涸?00 kV 輸電線路322 號(hào)桿塔中相掛點(diǎn)結(jié)構(gòu)為掛板加球頭掛環(huán)形式，掛板受塔材限制不能順線路擺動(dòng)，導(dǎo)致球頭掛環(huán)僅能在橫線路方向活動(dòng)，球頭掛環(huán)的自由度受到限制。在大風(fēng)作用下導(dǎo)線只能橫向活動(dòng)，容易造成應(yīng)力集中和受到順線路方向剪切力的沖擊，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到導(dǎo)線在風(fēng)的作用下，在順線路方向前后擺動(dòng)，此外，從斷裂痕跡來(lái)看，有近1/3 截面存在原始缺陷，球頭掛環(huán)承載能力下降至113.28 kN，安全系數(shù)為5.03。在大風(fēng)作用下，該500 kV 輸電線路322 號(hào)桿塔導(dǎo)線橫向擺動(dòng)和絕緣子串順線路方向擺動(dòng)，球頭掛環(huán)受到橫向和順線路方向力的反復(fù)擠壓和剪切沖擊，最終疲勞斷裂。

綜上所述，該500 kV 線路322 號(hào)桿塔中相掉串故障因桿塔臨近長(zhǎng)江，在局部超設(shè)計(jì)大風(fēng)天氣作用下，線路導(dǎo)線和絕緣子串在順線路、橫線路方向頻繁擺動(dòng)，且球頭掛環(huán)存在原始缺陷，球頭掛環(huán)受到反復(fù)擠壓和剪切沖擊而疲勞斷裂，導(dǎo)致絕緣子串及導(dǎo)線脫落至桿塔瓶口處，造成導(dǎo)線永久性接地故障。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)本次故障的分析，發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題。

1）輸電線路微地形區(qū)域的大風(fēng)區(qū)域區(qū)段數(shù)據(jù)不全，人工劃定的大風(fēng)區(qū)域存在一定的局限性，大風(fēng)區(qū)域范圍難以準(zhǔn)確地確定，劃分不準(zhǔn)確。

2）球頭球窩連接方式等隱蔽性金具的檢測(cè)缺乏針對(duì)性技術(shù)手段。

根據(jù)本次故障暴露的問(wèn)題提出以下建議。

1）全面開展類似隱患排查工作，利用無(wú)人機(jī)等立體巡檢手段，建立巡檢照片數(shù)據(jù)庫(kù)，強(qiáng)化運(yùn)檢質(zhì)量的管理。

2）加強(qiáng)同批次金具抽檢及更換工作。

3）加強(qiáng)此類“UB 掛板+球頭掛環(huán)”連接方式，以及大高差、大檔距地段、局部大風(fēng)區(qū)域金具荷載校核、評(píng)估，對(duì)安全系數(shù)偏低的桿塔金具更換為自由度更大的金具，以及雙串改造。