220 kV 地線連接金具斷裂事故分析

汪立鋒，談佳棟，陳慶吟，張 成，錢 科，馮 強，水 濤

（浙江華電器材檢測研究所有限公司，國家電力器材產品安全性能質量監(jiān)督檢驗中心，杭州 310015）

0 引言

電力連接金具是電力系統(tǒng)中連接和組合的重要裝置，是起到傳遞機械負荷、電氣負荷和某種防護作用的金屬附件[1]，地線連接金具包括耐張線夾、U 型環(huán)、調整板、螺栓等，其主要作用是將地線與構架或鐵塔錨固和連接。連接金具在實際使用過程中受不同工況的影響，如磨損、短路、雷擊、覆冰、自身材料質量因素等，均會產生各種損傷及斷裂[2]。由于連接金具的失效斷裂機制復雜，該類金具的失效研究一直受到國內研究者的重視[1-6]。

2018 年5 月20 日13：04，某變電站220 kV某Ⅰ回斷路器故障跳閘，派人員檢查線路后，發(fā)現(xiàn)該線路變電站構架側與終端塔側整條地線斷裂掉落，如圖1 所示。構架側斷裂的連接金具為4.8級螺栓，型號為M16×60，終端塔側斷裂的連接金具為U 型環(huán)，型號為U-7，如圖2 所示。該事故引起全站的停電，使得該區(qū)域大面積停電，造成了不良的社會影響。

圖1 斷裂導地線外觀

基于此，對該220 kV 線路故障連接金具和地線失效部位通過宏觀觀察、化學成分分析、掃描電鏡以及能譜分析等方法確定斷裂的性質，分析連接金具失效原因，并提出改進建議，為預防此類故障的再次發(fā)生提供借鑒。

1 試驗與分析

1.1 宏觀分析

掉落導地線型號為JL/G1A 70/40，由于是整條導地線斷裂，存在2 處斷裂點，如圖2 所示。第一處斷點為構架側4.8 級螺栓（圖2 中金具編號為2 號螺栓，以下同），實物如圖3 所示；第二處斷點為終端塔側2 只U 型環(huán)的連接處（圖2 中金具編號為4 號和5 號U 型環(huán)，以下同），實物如圖5 所示。

在第一斷裂處檢查螺栓外觀，該螺栓型號為M16×70，將直角掛板（圖2 中金具編號為1 號直角掛板，以下同）與鋼錨（圖2 中金具編號為3 號鋼錨，以下同）連接，2 號螺栓螺桿處已完全斷裂。螺栓斷口處有深黃色銹蝕，可見明顯的磨損痕跡，未見金屬熔融痕跡，實物如圖3 所示。3 號鋼錨和2 號螺栓連接處磨損嚴重，未見金屬熔融痕跡，實物如圖4 所示。該鋼錨原始直徑約為16.9 mm，磨損位置厚度僅為2.9 mm，磨損量達14.0 mm，磨損嚴重。

圖2 地線金具連接示意

第二斷裂點位于終端側4 號和5 號U 型環(huán)連接處，兩者連接位置均已斷裂，斷口尖端處均可見明顯的金屬熔融物，熔斷口周邊還粘附呈噴射狀的熔滴，如圖6 所示。按照U 型環(huán)尺寸，斷口處因高溫融化造成部分金屬缺失[3]，說明該處金屬有受熱熔融現(xiàn)象。金屬熔融處上部可見明顯的磨損痕跡[4]，4 號U 和5 號型環(huán)原始直徑約16.3 mm，磨損位置測量厚度約為8 mm，磨損量為8.3 mm 左右。終端塔與導線金具連接位置均能看到程度不一的金屬熔痕。

圖3 構架側2 號4.8 級螺栓斷裂形貌

圖4 構架側3 號鋼錨形貌

圖5 終端塔側4 號、5 號U 型環(huán)斷裂形貌

圖6 4 號U 型環(huán)噴射狀的熔滴現(xiàn)象

觀察地線，在距10 號大號側（終端塔側）鋼錨位置的28 m 位置，地線表面存在1 處長度約為60 mm 的損傷痕跡，損傷表現(xiàn)為導線壓痕及導線表面金屬熔融物[3]。損傷類型主要包括機械碰撞和電擊，如圖7 所示。

圖7 地線損傷位置

1.2 化學成分

對上述連接金具進行成分分析，測試結果如表1 所示，所測元素均符合Q235A 牌號要求，廠家提供的型號為Q235A。

表1 線夾化學成分分析結果（質量分數(shù)）%

1.3 微觀斷口觀察

掃描電鏡下對構架側2 號螺栓及終端塔側4號U 型環(huán)斷口進行觀測。圖8 為2 號螺栓斷口上側的微觀形貌，可見該區(qū)域覆蓋一層疏松狀氧化物，未見金屬熔融物。在2 號螺栓斷口尖端部位具有明顯粘著磨損特征[7]，存在部分金屬從表面脫落，還存在嵌入的顆粒狀異物和粘屑，如圖9所示。

對終端塔側4 號U 型環(huán)斷口微觀形貌進行觀測，發(fā)現(xiàn)斷口表面可見大小不一的顆粒狀熔珠。熔珠外表面比較平整，少量熔珠表面有氣孔，氣孔內壁比較平滑，無粗糙的紋跡，如圖10 所示。

1.4 能譜分析

圖8 2 號螺栓微觀形貌

圖9 2 號螺栓尖端部位微觀形貌

圖10 終端塔側4 號U 型環(huán)微觀形貌

采用能譜儀對2 號螺栓銹蝕部位和4 號U型環(huán)金屬熔珠進行無標定性和半定量分析，結果見表2 和表3。圖11 能譜圖和表2 能譜分析結果顯示，2 號螺栓斷口以Fe 和O 元素為主，以及含有少量S，Cl，K，Ca 等元素。自然界的鋼鐵存在的環(huán)境以弱酸或中性為主，因此發(fā)生的腐蝕主要以吸氧腐蝕為主，吸氧腐蝕在陰極上的反應：

陽極反應：

表2 斷口能譜分析結果（2 號螺栓）%

表3 斷口能譜分析結果（4 號U 型環(huán)）%

圖11 2 號螺栓銹蝕產物能譜圖

圖12 能譜圖和表3 能譜分析結果顯示，4 號U 型環(huán)熔珠的主要元素是Fe，C 和O，鋼鐵在空氣中受高溫氧化主要形成的物質為Fe3O4，F(xiàn)e2O3和FeO，由于灼燒溫度和氧含量的不同，三者往往同時存在。理論上三者氧化物的氧含量分別為35%，30%和28.5%，樣品因為氧化程度的不同實際測量值會低于理論值，4 號U 型環(huán)熔珠能譜中氧含量為13.99%。結合4 號U 型環(huán)的宏觀分析結果，進一步驗證4 號U 型環(huán)不僅受到磨損侵蝕，而且受高溫影響。

圖12 4 號U 型環(huán)熔珠能譜圖

2 分析與討論

宏觀檢查顯示：構架側的2 號螺栓和3 號鋼錨斷口表面存在明顯尺寸減小，為基體材料損失或者遷移所致，且通過電鏡觀察到的形貌為典型的粘著磨損。2 號螺栓磨損區(qū)域觀察到嵌入或覆蓋的異物，存在條帶狀的粘屑，經能譜分析主要成分為Fe 和O，與3 號鋼錨成分接近，說明2 號螺栓和3 號鋼錨存在物質遷移，即粘著磨損。粘著磨損是相對運動的物體接觸面發(fā)生了固體粘著，是材料從一個面轉移到另一個面的現(xiàn)象。同時2 號螺栓表面存在氧化產物，吸附S，Cl，K 及Ca 等元素，電鏡下未發(fā)現(xiàn)熔融痕跡，不存在短路或感應電流引起的金屬缺失，表明該處斷裂主要原因是由于粘著磨損造成的。

同時構架側金具的連接順序為構架（鋼板）-直角掛板-螺栓-耐張線夾鋼錨，按照電力金具結構的特點，一般設計連接形式分為：球-窩系列；環(huán)-鏈系列；板-板系列[10]。其中構架側直角掛板與耐張線夾鋼錨的連接為板-環(huán)連接，不符合電力金具常規(guī)連接設計[11]。該方式的連接使得磨損始終朝一個方向進行，比常規(guī)連接磨損量更大。

終端側的4 號和5 號U 型環(huán)斷口連接處存在金屬熔融物，周邊存在噴射狀的熔滴金屬，說明該處溫度瞬時升高。判斷為地線與母線接觸，電路發(fā)生短路，此時短路電流瞬間上升，在極短的時間內造成金屬融化的爆炸性電弧，并向四周噴射灼熱的熔滴[12]。通過觀察微觀形貌，熔珠表面存在氣孔，符合短路引起的熔珠特征，短路造成金屬熔珠由于氣體來不及排出會存留于熔痕內，且氣孔表面比較光滑。該金具連接處由于長時間的磨損及氧化是整條地線中電阻最大部位，當發(fā)生短路時，短路電流通過較高的接觸電阻而產生高溫，使4 號和5 號U 型環(huán)接觸點金屬融化而發(fā)生斷裂。

該事故地線距終端側28 m 位置存在1 處損傷，主要特征為機械、金屬熔痕，表明該處受到過帶電體的碰撞。正常情況下地線與導線留有足夠的安全距離不存在接觸的可能，只有可能是地線一端斷裂后掉落到導線上造成的痕跡，因此終端塔側的金屬熔痕主要是由于地線碰觸到母線后短路所形成。

3 結論及建議

構架側的2 號螺栓和3 號鋼錨斷口主要是粘著磨損痕跡且銹蝕較為嚴重，表明該處斷裂的主要原因是由于長時間的磨損，且連接方式為板-環(huán)連接，加速磨損損耗最終造成斷裂，該處為第一斷點。

構架側連接金具斷裂后， 地線搭接到下側220 kV 導線形成短路，使得終端塔材連接金具溫度瞬間升高，造成終端側的4 號和5 號U 型環(huán)連接處金屬融化而發(fā)生斷裂，該處為第二斷點。

該事故的最終原因是因為不合理的連接方式造成金具過度磨損所致。為降低地線因連接金屬磨損而引起的事故，可采取以下改進措施：

（1）改善其連接形式，改用環(huán)-鏈連接或環(huán)-環(huán)連接。

（2）案例中所有連接金具材質均為Q235，該型號材料抗耐磨性較差。可采用Q345B 或Q420等耐磨性較好的材料，可極大地改善其綜合性能[13]。