電網(wǎng)線路金具斷裂及預(yù)防

畢虎才，董勇軍，冀晉川

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原030001）

電網(wǎng)線路金具斷裂及預(yù)防

畢虎才，董勇軍，冀晉川

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西太原030001）

通過(guò)近兩次電網(wǎng)金具斷裂的對(duì)比分析，研究了金具斷裂的主要影響因素，總結(jié)了金具的不同失效模式，并以此為基礎(chǔ)提出具體的金具失效預(yù)防措施，對(duì)于進(jìn)一步提高電網(wǎng)金具的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的意義。

電網(wǎng)；連接金具；斷裂；預(yù)防

0 引言

電力金具作為電網(wǎng)系統(tǒng)中連接懸吊絕緣子串和其他部件的常規(guī)有效連接裝置，在電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行中起著重要的作用。2008年12月3日山西朔州220 kV向方線金具和2011年4月29日忻州220 kV忻義線116號(hào)桿塔金具的斷裂，給電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)極大的隱患。通過(guò)近兩次電網(wǎng)金具斷裂的對(duì)比分析，研究了金具斷裂的主要影響因素，總結(jié)了金具的不同失效模式，并提出具體的預(yù)防措施。

1 金具分類(lèi)及使用現(xiàn)狀

連接金具根據(jù)使用條件和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分為三大類(lèi)[1]：球—窩系列連接金具，該類(lèi)為專(zhuān)用金具，與球窩型結(jié)構(gòu)的懸式絕緣子配套使用，包括各種球頭掛環(huán)、碗頭掛板等，該類(lèi)金具的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有方向性，撓性大，可轉(zhuǎn)動(dòng)，裝卸方便；環(huán)—鏈系列連接金具，該類(lèi)為通用金具，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，不受方向限制，受力條件好，包括U型掛環(huán)、直角環(huán)、延長(zhǎng)環(huán)、U型螺絲等；板—板系列連接金具，該類(lèi)為通用金具，包括平行掛板、直角掛板、U型掛板、聯(lián)板、牽引板、調(diào)整板等。

目前山西電網(wǎng)掛網(wǎng)運(yùn)行的金具大部分服役10 a左右，選型設(shè)計(jì)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“電力金具”GB2314—2000～GB2345—2000選用，金具經(jīng)熱浸鍍鋅處理，強(qiáng)度安全系數(shù)運(yùn)行情況不小于2.5；《金具手冊(cè)》標(biāo)準(zhǔn)要求ZS-7掛板單板厚度應(yīng)為6mm，ZS-7型掛板基本參數(shù)見(jiàn)表1；該掛板由于連接方向互成直角，因此變換靈活，但是在運(yùn)行中主要承受機(jī)械載荷，長(zhǎng)時(shí)間使用容易產(chǎn)生斷裂，直接導(dǎo)致絕緣掉串，從而導(dǎo)致線路斷線。

表1 ZS-7型掛板基本參數(shù)

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于各種連接金具的結(jié)構(gòu)型式、材料、工藝、標(biāo)稱(chēng)載荷、連接型式等均有相應(yīng)規(guī)定[2]。連接金具承受機(jī)械載荷，應(yīng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度、耐磨性和耐腐蝕性。

2 電網(wǎng)金具失效的主要影響因素

引起電網(wǎng)金具失效的因素可歸納為兩個(gè)方面，即金具材料因素和環(huán)境因素。前者為內(nèi)因，包括金屬材料品質(zhì)及加工工藝方面的各種因素；后者為外因，包括受載條件、時(shí)間、溫度及環(huán)境介質(zhì)等因素。

連接金具的失效總是發(fā)生在某些特定的部位，這些部位就是金具的薄弱環(huán)節(jié)。連接金具承受機(jī)械載荷，長(zhǎng)年在大氣中運(yùn)行，受大風(fēng)、溫差、覆冰、雨水等惡劣氣象環(huán)境的影響，使導(dǎo)線不停振動(dòng)引起附加應(yīng)力，長(zhǎng)時(shí)間、周期性的振動(dòng)在金具的主要受力點(diǎn)產(chǎn)生交變的彎曲應(yīng)力[3]。在一定幅度的擾動(dòng)應(yīng)力作用下，帶微缺陷金具進(jìn)入了疲勞的發(fā)展過(guò)程。金具發(fā)生疲勞破壞，要經(jīng)歷裂紋起始（或萌生）、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展和裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展（斷裂）3個(gè)階段。疲勞裂紋的產(chǎn)生一方面取決于載荷水平（與金具擺動(dòng)受阻情況直接相關(guān)），另一方面還依賴于風(fēng)振擺動(dòng)次數(shù)。

斷裂誘因包括設(shè)計(jì)、制造和安裝階段缺陷。產(chǎn)品制造時(shí)本身帶有嚴(yán)重制造缺陷，一般表現(xiàn)為投運(yùn)1～3 a發(fā)生斷裂。

2.1 設(shè)計(jì)原因

設(shè)計(jì)上的原因包括結(jié)構(gòu)的合理性、材料的合理性、可能承受的過(guò)載環(huán)境考慮不足；另外由于對(duì)部件的使用條件、應(yīng)力狀態(tài)、破壞形式還不了解，造成設(shè)計(jì)不合理，使部件損壞。忻義線116號(hào)桿塔金具塔采用UB-7掛板、ZS-7掛板、QP-7球頭掛環(huán)、絕緣子串的連接方式。此類(lèi)金具連接磨擦點(diǎn)多，容易形成隱患，該類(lèi)金具考慮采用雙聯(lián)雙掛點(diǎn)的連接方式來(lái)提高強(qiáng)度。

2.2 材料原因

選擇材料方面的原因包括設(shè)計(jì)或使用中錯(cuò)用鋼材，或所用材料組織性能不均勻造成失效[4]，或者原材料制造時(shí)產(chǎn)生的缺陷，如疏松、空洞、縮孔、夾雜、裂紋等所導(dǎo)致的失效。忻義線116號(hào)桿塔金具厚度要求應(yīng)為6mm，而實(shí)測(cè)為5mm，在一定程度上削弱了材料的承載能力。

2.3 環(huán)境條件

使用中客觀條件造成的失效，包括應(yīng)力集中、磨損導(dǎo)致的強(qiáng)度不足、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的氧化、冰凍脆性、大風(fēng)等。忻義線116號(hào)桿塔金具斷裂當(dāng)天風(fēng)力大約為7～8級(jí)，伴隨有強(qiáng)沙塵天氣，導(dǎo)線隨風(fēng)力頻繁擺動(dòng)，擺幅最大時(shí)7m左右，最終造成金具的斷裂；該斷裂過(guò)程為大檔距線路金具在大風(fēng)區(qū)域高頻擺動(dòng)下萌生疲勞裂紋、裂紋擴(kuò)展直至最終發(fā)生斷裂。由于金具擺動(dòng)受阻影響不同、長(zhǎng)期風(fēng)振擺動(dòng)作用不同，線路上個(gè)別金具在運(yùn)行15～20 a左右發(fā)生疲勞斷裂。

在實(shí)際的失效分析中，部件的損壞很少由于單一原因作用，而往往是多種因素共同作用所造成的。

3 電網(wǎng)金具失效的主要形式

失效總是從金具最薄弱環(huán)節(jié)開(kāi)始，失效金具殘骸上必然會(huì)保留有失效過(guò)程的信息[5]。通過(guò)對(duì)失效殘骸的研究，可查明失效機(jī)理和過(guò)程，并對(duì)失效原因做出判斷，從而可針對(duì)性地采取改進(jìn)和預(yù)防措施，避免同類(lèi)失效再發(fā)生，達(dá)到改進(jìn)電網(wǎng)金具質(zhì)量、延長(zhǎng)使用壽命、提高服役安全性和可靠性的目的。電網(wǎng)金具失效的形式主要包括：腐蝕失效、磨損失效、疲勞失效、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等。

3.1 腐蝕失效

腐蝕是金具在使用中遇到的一種早期失效形式，它可引發(fā)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、氫脆、疲勞腐蝕、磨蝕等其他失效形式[6]。連接金具用碳鋼最普遍的腐蝕類(lèi)型為點(diǎn)腐蝕和全面腐蝕（均勻腐蝕）。金具表面上的點(diǎn)腐蝕表示鈍性開(kāi)始破壞，稍微增加環(huán)境的腐蝕性就會(huì)產(chǎn)生全面腐蝕或均勻腐蝕。在潮濕水分和構(gòu)成可溶性污染物灰塵顆粒的環(huán)境中，容易造成連接金具的銹蝕。

3.2 磨損失效

連接金具最常見(jiàn)的失效類(lèi)型之一為磨損。磨損經(jīng)常出現(xiàn)于連接金具的薄弱環(huán)節(jié)，即受力點(diǎn)。磨損的宏觀特征為金具連接處出現(xiàn)明顯減薄。金具受力點(diǎn)在長(zhǎng)時(shí)間、周期性的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、變動(dòng)的機(jī)械載荷和環(huán)境因素的共同作用下導(dǎo)致了磨損。

以連接金具U型螺絲為例。U型螺絲用于直線桿塔懸垂絕緣子串、避雷線懸垂組合，作為桿塔橫擔(dān)的首件，出現(xiàn)磨損的情況較為普遍。某輸變電公司在山區(qū)500 kV線路檢修中發(fā)現(xiàn)架空地線U型螺絲出現(xiàn)大量嚴(yán)重磨損[7]，其磨損點(diǎn)正是其主要受力點(diǎn)和薄弱環(huán)節(jié)。

3.3 疲勞失效

在長(zhǎng)時(shí)間、變動(dòng)負(fù)荷作用下，金具的薄弱環(huán)節(jié)，即金具與其他零件連接處易發(fā)生疲勞斷裂。疲勞斷裂會(huì)在斷口上留下特征。斷口按斷裂過(guò)程分為三個(gè)區(qū)域[8]：疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)破斷區(qū)。裂紋源為應(yīng)力集中區(qū)域，金屬表面及內(nèi)部的夾雜物、剪切滑移、晶界裂紋、位錯(cuò)空洞等缺陷在疲勞應(yīng)力的作用下形成裂紋源，并擴(kuò)展成疲勞源區(qū)。裂紋擴(kuò)展區(qū)的典型特征是呈現(xiàn)清晰的貝紋狀或海灘波紋狀的疲勞條紋，此區(qū)是判斷疲勞破壞性質(zhì)的最重要的區(qū)域。疲勞條紋弧線的內(nèi)側(cè)方向是疲勞源所在位置，外側(cè)凸出方向?yàn)槠诹鸭y的擴(kuò)展方向。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸，余下截面不足以承擔(dān)原有負(fù)荷時(shí)發(fā)生瞬時(shí)破斷，形成瞬時(shí)破斷區(qū)。

朔州220 kV向方線金具和忻義線116號(hào)桿塔金具都是在較高動(dòng)應(yīng)力作用下的疲勞斷裂；忻義線116號(hào)桿塔金具ZS-7型掛板斷裂，從斷裂面上看，斷口較平整，無(wú)明顯頸縮現(xiàn)象，呈典型的脆性斷裂特征。斷口分3個(gè)區(qū)，除邊緣局部的裂紋源區(qū)外，疲勞擴(kuò)展區(qū)約占斷裂面的1/4，源區(qū)發(fā)黑發(fā)暗，以弧形結(jié)尾。擴(kuò)展區(qū)域有多處臺(tái)階，顯示疲勞裂紋擴(kuò)展有多源、受力方向多有變化。終斷區(qū)占整個(gè)斷裂面的3/4，斷面粗糙、發(fā)亮，呈顆粒狀，斷口脆性較大。裂源從雙腿圓弧最大位置起，為多個(gè)源點(diǎn)，從斷面的裂源側(cè)面看，有多個(gè)臺(tái)階，從斷面發(fā)展看，中部最大的臺(tái)階為最先起源點(diǎn)。斷口宏觀分析表明，掛環(huán)斷裂面具有在較高動(dòng)應(yīng)力作用下的疲勞斷裂特征。

3.4 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂

金具的薄弱環(huán)節(jié)在拉應(yīng)力和腐蝕環(huán)境的共同作用下會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是一種極為隱蔽的腐蝕形式，往往事先沒(méi)有明顯預(yù)兆，因此會(huì)造成災(zāi)難性的事故。一般為鍛鋼及鑄鐵件的連接金具，對(duì)工業(yè)污染的大氣環(huán)境及潮濕的海洋大氣環(huán)境比較敏感，在SO2、酸雨、濃霧、潮濕空氣等因素的作用下易導(dǎo)致氧化腐蝕，如果金具上有拉應(yīng)力存在，應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂難以避免。

應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂呈脆性斷裂，斷口的宏觀特征是裂紋源及擴(kuò)展區(qū)因介質(zhì)的腐蝕作用而呈黑色或灰黑色。突然脆斷區(qū)的斷口常有放射花樣或人字紋[5]。

4 金具斷裂的預(yù)防措施

目前還沒(méi)有很好的方法對(duì)運(yùn)行線路金具進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為防止類(lèi)似事件發(fā)生，只能通過(guò)金具的出廠驗(yàn)收、安裝過(guò)程來(lái)進(jìn)行預(yù)防和檢查。但是在實(shí)際運(yùn)行中處于復(fù)雜的工況，受到微氣象、導(dǎo)線舞動(dòng)、風(fēng)偏等的影響，受力情況復(fù)雜，容易產(chǎn)生復(fù)雜交變載荷下的失效斷裂。

a）對(duì)重要線路和高電壓等級(jí)線路金具在出廠前要求廠家進(jìn)行表面探傷和抗拉試驗(yàn)，并委托第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)按批次和數(shù)量抽檢。開(kāi)展新建桿塔和其他受監(jiān)部件安裝前的理化檢驗(yàn)、無(wú)損檢測(cè)和其他質(zhì)量驗(yàn)收工作，對(duì)金具從外觀、尺寸、結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能、顯微組織等方面抽檢，避免次品進(jìn)入基建現(xiàn)場(chǎng)。

b）加強(qiáng)線路施工部門(mén)金具安裝前的檢查，特別是金具在施工過(guò)程中要受到較大的施工載荷，個(gè)別金具可能發(fā)生裂紋，安裝時(shí)防止產(chǎn)生大的裝配偏差，使金具擺動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，降低疲勞載荷。在線路投運(yùn)前要再進(jìn)行一次認(rèn)真登檢。

c）對(duì)已經(jīng)發(fā)生金具腐蝕和有裂紋的線路，要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)微氣象條件及環(huán)境，及時(shí)安排停電進(jìn)行登桿普查。根據(jù)檢查情況適當(dāng)更換薄弱的金具，重點(diǎn)是強(qiáng)風(fēng)區(qū)、風(fēng)振區(qū)、覆冰區(qū)的線路。

d）加強(qiáng)15 a以上運(yùn)行年限的線路金具檢查，對(duì)已運(yùn)行20 a的重要線路，應(yīng)根據(jù)資金情況對(duì)受力大的重要鑄造金具進(jìn)行更換，也可對(duì)金具進(jìn)行抽樣檢查后確定更換方案。

e）目前使用金具時(shí)只考慮破壞載荷，不考慮疲勞問(wèn)題，建議根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)線路上載荷較大位置的金具進(jìn)行疲勞壽命校核。

f）組織金具生產(chǎn)廠家、設(shè)計(jì)單位、施工單位、運(yùn)行單位、檢驗(yàn)檢測(cè)單位，進(jìn)一步對(duì)該連接方式的合理性和可靠性進(jìn)行研究，提出改進(jìn)方案。

［1］董吉諤.電力金具手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2001：161-163.

［2］國(guó)家能源局.DL/T 759—2009連接金具［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009：20-25.

［3］肖海東，楊暘，高虹亮，等.500 kV架空地線耐磨金具的研究［J］.水電能源科學(xué)，2010，28（6）：118-120.

［4］曹冒盛，劉世參.機(jī)械零件失效分析［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2005：72-80.

［5］蔡澤高，劉以寬，王承忠，等.金屬磨損與斷裂［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，1985：108-122.

［6］陳南平，顧守仁，沈萬(wàn)慈.機(jī)械零件失效分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1988：69-85.

［7］吳國(guó)宏.電力金具凍裂原因分析及預(yù)防措施［J］.電力建設(shè)，2007，28（2）：73-74.

［8］鐘群鵬，趙子華.斷口學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2005：242-258.

Fracture of Hardwares in Grid Transm ission Lines and the Preventing M easures

BIHu-cai，DONG Yong-jun，JI Jin-chuan
（State Grid Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

According to the analysisand contrastof two fracture faultsofgrid hardware,this paper studied themain factors affecting the hardware fracture，and summarized various invalidationmodes ofhardware fitting.Preventingmeasureswere put forward accordingly，which ismeaningful for improving the safety and stabilization ofgrid hardware.

grid；hardware fittings；fracture；preventing

TM752

B

1671-0320（2014）01-0022-03

2013-09-27，

2013-11-18

畢虎才（1978-），男，山西五寨人，2001年畢業(yè)于太原理工大學(xué)金相專(zhuān)業(yè)，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)金屬部件材料性能分析及理化探傷工作；

董勇軍（1965-），男，山西忻州人，1987年畢業(yè)于武漢水利電力大學(xué)金屬材料及熱處理專(zhuān)業(yè)，高級(jí)工程師，山西電力技術(shù)院A級(jí)專(zhuān)家，從事電力系統(tǒng)金屬部件材料性能分析及理化探傷工作；

冀晉川（1963-），男，山西太原人，1984年畢業(yè)于武漢水利電力學(xué)院金屬專(zhuān)業(yè)，高級(jí)工程師，山西省無(wú)損檢測(cè)考委，從事電力系統(tǒng)金屬部件材料性能分析及理化探傷工作。