10 kV架空絕緣導(dǎo)線斷裂機(jī)理及原因分析

鄭建軍，劉濤瑋，郭心愛

（1.內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)高電壓與絕緣技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010020）

0 引言

絕緣導(dǎo)線是一種在導(dǎo)線表層均勻而密封地包裹一層不導(dǎo)電材料，防止導(dǎo)電體與外界接觸造成漏電、短路、觸電等事故發(fā)生的新型電線。根據(jù)絕緣材料種類的不同可以分為橡皮絕緣導(dǎo)線、聚氯乙烯絕緣導(dǎo)線及橡皮電纜等[1-3]。絕緣導(dǎo)線優(yōu)良的絕緣和防腐性能可以有效避免因天氣原因引發(fā)的相間短路故障；并且與埋地電纜相比，絕緣導(dǎo)線還具有顯著的可操作性和經(jīng)濟(jì)性。近年來，隨著我國城區(qū)配網(wǎng)改造工程的不斷開展，越來越多的配網(wǎng)線路被改造升級為架空絕緣導(dǎo)線[4-7]。伴隨著輸電線路絕緣化程度的逐漸升高，因雷擊而引發(fā)的絕緣導(dǎo)線斷線故障時有發(fā)生，對配電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和人身安全構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。據(jù)統(tǒng)計(jì)，架空絕緣導(dǎo)線的雷擊斷線率高達(dá)90%以上[8-11]，其他的失效形式還包括進(jìn)水氧化、導(dǎo)線安裝不當(dāng)而引發(fā)的導(dǎo)線振動疲勞、局部發(fā)熱等情況。然而，新架設(shè)的絕緣線路在投入使用不久后便頻繁出現(xiàn)斷線故障的案例較為罕見。

2021年11月至2022年2月，某10 kV架空絕緣線路經(jīng)過短期送電運(yùn)行后發(fā)生了多起絕緣導(dǎo)線斷線故障，對配網(wǎng)線路的可靠運(yùn)行造成了嚴(yán)重影響。事發(fā)季節(jié)為冬季，溫度較低，事發(fā)地段屬丘陵地貌特征，風(fēng)力為3至4級。本文通過現(xiàn)場調(diào)研和試驗(yàn)研究對該10 kV架空絕緣導(dǎo)線斷線的機(jī)理和原因進(jìn)行深入分析，并提出相應(yīng)的整改建議，以防該類斷線故障再次發(fā)生。

1 故障原因分析

1.1 宏觀形貌分析

通過現(xiàn)場勘查可知，絕緣導(dǎo)線已完全斷裂并跌落至地面，同時還造成了相鄰避雷器的斷裂，見圖1（a）。通過宏觀形貌觀察發(fā)現(xiàn)，絕緣導(dǎo)線外部包覆有聚乙烯絕緣護(hù)套，導(dǎo)體部分為14根鋁單絲組成的鋁絞線。絕緣導(dǎo)線與耐張線夾的壓接段為裸鋁絞線，耐張線夾出口處的鋁絞線還存在一定程度的彎曲；此外還觀察到鋁絞線斷口位于耐張線夾出口處，見圖1（b）。根據(jù)斷口的宏觀形貌可知，靠近耐張線夾側(cè)共有4根鋁單絲的斷口為45°斜斷口，未見明顯塑性變形，呈明顯脆性斷裂特征，且鋁單絲表面可見明顯磨損痕跡；剩余10根鋁單絲的斷口則呈典型過載造成的塑性斷裂特征，見圖1（c）。同時在斷口附近的鋁絞線及絕緣護(hù)套均未觀察到電弧灼傷痕跡。

圖1 架空絕緣導(dǎo)線現(xiàn)場照片及各部位宏觀形貌Fig.1 Field photo of overhead insulated conductor and macroscopic appearance of each part

1.2 斷口微觀形貌觀察

利用掃描電子顯微鏡（Scanniny Electronic Microscopy，SEM）對鋁單絲斷口進(jìn)行微區(qū)形貌觀察與分析。由圖2（a）可以看出，呈脆性斷裂的鋁單絲斷口呈45°角斜斷口特征，主要由啟裂區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)組成。其中，啟裂區(qū)內(nèi)可見大量橫向疲勞裂紋及接觸磨損特征；此外，還可觀察到裂紋主要啟裂于鋁單絲表面的流線型缺陷，這些缺陷主要為導(dǎo)線拉拔過程中形成的劃傷痕跡，如圖2（b）所示。擴(kuò)展區(qū)主要由大量淺韌窩組成，與硬質(zhì)鋁常見的拉伸斷口形貌特征相符，見圖2（c）；瞬斷區(qū)邊緣可以觀察到明顯的剪切唇，主要呈塑性變形特征見圖2（d）。呈塑性斷裂的鋁單絲斷口呈杯突狀，主要由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇區(qū)組成，與常規(guī)硬質(zhì)鋁單絲的拉伸斷口形貌特征相符，見圖2（e）。

圖2 鋁單絲斷口不同區(qū)域微觀形貌Fig.2 Micromorphology of different areas on aluminum monofilament fracture

1.3 顯微組織檢測與分析

對近斷口處的鋁單絲取樣進(jìn)行金相顯微組織檢測，結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，鋁單絲的基體組織為等軸狀的單相α相，未見回復(fù)、再結(jié)晶及粗大夾雜物等異常組織及缺陷。

圖3 斷裂絕緣導(dǎo)線鋁單絲金相組織Fig.3 Metallographic structure of aluminum monofilament for the broken insulating conductor

1.4 化學(xué)成分檢測與分析

對斷裂絕緣導(dǎo)線的鋁單絲進(jìn)行化學(xué)成分測試。測試結(jié)果表明鋁單絲的化學(xué)成分中Al元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.6%，符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17048—2017《架空絞線用硬鋁線》[12]中對硬鋁線應(yīng)由鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于99.5%純度的鋁制成的要求。

1.5 力學(xué)性能檢測與分析

為了確定斷裂絕緣導(dǎo)線及鋁絞線的力學(xué)性能是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，分別利用CMT5504型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)和JJR-19型裸單線卷繞試驗(yàn)機(jī)對其取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)及卷繞試驗(yàn)，結(jié)果見表1和圖4。由表1可知，絕緣導(dǎo)線和鋁單絲的抗拉強(qiáng)度分別滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14049—2008《額定電壓10 kV架空絕緣電纜》[13]及GB/T 17048—2017《架空絞線用硬鋁線》[12]的要求，且卷繞試驗(yàn)未見鋁單絲斷裂或開裂，如圖4所示。

圖4 絕緣導(dǎo)線鋁單絲卷繞測試結(jié)果Fig.4 Winding test results of aluminum monofilament for insulating conductor

表1 絕緣導(dǎo)線鋁單絲的力學(xué)性能測試結(jié)果Tab.1 Mechanical property tested results of aluminum monofilament for insulating conductor

1.6 斷裂機(jī)理分析

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研得知，該10 kV架空線路發(fā)生的多起絕緣導(dǎo)線斷裂故障斷口均位于耐張線夾出口處，且絕緣導(dǎo)線與耐張線夾的壓接段均為無絕緣護(hù)套的裸鋁絞線。因此，在實(shí)際運(yùn)行過程中存在鋁絞線與耐張線夾接觸摩擦的運(yùn)行工況，而宏觀形貌觀察結(jié)果也證實(shí)斷口附近的鋁單絲表面存在明顯的磨損痕跡，因此機(jī)械磨損是造成絕緣導(dǎo)線斷裂的主要原因[14]。其次，耐張線夾出口處存在一定程度的應(yīng)力集中，且出口處的鋁絞線還會承受一定的壓應(yīng)力作用，加劇了裂紋的擴(kuò)展及絕緣導(dǎo)線的斷裂。同時，鋁單絲表面存在拉拔導(dǎo)致的流線型劃痕，進(jìn)一步誘發(fā)了裂紋源的形成。最后，絕緣導(dǎo)線頻繁斷裂發(fā)生于冬季，該季節(jié)氣溫較低，晝夜溫差較大，導(dǎo)致絕緣導(dǎo)線的弧垂明顯減小，緊張程度較高，一定程度是也促進(jìn)了絕緣導(dǎo)線的斷裂。

綜上所述，絕緣導(dǎo)線在運(yùn)行過程中，耐張線夾出口附近的鋁單絲表面（劃痕處）因機(jī)械磨損逐漸形成裂紋源，在微風(fēng)振動和軸向拉應(yīng)力的共同作用下，裂紋不斷向鋁單絲心部擴(kuò)展并引發(fā)脆性斷裂。隨著鋁單絲斷股數(shù)量的逐漸增加，鋁絞線的有效載荷截面積不斷減小，當(dāng)剩余的鋁絞線數(shù)量不足以承受導(dǎo)線的軸向載荷時，引發(fā)絕緣導(dǎo)線的斷裂。

2 結(jié)語及建議

通過對某10 kV架空絕緣導(dǎo)線斷線的原因和機(jī)理進(jìn)行試驗(yàn)分析，認(rèn)為絕緣導(dǎo)線與耐張線夾壓接段裸鋁絞線間的接觸磨損是造成10 kV架空絕緣導(dǎo)線頻繁斷裂的主要原因。同時鋁單絲表面的拉拔劃傷痕跡、耐張線夾出口處的應(yīng)力集中以及低溫導(dǎo)致的弧垂減小均在一定程度上加劇了絕緣導(dǎo)線斷裂。

為了防止絕緣導(dǎo)線再次發(fā)生類似斷裂故障，建議采用包裹軟鋁帶的方式對絕緣導(dǎo)線與耐張線夾的壓接段進(jìn)行保護(hù)，以改善機(jī)械磨損的運(yùn)行工況；此外，可在靠近金具的適當(dāng)部位加裝防振鞭或防振錘，從而減小微風(fēng)振動對絕緣導(dǎo)線產(chǎn)生的影響。