一起微風(fēng)振動(dòng)導(dǎo)致引流線斷裂故障的分析及預(yù)防

楊劍鋒

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001)

架空輸電線路運(yùn)行過程中易受風(fēng)、冰、雷等氣候和鳥類活動(dòng)等因素影響，防控不當(dāng)易發(fā)生線路風(fēng)偏跳閘、絕緣子閃絡(luò)甚至導(dǎo)線斷裂等故障[1-2]。其中微風(fēng)振動(dòng)是導(dǎo)致導(dǎo)線損傷甚至斷裂的主要原因，因其頻率高、振幅小，不像線路舞動(dòng)那樣明顯，具有一定隱蔽性，通常在出現(xiàn)防振器毀壞或?qū)Ь€疲勞斷股后才被發(fā)現(xiàn)[3-4]。

目前，關(guān)于輸電線路微風(fēng)振動(dòng)的相關(guān)研究主要集中在振動(dòng)機(jī)理、防治措施和振動(dòng)監(jiān)測(cè)等方面：如文獻(xiàn)[5]通過仿真分析得出當(dāng)微風(fēng)振動(dòng)振幅大于1 mm時(shí)，導(dǎo)線線夾出口相鄰層鋁線股接觸處產(chǎn)生大量裂紋；文獻(xiàn)[6]根據(jù)試驗(yàn)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，建議在重要線路和振動(dòng)嚴(yán)重地區(qū)的線路，除采用加裝防振錘或阻尼線外，再加裝防護(hù)線條可進(jìn)一步提高線路抗振能力；文獻(xiàn)[7]則在研究了國內(nèi)外各種輸電線路微風(fēng)振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)設(shè)計(jì)了微風(fēng)振動(dòng)傳感器及監(jiān)測(cè)裝置的軟硬件、通信網(wǎng)絡(luò)等，但對(duì)具體某條導(dǎo)線發(fā)生微風(fēng)振動(dòng)斷裂后的各種檢測(cè)分析、故障原因排查等方面呈現(xiàn)較少。

導(dǎo)線(鋼芯鋁絞線)本身質(zhì)量不佳或引流管/線夾壓接工藝不良也是造成導(dǎo)線斷裂的重要原因之一，尤其是在線路運(yùn)行較長時(shí)間后，若發(fā)生導(dǎo)線斷裂則需綜合分析線路運(yùn)行環(huán)境及導(dǎo)線本身情況才能確定故障原因。本文對(duì)某公司所轄220 kV線路一次引流導(dǎo)線斷裂故障進(jìn)行分析，通過斷裂導(dǎo)線的外觀檢查、線材質(zhì)量檢測(cè)、線夾X射線成像檢測(cè)等，分析其運(yùn)行及故障時(shí)的外部環(huán)境，綜合評(píng)判后最終確定了故障原因，同時(shí)提出解決辦法和預(yù)防措施，以期減少因微風(fēng)振動(dòng)導(dǎo)致的斷線故障。

1 故障概述

寧夏電網(wǎng)某220 kV線路33號(hào)耐張塔B相引流線采用雙分裂結(jié)構(gòu)，2019年9月12日12時(shí)49分，該引流線的1根子導(dǎo)線在靠34號(hào)桿塔側(cè)發(fā)生斷裂并搭落至C相橫擔(dān)上，故障現(xiàn)場(chǎng)情況如圖1所示。

該線路于2010年6月17日投運(yùn)，鋼芯鋁絞線型號(hào)為2×LGJ-300/25。斷線時(shí)，故障點(diǎn)所在地氣溫18 ℃，天氣多云轉(zhuǎn)小雨，距離故障點(diǎn)最近的氣象監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)極大風(fēng)速為35.6 m/s，達(dá)到12級(jí)風(fēng)速。巡視人員到達(dá)故障現(xiàn)場(chǎng)時(shí)線路受風(fēng)影響，呈現(xiàn)較大擺動(dòng)角度，如圖2所示。

圖1 220 kV某線路耐張塔引流線斷裂情況

圖2 故障線路受風(fēng)影響情況

經(jīng)檢查，引流線斷裂位置位于大號(hào)側(cè)引流線夾引流管口處，且48根鋁絞線中處于外層的10根鋁股截?cái)嗝嫜趸潭让黠@大于內(nèi)層。

2 檢測(cè)分析

為查找導(dǎo)線斷裂原因，對(duì)故障相引流線(包括斷裂及未斷裂的導(dǎo)線)進(jìn)行外觀檢查、導(dǎo)線本體(鋼芯線及外層鋁絞線)及引流線夾壓接質(zhì)量檢測(cè)，并詳細(xì)分析現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況。

2.1 外觀檢查

經(jīng)檢查，導(dǎo)線斷口處(包括引流管端及引流線端)鋼芯線和鋁線均不平整，斷口整體參差不齊，斷口氧化程度由內(nèi)向外逐漸加劇；鋁線及鋼芯斷口形貌相對(duì)平整，未發(fā)現(xiàn)尖銳結(jié)構(gòu)。此外，引流管口處有明顯的磨損痕跡，具體如圖3所示。

圖3 導(dǎo)線斷口情況

斷裂子引流線大、小號(hào)側(cè)的2支線夾壓接情況如圖4所示。由圖4可知，2支線夾的壓接工藝有明顯區(qū)別。

圖4 不同施工工藝的引流線夾

在距離導(dǎo)線斷口約70 cm處，鋼芯及外層鋁線嚴(yán)重?zé)龘p斷股，且在導(dǎo)線其他位置有明顯的熔融鋁塊粘附，此外未發(fā)現(xiàn)其他異常附著物。采用水及酒精對(duì)污染處進(jìn)行擦拭，污染物均可清除，導(dǎo)線表面未發(fā)現(xiàn)腐蝕痕跡，如圖5所示。

圖5 導(dǎo)線燒融斷股情況

綜上，故障相引流線在引流管根部斷裂，斷口呈脆斷形態(tài)，且斷裂過程由外及內(nèi)；發(fā)生斷裂的引流線兩側(cè)線夾所采用的壓接工藝不同；斷裂導(dǎo)線在距斷口70 cm處發(fā)生燒損斷股，未發(fā)現(xiàn)電化學(xué)腐蝕痕跡。

2.2 導(dǎo)線本體質(zhì)量檢測(cè)

對(duì)發(fā)生斷裂的子引流線、未斷裂的子引流線進(jìn)行單線拉斷力試驗(yàn)，對(duì)斷裂的子引流線進(jìn)行鋼單線扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)、卷繞試驗(yàn)和鋁單線卷繞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示。

表1 子引流線單線拉斷力試驗(yàn)結(jié)果

表2 斷裂子引流線扭轉(zhuǎn)、卷繞試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，規(guī)格為300/25的鋼芯鋁絞線額定拉斷力為83.76 kN[8]。由表1可知，2根子引流線的鋼線、鋁線拉斷力總和均大于標(biāo)準(zhǔn)要求值。由表2可知，發(fā)生斷裂的子引流線扭轉(zhuǎn)、卷繞試驗(yàn)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

綜上，故障相導(dǎo)線本體質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果合格，未發(fā)現(xiàn)機(jī)械老化下降現(xiàn)象，排除因?qū)Ь€質(zhì)量不滿足要求而造成斷裂的原因。

2.3 引流線夾壓接質(zhì)量檢測(cè)

對(duì)2根子引流線線夾(4支，分大小號(hào)側(cè))壓接部位的壓接情況進(jìn)行X射線數(shù)字成像檢測(cè)。通過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)4支引流線夾均無因過壓造成的導(dǎo)線局部受損或縮徑情況。采用不同壓接形式的引流線夾檢測(cè)圖譜如圖6所示。

圖6 引流線夾壓接情況X射線數(shù)字成像檢測(cè)圖譜

此外，根據(jù)導(dǎo)線壓接有關(guān)要求[9]，4支被測(cè)引流線夾壓接及預(yù)留尺寸均符合工藝標(biāo)準(zhǔn)，可排除因?qū)Ь€壓接工藝不良導(dǎo)致斷裂的可能。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況分析

(1)故障區(qū)段地形及氣象環(huán)境

故障線路大致呈南北走向，桿塔所處環(huán)境為戈壁灘，其西側(cè)為南北走向的高山、東側(cè)為平原，整個(gè)地區(qū)東西兩側(cè)高，中間低，南北兩側(cè)寬；故障桿塔所處位置狹窄，塔位直接處于風(fēng)口微地形區(qū)，常年受風(fēng)力的影響較大。

根據(jù)相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，該地區(qū)風(fēng)速常年穩(wěn)定在2～8 m/s[10](個(gè)別特殊情況除外)，且風(fēng)向多為自西向東，從西側(cè)山麓吹向桿塔，與導(dǎo)線所呈夾角大于45°(多數(shù)情況下為80°～90°)。B相引流線與導(dǎo)線處于同一平面，間夾角約為90°。

(2)導(dǎo)線材質(zhì)及防振錘安裝位置

導(dǎo)線全線采用鋼芯鋁絞線，其表面光滑，直徑和截面比較小，雖受風(fēng)載荷減小，覆冰和舞動(dòng)現(xiàn)象減少，但一旦發(fā)生微風(fēng)振動(dòng)，會(huì)增大微風(fēng)振動(dòng)幅值和持續(xù)時(shí)間。

原線路已安裝防振錘，經(jīng)過相關(guān)校核計(jì)算，其安裝位置合理，能夠有效吸收振動(dòng)能量，從而達(dá)到改變線路搖擺頻率的目的。然而，因引流線T型線夾安裝位置是在耐張線夾與防振錘之間，線夾出口與距防振錘距離發(fā)生改變，導(dǎo)致防振錘的防振效果沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

懸垂絕緣子不是防風(fēng)偏絕緣子，引流線長，T型線夾平行于地面，在這個(gè)地區(qū)正常風(fēng)吹時(shí)，引流線也相對(duì)線路運(yùn)動(dòng)，線夾口長期處于疲勞狀態(tài)。

此外，引流線全線加裝絕緣護(hù)套，引流線所受風(fēng)壓大約是未裝護(hù)套前2.2倍，增加了引流線的振動(dòng)頻次。

綜上，故障線路桿塔運(yùn)行處于一個(gè)常年有較為穩(wěn)定風(fēng)速的環(huán)境中，且風(fēng)向與導(dǎo)線夾角大于45°，滿足線路微風(fēng)振動(dòng)的起振條件。原線路雖安裝有防振錘，但防振效果未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。引流線因安裝有絕緣護(hù)套，自重增大，引流線所受風(fēng)壓及引流線與導(dǎo)線連接的T接線夾受力均變大。

2.5 結(jié) 論

根據(jù)對(duì)故障的引流導(dǎo)線及其線夾進(jìn)行檢測(cè)，并分析其運(yùn)行環(huán)境得到以下結(jié)論：

(1)導(dǎo)線斷口呈脆斷形狀，是長期由外及內(nèi)脆斷的過程。外層鋁線與引流管端部有較為嚴(yán)重的摩擦，兩者間有重復(fù)作用力。斷口附近鋁線、鍍鋅鋼線無明顯異常拉伸情況，未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線由于受到超出其承受能力的張力而發(fā)生斷裂的情況。對(duì)比采用不同壓接方式的引流線夾，未發(fā)現(xiàn)壓接過程對(duì)導(dǎo)線造成損傷或縮徑現(xiàn)象，由此判斷導(dǎo)線斷裂并非因?yàn)閱未螜C(jī)械過載荷。

(2)根據(jù)故障點(diǎn)所處地理環(huán)境以及鋁線斷裂過程，判斷是由于微風(fēng)振動(dòng)長期作用于導(dǎo)線，使導(dǎo)線產(chǎn)生垂直的上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而在導(dǎo)線與T型線夾連接引流線之間因相互牽引出現(xiàn)一穩(wěn)定頻率的振動(dòng)，在該頻率振動(dòng)下，引流線對(duì)引流管口不斷摩擦的同時(shí)逐漸積累金屬疲勞(最外層鋁線同時(shí)受到磨損和金屬疲勞作用會(huì)最先斷裂)，而故障發(fā)生時(shí)的大風(fēng)造成引流線與導(dǎo)線劇烈擺動(dòng)，在多種力的作用下最終導(dǎo)致引流線斷裂。

(3)在導(dǎo)線70 cm斷股處未發(fā)現(xiàn)粉末狀腐蝕物，鋁線表面未發(fā)生任何潰瘍狀腐蝕坑陷，附著物均可清理；斷股處鋼芯及鋁線有明顯熔融狀。根據(jù)導(dǎo)線本體斷股及其他部位粘附的鋁塊情況，判斷熔融原因?yàn)閿嗫阡X線全部斷裂后鋼芯載流，由于鋼芯電阻較大及趨膚效應(yīng)，電流在彎頭處(弧垂最低點(diǎn))向鋁線擴(kuò)散，因鋼、鋁接觸面存在接觸電阻，在大電流流過時(shí)嚴(yán)重發(fā)熱，從而燒熔外層鋁線及部分鋼芯線。

3 改造方案

導(dǎo)致此次引流導(dǎo)線斷裂的主要原因?yàn)槲L(fēng)振動(dòng)，而因引流線全線包覆了防鳥絕緣護(hù)套導(dǎo)致未能及時(shí)從外觀上發(fā)現(xiàn)缺陷的存在，因此，相關(guān)的改造也主要從抑制微風(fēng)振動(dòng)和便于巡視方面著手，具體方案如下：

(1)更換故障相的引流導(dǎo)線，并在新裝子引流線間加裝間隔棒，使子導(dǎo)線間活動(dòng)相互牽制，緩沖風(fēng)壓，增加其抗微風(fēng)振動(dòng)能力；

(2)拆除靠近壓接管側(cè)一定距離的絕緣護(hù)套，減小引流線整體所受風(fēng)壓及根部垂直向下的壓力，同時(shí)便于巡視人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)引流線缺陷。

更換改造后的故障相引流線如圖7所示。

圖7 故障相引流線更換改造后情況

相較于外在表征明顯的風(fēng)害及舞動(dòng)，架空輸電線路的微風(fēng)振動(dòng)更具有隱蔽性，往往在發(fā)現(xiàn)時(shí)就已經(jīng)造成了導(dǎo)線斷股甚至斷裂等較為嚴(yán)重的后果，因此，為進(jìn)一步提升架空輸電線路抗微風(fēng)振動(dòng)能力，提高其運(yùn)行可靠性，提出以下建議：

(1)在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)充分考慮線路經(jīng)過風(fēng)區(qū)時(shí)可能引發(fā)微風(fēng)振動(dòng)的各類因素，包括風(fēng)速、風(fēng)向角、地形、導(dǎo)線高度等，尤其是對(duì)線路中相引流線應(yīng)進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)，要充分考慮其位置的特殊性，如直線耐張塔的中相引流線建議安裝在桿塔的下風(fēng)口側(cè)等；

(2)對(duì)中相引流線進(jìn)行優(yōu)化改造，如安裝預(yù)絞式副引流線、安裝能減小引流線與導(dǎo)線T接角度的新型線夾，或在引流管與導(dǎo)線間加裝能減輕引流線因風(fēng)擺動(dòng)的固定(支撐)線夾等；

(3)對(duì)采用分裂形式的導(dǎo)線或引流線應(yīng)加裝間隔棒以抑制微風(fēng)引起的導(dǎo)線振動(dòng)和強(qiáng)風(fēng)誘發(fā)的跳線振蕩，同時(shí)要按設(shè)計(jì)要求配置好防振錘及防風(fēng)偏絕緣子等裝置；尤其是防振錘的選取，要避免因選型不當(dāng)或產(chǎn)品質(zhì)量不佳造成導(dǎo)線磨損等問題；

(4)對(duì)防風(fēng)及防鳥害需求都較大的區(qū)域建議采取除絕緣護(hù)套外的措施或減少絕緣護(hù)套在引流線上的使用量，避免因絕緣護(hù)套遮蔽導(dǎo)線所造成的外觀巡視困難、紅外測(cè)溫不準(zhǔn)確等問題；

(5)對(duì)相關(guān)區(qū)域線路要定期開展紅外測(cè)溫及巡視，可視情況安裝微風(fēng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，避免因微風(fēng)振動(dòng)造成的斷裂故障發(fā)生；

(6)在提高技防能力的同時(shí)，加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)維單位責(zé)任考核，強(qiáng)化巡視規(guī)程執(zhí)行力度，不斷提高人員技術(shù)、技能水平。

4 結(jié) 論

(1)通過對(duì)某220 kV耐張塔斷裂的引流線進(jìn)行外觀、機(jī)械性能、壓接質(zhì)量等方面的檢測(cè)分析，判斷其斷裂故障原因并非導(dǎo)體產(chǎn)品質(zhì)量存在缺陷或安裝工藝不良。

(2)分析故障導(dǎo)線運(yùn)行環(huán)境，包括故障區(qū)段地段及氣象環(huán)境、導(dǎo)線材質(zhì)及防振錘安裝位置等，判斷引流線斷裂的主要原因?yàn)槲L(fēng)振動(dòng)，而故障發(fā)生時(shí)的大風(fēng)加速了斷裂過程。

(3)為防范類似故障發(fā)生，提出了在新更換的雙分裂引流線間加裝間隔棒、拆除靠近壓接管側(cè)一定距離的絕緣護(hù)套等措施，并取得了較好效果。

(4)微風(fēng)振動(dòng)對(duì)架空輸電線路的損害具有隱蔽性，為提升線路運(yùn)行安全性，應(yīng)在設(shè)計(jì)階段充分考慮各類影響因素并進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)，在運(yùn)維階段要加強(qiáng)線路隱患的巡視和監(jiān)測(cè)。