500 kV輸電導(dǎo)線耐張線夾斷裂失效分析

陳家慧，趙興虹，劉 曦，馮 杰，林德源

(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041；2.四川蜀能電力有限公司高新分公司，四川 成都 610041；3.國網(wǎng)福建省電力公司電力科學(xué)研究院，福建 福州 350007)

0 引 言

耐張線夾是用于在耐張、轉(zhuǎn)角、終端桿塔的絕緣子串上固定導(dǎo)線或避雷線，并承受導(dǎo)線張力的金具。壓縮型耐張線夾作為機械和電氣負(fù)荷的傳遞者，是輸電線路最常見的工具之一[1-6]。本體由鋼錨和鋁管組成，鋼錨用來接續(xù)和錨固鋼芯鋁絞線的鋼芯，通過壓力使鋁管產(chǎn)生塑性變形，從而使線夾與導(dǎo)線結(jié)合在一起。線夾的裝配、設(shè)計和壓接缺陷以及惡劣運行環(huán)境均有可能造成線夾斷裂[7-11]，直接威脅高壓輸電線路的安全運行。

下面以一起500 kV輸電導(dǎo)線耐張線夾內(nèi)鋼芯斷裂事故為研究對象，對失效線夾進行解剖，借助材料表征手段綜合分析線夾斷裂原因，并提出科學(xué)、可行的防護措施，對防止類似事故發(fā)生、提高耐張線夾可靠性有一定的警示、借鑒意義。

1 事故概況

2018年6月， 500 kV某輸電線路發(fā)生非計劃停運跳閘，選相為AC相(無負(fù)荷損失)，故障巡視發(fā)現(xiàn)140號塔小號側(cè)四分裂導(dǎo)線C相(中相)的左下導(dǎo)線耐張線夾斷裂，導(dǎo)致子導(dǎo)線掉落，與A相(下相)距離不足，如圖1所示。140號塔型為SJ 453，同塔雙回路架設(shè)，小號側(cè)檔距為148 m，掛線點高差為48.5 m，氣象區(qū)為10 mm輕冰，27 m/s風(fēng)速。導(dǎo)線型號為JL/GIA-500/45-48/7鋼芯鋁絞線，耐張線夾型號為NY-500/45，鋁管材質(zhì)為1050A。

圖1 導(dǎo)線耐張線夾失效現(xiàn)場形貌

2 理化檢驗

2.1 宏觀分析

結(jié)合失效耐張線夾外部(見圖2)和內(nèi)部情況(見圖3)，線夾存在兩處斷口。鋁管斷裂位置為接續(xù)板附近的未壓接區(qū)(近鋼錨側(cè))，斷口具有明顯拉伸頸縮特征，屬于韌性斷裂。導(dǎo)線鋼芯斷裂在距端口34 mm的鋼錨內(nèi)部，整體看7根鋼芯斷口高低不平，拉邊與軸線幾乎成45°，斷口處均存在明顯的頸縮現(xiàn)象，宏觀上顯示一定的塑性變形特征，如圖4所示。鋼芯的表面和斷面均覆蓋有大量的黑色產(chǎn)物，局部位置有明顯的擠壓和磨損痕跡，表明鋼芯在運行時承受拉伸、擠壓和摩擦多種應(yīng)力。

圖2 耐張線夾鋁管斷裂位置

圖3 鋼錨內(nèi)鋼芯斷裂位置

圖4 鋼芯斷裂的宏觀形貌

2.2 壓接質(zhì)量檢測

對失效耐張線夾的壓接質(zhì)量進行測量，發(fā)現(xiàn)鋁管和鋼管的壓后最大對邊距均符合《輸變電工程架空導(dǎo)地線(800 mm2以下)及地線液壓壓接工藝規(guī)程》(DL/T 5285-2018)的相關(guān)要求。但鋼錨的外觀形貌顯示，鋼錨存在明顯的彎曲變形，且表面有較深的壓接痕跡(見圖5)。經(jīng)測量，鋼錨彎曲點與鋼芯斷裂位置一致，可知鋼錨壓接工藝不合格導(dǎo)致內(nèi)部鋼芯在變形處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。

圖5 鋼錨外觀形貌

2.3 掃描電鏡及能譜分析

將7根鋼芯線中的2根鋼芯線斷口置于掃描電子顯微鏡下觀察，結(jié)果見圖6。由圖6(a)和6(c)可知，鋼芯斷口凹凸不平，C區(qū)存在剪切唇特征，斷口有明顯的徑縮現(xiàn)象，符合韌性斷裂特征。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，斷口A區(qū)域附近的表面磨損處存在很多互相平行且垂直于鋼芯徑向的裂紋，最大裂紋寬度達(dá)100 μm，如圖6(c)和6(d)所示。由此可知，裂紋在A區(qū)域萌生，B區(qū)域快速擴展，C區(qū)域瞬時斷裂。由圖6(b)可知，2號樣斷口覆蓋有大量的堆積物，經(jīng)能譜儀分析為氧化腐蝕產(chǎn)物，占據(jù)約1/3斷面，表明其斷裂時間早于1號樣。對圖6(d)中鋼芯表面進行能譜分析，結(jié)果以Zn、Fe、O三種元素為主，可推斷鋼芯表面的黑色物質(zhì)為鍍鋅層氧化后產(chǎn)物。觀察斷口外緣形貌，發(fā)現(xiàn)原圓弧形外表面局部已變形成為邊角狀，即本應(yīng)為圓周形狀的鋼芯線外周表面變?yōu)槎噙呅渭皥A弧形的混合形狀，且擠壓變形區(qū)域與裂紋源位置一致。

圖6 鋼芯微觀形貌

由此推斷，原鋼芯線斷口位置曾經(jīng)受外力擠壓后變形，變形部位機械強度較低，可成為裂紋萌生點。

2.4 顯微組織分析

選取1根鋼芯進行切割、鑲嵌、拋磨，在金相顯微鏡下觀察其徑向截面，鋼芯內(nèi)部無異常的金屬夾雜物，如7(a)所示。經(jīng)硝酸酒精浸蝕后，基體組織顯示為鐵素體+索氏體，表明顯微組織正常，如7(b)所示。

圖7 鋼芯橫向顯微形貌

2.5 力學(xué)性能試驗

從遠(yuǎn)離斷口的失效鋼芯和鋁管上分別選取3段試樣進行室溫拉伸試驗，鋼芯和鋁管的最小抗拉強度分別為1580 MPa和87 MPa，鋁管斷后平均伸長率為46%，分別滿足《導(dǎo)地線采購標(biāo)準(zhǔn) 第2部分：鋼芯鋁絞線專用技術(shù)規(guī)范 》(Q/GDW 13236.2-2014)和《鋁及鋁合金熱擠壓管 第1部分：無縫圓管》(GB/T 4437.1-2015)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.6 材質(zhì)分析

對耐張線夾鋁管進行化學(xué)成分分析，結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》(GB/T 3190-2008)中對牌號1015A的要求。鋼芯線的化學(xué)成分檢測結(jié)果顯示，鋼材中有害元素P和S的含量分別為0.015%和0.008%，均滿足相關(guān)要求。

3 綜合分析

通過上述分析可知，耐張線夾中鋼芯和鋁管的顯微組織、力學(xué)性能及材質(zhì)均滿足相關(guān)要求。鋼錨上有較深壓接痕跡且存在明顯彎曲現(xiàn)象，內(nèi)部鋼芯在變形處產(chǎn)生應(yīng)力集中。這極有可能是壓接過程中出現(xiàn)鋼錨彎曲，然后試圖通過反復(fù)壓接將鋼管彎曲部位復(fù)原所致。多次壓接過程導(dǎo)致鋼芯產(chǎn)生擠壓變形，機械強度降低。運行時，鋼芯和鋼錨在變形處產(chǎn)生較大的接觸摩擦使鋼芯表面被磨損，其力學(xué)性能進一步降低。鋼芯在表面受損處產(chǎn)生裂紋源，使耐張線夾承受載荷的有效面積減小。在導(dǎo)線張力作用下，受損較嚴(yán)重的鋼芯在應(yīng)力集中處首先發(fā)生斷裂，剩余鋼芯和鋁管承受的載荷急劇增大，且鋼芯斷口較為鋒利，會對周邊的鋼芯造成持續(xù)的摩擦損傷，形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致剩余鋼芯和鋁管斷裂。

4 結(jié) 語

該導(dǎo)線耐張線夾斷裂屬于韌性斷裂事故，主要是由線夾壓接質(zhì)量不佳引起的。鋼錨彎曲變形導(dǎo)致鋼芯在變形處產(chǎn)生應(yīng)力集中，壓接過程中的擠壓變形和運行過程中的摩擦損傷使鋼芯力學(xué)性能顯著降低，在導(dǎo)線張力作用下鋼芯相繼被拉斷，從而使鋁管拉伸斷裂，最終導(dǎo)致耐張線夾失效。

為提高耐張線夾的運行可靠性，建議對同批次壓接耐張線夾進行X射線探傷檢測，排查壓接時存在的安全隱患，防止類似事故再次發(fā)生。在新建、改造及擴建的線路工程中，應(yīng)提升耐張線夾壓接工藝，加強對線夾壓接質(zhì)量的抽檢，以確保線路安全。