±660 kV銀東直流大截面導(dǎo)線耐張線夾斷裂故障分析

房子祎 ,郝金鵬 ,劉世濤 ,楊偉東 ,楊凱 ,吳波

（1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏銀川 750011；2.國網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏銀川 750011；3.寧夏電力能源科技有限公司，寧夏銀川 750011）

0 引言

耐張線夾是輸電線路的關(guān)鍵連接部位之一，既承擔(dān)導(dǎo)線的導(dǎo)電功能，又承擔(dān)導(dǎo)線的全部張力，其運(yùn)行可靠性直接影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。隨著導(dǎo)線要求的輸送容量不斷增大，導(dǎo)線截面也不斷擴(kuò)大，當(dāng)導(dǎo)體標(biāo)稱截面≥800 mm2時(shí)，其優(yōu)越的電氣性能和機(jī)械性能即可滿足超特高壓輸電工程對(duì)導(dǎo)線大容量、遠(yuǎn)距離、低損耗的輸電技術(shù)要求，與此同時(shí)，對(duì)相應(yīng)耐張線夾的運(yùn)行質(zhì)量要求也愈高[3-5]。耐張線夾的運(yùn)行質(zhì)量主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是本體材質(zhì)優(yōu)異，不存在鍛造缺陷，不會(huì)輕易發(fā)生內(nèi)部腐蝕或組織老化等性能劣化情況；二是壓接工藝和質(zhì)量滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。前者可通過強(qiáng)化物資采購、駐場(chǎng)監(jiān)造、到貨驗(yàn)收等手段進(jìn)行質(zhì)量管控，后者則由于在電網(wǎng)基建工程中監(jiān)督檢驗(yàn)量較大、檢驗(yàn)手段欠缺，易出現(xiàn)不同程度的問題，嚴(yán)重者甚至發(fā)生失效斷裂，造成輸電線路故障停運(yùn)[6-8]；因此，對(duì)耐張線夾壓接質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)及缺陷分析，可為進(jìn)一步提高耐張線夾壓接質(zhì)量和改進(jìn)壓接工藝提供理論和實(shí)踐依據(jù)[2-9]。目前已有不少學(xué)者在耐張線夾壓接后的質(zhì)量檢測(cè)方面做出研究：文獻(xiàn)[10]研究采用X射線無損探傷技術(shù)對(duì)耐張線夾進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)問題線夾多存在工藝性和功能性兩類缺陷；文獻(xiàn)[11]提出了一種基于超聲波的壓接質(zhì)量檢測(cè)方法，并通過仿真分析超聲波的聲場(chǎng)分布，得到了適用于壓接質(zhì)量檢測(cè)的探頭頻率；文獻(xiàn)[12]則以某一特定壓縮型耐張線夾為對(duì)象，利用有限元仿真研究了標(biāo)準(zhǔn)壓接長度時(shí)耐張線夾的拉伸受力性能，從而明確了不同的線夾失效表征形式。這些研究多只針對(duì)導(dǎo)線截面為800 mm2以下的耐張線夾，對(duì)于大截面導(dǎo)線耐張線夾壓接質(zhì)量檢測(cè)的研究相對(duì)較少。

±660 kV 銀東線為我國首條±660 kV 輸電線路，在設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合了直流線路特點(diǎn)和該輸電工程的實(shí)際情況，采用4×1 000 mm2的大截面導(dǎo)線，以獲得經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的雙優(yōu)效果[13-14]。通過對(duì)±660 kV 銀東線斷裂的耐張線夾進(jìn)行宏觀檢測(cè)、解體分析和微觀檢測(cè)，從而提出對(duì)應(yīng)的管控措施，這為大截面導(dǎo)線的耐張線夾壓接質(zhì)量檢測(cè)分析及管控提供了借鑒

1 線路概況及設(shè)備信息

±660 kV 銀東直流輸電線路于2020 年10 月綜檢時(shí)，X 射線檢測(cè)發(fā)現(xiàn)3 處耐張線夾，分別是極I 線小號(hào)側(cè)4 號(hào)子導(dǎo)線、17 號(hào)耐張塔極Ⅱ線大號(hào)側(cè)兩根上子導(dǎo)線（1 號(hào)、4 號(hào)）壓接處導(dǎo)線鋼芯斷裂。

1.1 線路概況

該±660 kV 直流線路于2010 年11 月26 日投運(yùn)，17 號(hào)耐張塔位于17—22 號(hào)耐張段內(nèi)，跨越高速公路，耐張段全長2.06 km，線路弧垂符合標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)行期間，未發(fā)生覆冰、舞動(dòng)等情況，可排除運(yùn)行中的應(yīng)力導(dǎo)致耐張線夾鋼芯斷裂。

1.2 耐張線夾型號(hào)

耐張線夾型號(hào)為NY-100/45，鋁管外徑Φ72 mm，內(nèi)徑Φ44.2 mm，鋁管總長650 mm，鋁管壓接導(dǎo)線長度340 mm，鋼錨鋼芯管壓接處外徑Φ22 mm，鋼芯管內(nèi)孔Φ9.1 mm，鋼芯管孔深135 mm。鋼芯鋁絞線型號(hào)為JL/G3A-1000/45-72/7，結(jié)構(gòu)根數(shù)/直徑為鋁72/4.21 mm、鋼7/2.80 mm。

2 宏觀檢測(cè)及分析

耐張線夾的壓接工藝會(huì)直接影響其壓接質(zhì)量，為檢查斷裂的耐張線夾壓接質(zhì)量是否存在明顯缺陷，首先對(duì)3 支耐張線夾進(jìn)行宏觀檢測(cè)，開展外觀尺寸檢查、導(dǎo)線力學(xué)性能和X 射線成像分析。

2.1 外觀尺寸檢查

對(duì)耐張線夾進(jìn)行對(duì)邊距測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示。3 支耐張線夾的對(duì)邊距均符合文獻(xiàn)[3]“三個(gè)對(duì)邊距只應(yīng)有一個(gè)達(dá)到允許最大值”要求。測(cè)量耐張線夾壓接后的鋁管長度為715～720 mm。鋁管伸長量為65～70 mm，伸長量為鋁管長度的10%～10.7%。單模長度約為65 mm。

表1 3支耐張線夾壓接后鋁管長度檢測(cè)結(jié)果

將X 射線成像圖與實(shí)物圖進(jìn)行對(duì)比，如圖1—圖3 所示。極Ⅰ小號(hào)側(cè)4 號(hào)子導(dǎo)線斷裂點(diǎn)距壓接管端口約340 mm，極Ⅱ大號(hào)側(cè)1 號(hào)子導(dǎo)線斷裂點(diǎn)距壓接管端口約355 mm，極Ⅱ大號(hào)側(cè)4號(hào)子導(dǎo)線斷裂點(diǎn)距壓接管端口約320 mm，3 支子導(dǎo)線鋼芯斷裂點(diǎn)均位于不壓區(qū)向?qū)Ь€側(cè)的第一模長度內(nèi)。

圖1 17號(hào)塔極Ⅰ小號(hào)側(cè)4號(hào)子導(dǎo)線耐張線夾

圖2 17號(hào)塔極Ⅱ大號(hào)側(cè)1號(hào)子導(dǎo)線耐張線夾情況

圖3 17號(hào)塔極Ⅱ大號(hào)側(cè)4號(hào)子導(dǎo)線耐張線夾

2.2 導(dǎo)線力學(xué)性能檢測(cè)

截取17 號(hào)塔極Ⅱ大號(hào)側(cè)4 號(hào)子導(dǎo)線，對(duì)其開展力學(xué)性能測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容包括導(dǎo)線表面質(zhì)量、導(dǎo)線結(jié)構(gòu)、直徑及直徑偏差、抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、伸長率試驗(yàn)、卷繞實(shí)驗(yàn)和扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，導(dǎo)線本體質(zhì)量良好，子導(dǎo)線的各項(xiàng)性能參數(shù)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)線未發(fā)生機(jī)械老化下降。

2.3 X射線成像檢測(cè)

為觀察耐張線夾內(nèi)部壓接情況，對(duì)3 支耐張線夾進(jìn)行X 射線成像檢測(cè)。17號(hào)塔極Ⅰ小號(hào)側(cè)4號(hào)子導(dǎo)線X 射線成像如圖4所示。從圖中可以看出，鋼錨已發(fā)生彎曲形變，鋼芯斷裂。其中鋼錨端面與鋁股的間距約為5.48 mm，鋼芯斷裂處的裂縫間距約為4.93 mm，略小于鋼錨端面與鋁股的間距。

圖4 17號(hào)塔極Ⅰ小號(hào)側(cè)4號(hào)子導(dǎo)線耐張線夾情況

17號(hào)塔極Ⅱ大號(hào)側(cè)1號(hào)子導(dǎo)線X射線成像如圖5 所示。從圖中可以看出，鋼錨頂壓鋁絞線端面，鋼錨已嵌入鋁股內(nèi)，鋼錨前端存在空隙。鋼錨前端空隙長度約為4.36 mm，鋼芯斷裂處裂縫間距約為4.68 mm。鋼芯斷口長度與鋼錨前端空隙長度基本一致。

圖5 17號(hào)塔極Ⅱ大號(hào)側(cè)1號(hào)子導(dǎo)線X射線成像

17號(hào)塔極Ⅱ大號(hào)側(cè)4號(hào)子導(dǎo)線X射線成像如圖6所示。從圖中可以看出，鋁股端面頂壓鋼錨，鋼錨前端存在空隙。其中鋼錨前端空隙長度約為5.41 mm，鋼芯斷裂處裂縫間距約為7.21 mm。

圖6 17號(hào)塔極Ⅱ大號(hào)側(cè)4號(hào)子導(dǎo)線

X 射線檢測(cè)結(jié)果表明，耐張線夾鋼錨與鋁股端面曾存在擠壓受力的情況。鋼錨與鋁股端面擠壓受力不符合文獻(xiàn)[3]中“完成耐張線夾或接續(xù)管壓接后，鋁股端面不應(yīng)頂壓鋼管,壓接前鋁股端面與鋼管距離預(yù)留一定距離，壓接后鋁股端面與鋼管距離3～5mm”的工藝要求。

17 號(hào)塔極Ⅰ小號(hào)側(cè)4 號(hào)子導(dǎo)線鋼錨彎曲，估計(jì)是在壓接過程中發(fā)生形變，或者是鋼錨與鋁股擠壓所致，還需解體分析。

3 解體分析

為分析耐張線夾內(nèi)部情況，以17號(hào)塔大號(hào)側(cè)4 號(hào)子導(dǎo)線為例，解剖耐張線夾壓接區(qū)鋁管。使用銑床沿鋁管軸向切兩條縱縫，縱縫深度以將鋁管切透，并且盡可能避免傷及導(dǎo)線和鋼錨為原則，兩條縱縫在截面上呈120°，取下第一刀和第二刀之間的鋁管，觀察鋼錨凹槽、鋼錨、壓接區(qū)鋁絞線等內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

解剖后耐張線夾外觀如圖7 所示?？梢钥闯?，鋁絞線壓接凹陷部位與鋁管外部壓痕一一對(duì)應(yīng)，無重復(fù)壓接痕跡，鋁絞線與鋁管無相對(duì)滑動(dòng)痕跡，外層鋁絞線在未壓接區(qū)內(nèi)平整且完好。線夾內(nèi)部無異物，無因密封不良導(dǎo)致的銹蝕。

圖7 解剖后耐張線夾外觀

為逐層分析鋁絞線受力及形變情況，將鋁絞線從外至內(nèi)依次編號(hào)為第1 層、第2 層、第3 層和第4 層，如圖8 所示?？梢钥闯龈鲗愉X線端面參差不齊，第1層鋁絞線超出鋼錨最多，其他鋁絞線超出鋼錨的長度依次減小，由外至內(nèi)呈階梯狀排列。第3 層鋁絞線與鋼錨端面已接觸，存在明顯的擠壓痕跡。

圖8 鋁絞線編號(hào)

圖9 為鋼錨和鋁絞線處局部放大圖，可以看出，第1層鋁絞線超出鋼錨最多，其他鋁絞線超出鋼錨的長度依次減小，由外至內(nèi)呈階梯狀排列。

圖9 鋼錨和鋁絞線局部放大

如圖10所示，將前三層鋁絞線去除，測(cè)量第4層鋁絞線與鋼錨之間的間隙長度為6 mm，與X 射線照片中鋼芯斷裂間隙一致。

圖10 去除前三層鋁線后，鋁絞線端部與鋼錨間距測(cè)量

鋁絞線端部局部放大如圖11所示?？梢钥闯?，第1 層和第2 層鋁線基本完好，鋁線端面基本呈圓形，無明顯因受力導(dǎo)致的形變，其中，第1層鋁絞線直徑為4.18 mm，第2層鋁絞線直徑為4.20 mm，符合標(biāo)準(zhǔn)要求（4.21±0.0421）mm。

圖11 鋁絞線端部局部放大

如圖12 所示，第3 層部分鋁絞線端部存在明顯的局部翹曲變形，受擠壓面較為光滑，為鋼錨端部向?qū)Ь€側(cè)擠壓所形成。

圖12 第3層鋁絞線端部軸向擠壓變形區(qū)

第4 層整圈鋁絞線均受到擠壓，發(fā)生了明顯的彎曲變形，擠壓變形區(qū)域如圖13 所示，其彎曲度約為16.3°。

圖13 第4層鋁絞線端部擠壓變形區(qū)

除去外層鋁絞線以觀察斷裂的鋼芯，如圖14所示。鋼芯斷裂情況與X 射線檢測(cè)結(jié)果一致。為觀察鋼芯斷口處的形變情況，按圖14標(biāo)示位置進(jìn)行鋼芯斷口取樣。

圖14 鋼芯斷裂位置

用光學(xué)顯微鏡觀察鋼芯斷口情況，斷口表面如圖15所示?？梢钥闯觯瑪嗫诒砻鏋楹谏?、無光澤，說明斷口發(fā)生了氧化，可判斷鋼芯斷裂時(shí)間較長。斷口分為三部分，中心為纖維區(qū)，向外為輻射區(qū)，最外層為剪切唇區(qū)，呈現(xiàn)典型的拉伸韌性斷口特征。

圖15 鋼芯斷口表面

沿鋼芯軸向進(jìn)行直徑測(cè)量，鋼芯未拉伸區(qū)的直徑為2.808 mm。如圖16所示，接近斷口處的鋼芯直徑為2.564 mm，初始形變區(qū)鋼芯直徑為2.501 mm，斷口處鋼芯直徑為2.199 mm，斷裂處存在明顯的“頸縮”現(xiàn)象，呈現(xiàn)典型的拉伸斷裂特征。

圖16 鋼芯斷口“頸縮”現(xiàn)象

為驗(yàn)證光學(xué)顯微鏡的觀察結(jié)果，對(duì)鋼芯斷口進(jìn)行掃描電鏡分析和能譜分析。

采用掃描電鏡對(duì)鋼芯斷口纖維區(qū)進(jìn)行微觀形貌檢測(cè)，圖17所示為斷口纖維區(qū)的韌窩?？梢钥闯鰯嗫诘睦w維區(qū)呈暗灰色、纖維狀，呈現(xiàn)韌窩狀花樣。證明鋼芯斷口為拉伸韌性斷口。

圖17 鋼芯斷口韌窩

圖18為鋼芯斷口纖維區(qū)的能譜分析圖，纖維區(qū)的元素含量如表2所示。

圖18 纖維區(qū)能譜分析圖譜

表2 纖維區(qū)元素含量

可以看出，鋼芯斷口纖維區(qū)的主要元素含量從高到低依次為Fe，C，O。其中Fe、C 元素為鋼芯本體材料所固有，O元素的存在說明鋼芯斷口處已發(fā)生了氧化，與光學(xué)顯微鏡觀察到的黑色氧化層相符。除鋼芯本體含有的元素外，斷口內(nèi)金屬無其他腐蝕性元素。說明鋼錨區(qū)沒有進(jìn)水，未發(fā)生銹蝕，壓接過程也未導(dǎo)致腐蝕性物質(zhì)進(jìn)入鋼錨內(nèi)。

4 鋁絞線形變過程分析

解剖耐張線夾后，可以看出鋁絞線端部各層呈階梯狀排列，且內(nèi)層（第3 層、第4 層）鋁絞線存在擠壓變形情況，說明由于鋼錨與鋁絞線端部預(yù)留間隙不足，導(dǎo)致鋁絞線端部在壓接過程中與鋼錨擠壓發(fā)生形變。圖19 為鋼錨與鋁絞線端部預(yù)留間隙不足時(shí)，壓接過程中鋁絞線的受力情況。

圖19 預(yù)留間隙不足時(shí)，鋁絞線受力

壓接從鋁管端部逐漸向鋼錨處進(jìn)行，當(dāng)鋼錨與鋁絞線端部預(yù)留間隙不足時(shí)，由于鋁絞線由外至內(nèi)所受應(yīng)力逐漸降低，第1 層和第2 層鋁絞線端部不受鋼錨的影響，伸長量與鋼錨與鋁絞線端部預(yù)留間隙足夠時(shí)的伸長量基本一致，但第3 層鋁絞線的截面與鋼錨端部相交，在伸長變形期間同時(shí)受到沿軸向的擠壓力（圖19 中紅色箭頭）和沿垂直方向的剪切力（圖19中藍(lán)色箭頭），導(dǎo)致第3 層鋁絞線沿圖19 中紅色虛線發(fā)生擠壓形變，形成翹曲結(jié)構(gòu)。位于最內(nèi)層的第4層鋁絞線端面伸長形變區(qū)域完全位于鋼錨截面內(nèi)，由于鋼錨的阻礙，鋁絞線只能發(fā)生有限的彎曲形變，與圖13 所示的鋁絞線實(shí)物圖相對(duì)應(yīng)。

圖20所示為鋼芯斷裂后，鋁絞線受力及形變情況。

圖20 預(yù)留間隙不足時(shí)，鋼芯斷裂后鋁絞線受力及形變

當(dāng)鋼芯所受拉力超過鋼芯承載力極限時(shí)，鋼芯斷裂，鋼錨連同鋼芯回縮，使第3 層和第4 層鋁絞線與鋼錨端面間出現(xiàn)間隙，間隙長度與鋼芯斷裂間隙基本一致。第3 層鋁絞線保持翹曲形變。鋁絞線從外至內(nèi)呈階梯狀排列。

5 結(jié)論

本文對(duì)±660 kV 銀東直流輸電線路斷裂的大截面導(dǎo)線耐張線夾進(jìn)行了宏觀檢測(cè)和微觀分析，主要結(jié)論如下：

1）耐張線夾內(nèi)部無異物、損傷等明顯異常情況，鋁絞線凹陷位置與鋁管外部壓痕一一對(duì)應(yīng)，在壓接過程中無重復(fù)壓接情況，投運(yùn)后鋁絞線未發(fā)生滑脫。

2）鋼芯斷口呈明顯“頸縮”狀，表現(xiàn)為典型的拉伸韌性斷口，能譜分析顯示鋼芯斷口主要元素為Fe，O，C，說明斷裂時(shí)間較長，斷口已發(fā)生了氧化。

3）鋼錨處的鋁絞線從外至內(nèi)呈階梯狀排列，鋁絞線“凹槽”直徑與鋼錨直徑基本一致。表明鋼錨端面與鋁股端面之間相互擠壓，導(dǎo)致鋼錨“擠”入鋁絞線內(nèi)，并造成部分鋁絞線變形。

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，綜合分析耐張線夾鋼芯斷裂的原因?yàn)槟蛷埦€夾壓接工藝不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。壓接前鋁線剝除長度不足，導(dǎo)致鋼錨端面與鋁股端面之間的預(yù)留間隙不足。隨著壓模數(shù)的增加，鋁線不斷伸長，前5模已將鋁管、鋁絞線、鋼芯壓接為一體。在進(jìn)行第6模壓接時(shí)，伸長的鋁絞線與鋼錨端面間相互擠壓，產(chǎn)生的反向作用力使鋼芯受到軸向拉力，最終鋼芯因受力超過承載極限而發(fā)生拉伸斷裂。