±800 kV架空地線斷股分析研究

汪立鋒，陳慶吟，蔡新華，盛葉弘，洪靜

（浙江華電器材檢測(cè)研究所，國(guó)家電力器材產(chǎn)品安全性能質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，杭州310015）

±800 kV架空地線斷股分析研究

汪立鋒，陳慶吟，蔡新華，盛葉弘，洪靜

（浙江華電器材檢測(cè)研究所，國(guó)家電力器材產(chǎn)品安全性能質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，杭州310015）

利用超景深三維顯微系統(tǒng)、金相顯微及SEM掃描電鏡對(duì)架空地線斷口進(jìn)行宏觀和微觀形貌以及金相組織分析，借助X-射線能譜儀對(duì)斷口表面的成分進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明：斷股主要原因是地線受到雷擊而產(chǎn)生高溫，使絞線外層單絲造成灼傷，加之地線受自身拉應(yīng)力作用發(fā)生斷股。通過對(duì)±800 kV架空地線斷股情況進(jìn)行分析，為設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過程中提高架空地線的機(jī)械和抗雷擊性能提供參考，保證電網(wǎng)安全。

架空地線；雷擊；微觀分析；斷股

0 引言

架空地線是輸電線路的主要組成部分，承載著保護(hù)導(dǎo)線免遭雷閃襲擊的重要作用，鋁包鋼芯架空地線以優(yōu)良的強(qiáng)度和導(dǎo)電性，在特高壓輸電線路廣泛應(yīng)用。通常輸電線路途經(jīng)的地域、氣候條件相對(duì)惡劣，容易發(fā)生由大風(fēng)、覆冰、雷擊、腐蝕等原因造成的架空地線斷股事故，而事故將嚴(yán)重影響輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。查明斷線的原因，不僅能對(duì)檢修維護(hù)提供指導(dǎo)性建議，還將對(duì)該地區(qū)輸電線路建設(shè)及安全運(yùn)行起到提升和改進(jìn)作用[1]。

某特高壓±800 kV線路途經(jīng)浙江段，巡檢人員于2015年7月發(fā)現(xiàn)3153—3154號(hào)檔極Ⅱ側(cè)地線斷股現(xiàn)象，斷股數(shù)為2股，且斷線相鄰。10— 11月，巡檢人員再次在該區(qū)域發(fā)現(xiàn)斷股現(xiàn)象。該地線型號(hào)為L(zhǎng)BGJ-150-20AC鋁包鋼絞線，包層用鋁牌號(hào)為1 050 A，鋼芯牌號(hào)為60號(hào)鋼。為查明架空地線斷股原因，通過金相、掃描電鏡、能譜分析等手段對(duì)架空導(dǎo)地線斷股進(jìn)行分析和研究。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣處理

樣品斷口由于長(zhǎng)時(shí)間暴露于自然條件，已經(jīng)嚴(yán)重銹蝕。在不損傷斷口的前提下，采用丙酮超聲波清洗，然后用10%草酸溶液去除斷口表面的沉積物和銹跡。

1.2 金相試驗(yàn)制備

樣品為鋁包鋼絞線，由于鋁金屬硬度較低，將樣品切割后打磨至1 000號(hào)砂紙的細(xì)度，之后采用粒度0.25 μm的拋光劑拋光。試驗(yàn)采用4%硝酸酒精侵蝕。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 尺寸檢查

測(cè)量2股地線直徑，結(jié)果分別為3.1 mm和3.2 mm。根據(jù)YB/T123-1997《鋁包鋼絲》的要求：LBGJ-150-20AC鋁包鋼絞線鋁包線直徑為3.1～3.2 mm，試樣直徑符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 斷口形貌分析

通過超景深三維顯微系統(tǒng)及掃描電鏡SEM對(duì)2個(gè)樣品斷口進(jìn)行觀察。具體斷口形貌照片如圖1、圖2所示。

圖1 1號(hào)樣斷口形貌

圖2 2號(hào)樣斷口形貌

樣品斷口處均有大量氣孔、熔坑、金屬熔融物。斷口處出現(xiàn)的熔坑、金屬熔融物、黑色金屬氧化層等均是金屬經(jīng)高溫熔融的主要特征[2]。同時(shí)在2組樣品的斷口處，觀察到呈熔融狀的鋁金屬附著在斷口邊緣處，其中1號(hào)樣品斷口處鋁層熔化特征表現(xiàn)尤為明顯。

圖2為2號(hào)樣品斷口形貌，A區(qū)斷面較為平滑，并呈現(xiàn)一定角度的人字紋花樣斜面，B點(diǎn)為人字紋花樣的起始點(diǎn)，A區(qū)則為裂紋擴(kuò)展方向，該斷口為解理斷口[3]。并對(duì)2號(hào)樣品斷口B區(qū)進(jìn)行SEM1000倍掃描，發(fā)現(xiàn)熔坑內(nèi)存在金屬枝晶，如圖3所示，說明斷口處金屬出現(xiàn)過高溫重熔現(xiàn)象。說明該樣品是在受高溫?zé)g后因無法承受外部拉應(yīng)力而發(fā)生斷裂。

2.3 能譜分析

為驗(yàn)證樣品熔融的溫度是否對(duì)鋼芯產(chǎn)生影響，對(duì)1號(hào)樣（如圖3所示）和2號(hào)樣（如圖4所示）斷口A區(qū)（氧化層）和B區(qū)（熔坑金屬）的成分組成進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明：A區(qū)中氧含量為25.42%～36.71%、鋁元素含量約為43%、鐵元素含量為3.00%～23.84%。B中氧含量為5.35%～7.04%、鋁元素含量為11.40%～65.65%、鐵元素含量為15.93%～62.18%?？膳卸ˋ區(qū)物質(zhì)為金屬氧化皮，B區(qū)物質(zhì)為鋼鋁金屬熔融物。同時(shí)說明鋁包鋼絞線受到的燒蝕溫度超過碳鋼的熔點(diǎn)，至少達(dá)1 400～1 500℃[4]。

圖3 1號(hào)樣能譜測(cè)試區(qū)

圖4 2號(hào)樣能譜測(cè)試區(qū)

2.4 斷口金相組織分析

為進(jìn)一步分析斷口的形成機(jī)理，取1號(hào)樣品斷口分析金相組織，金相取樣位置沿鋁包鋼線斷口截面觀察，其觀察部位包括熔覆金屬及鋼芯組織。斷口金相組織形貌可觀察到3個(gè)區(qū)域：鋼芯母材區(qū)、熱影響區(qū)、熔覆金屬區(qū)域。其中鋼芯組織見圖5，熔覆金屬金相見圖6。圖6中出現(xiàn)魚骨狀白色共晶體，該形態(tài)在高合金鋼中較為常見，說明該熔融金屬中含有多種固溶強(qiáng)化的合金[5]。同時(shí)對(duì)該區(qū)域做能譜分析，熔覆金屬主要由鐵和鋁構(gòu)成，含量分別為80.70%和13.92%。魚骨狀白色枝晶和能譜分析結(jié)果進(jìn)一步確認(rèn)該熔覆金屬為鋁包鋼線受高溫?zé)g由鐵鋁合金重熔形成。

圖5 1號(hào)樣品鋼芯組織-回火索氏體

圖6 2號(hào)樣品熔融金屬金相

圖5 為鋼芯母材區(qū)域組織，為回火索氏體，屬于鋁包鋼絲正常的組織形態(tài)，同時(shí)對(duì)離該斷口200 mm處進(jìn)行金相組織觀察，結(jié)果同樣為回火索氏體。對(duì)比組織形態(tài)及晶粒度，斷口區(qū)域母材組織和鋼芯正常組織相同，可確定該區(qū)域的組織未受到高溫影響，從而進(jìn)一步推斷造成樣品燒蝕的溫度是由外向內(nèi)發(fā)展，并不是導(dǎo)線內(nèi)長(zhǎng)時(shí)過載緩慢溫升引起，且高溫只對(duì)單絲表面造成灼傷。

1號(hào)樣熱影響區(qū)，晶粒較芯部組織粗大，且存在馬氏體組織，呈黑色針狀分布，如圖7所示。表明鋁包鋼線在受高溫?zé)g時(shí)，存在受外界影響而快速冷卻的現(xiàn)象。

圖7 1號(hào)樣熱影響區(qū)-馬氏體組織

2.5 分析與討論

通過對(duì)斷樣的宏觀和微觀分析，鋁包鋼斷股處均存在高溫熔融痕跡，能譜分析表明表層熔坑枝晶及熔融金屬成分主要為鐵、鋁、氧元素，表明該架空地線斷口處受到高溫灼燒的影響，造成熔痕的溫度已超過60號(hào)鋼的熔點(diǎn)1 400～1 500℃。對(duì)該斷口進(jìn)行金相組織形貌觀察，發(fā)現(xiàn)高溫熔融深度約為鋁包鋼單絲直徑的1/5。架空地線懸掛于鐵塔間會(huì)受到較大的拉應(yīng)力，如鋁包鋼單絲表面存在灼燒缺口，鋁包鋼單絲就存在因應(yīng)力集中而發(fā)生斷裂的隱患。該鋁包鋼單絲斷口形貌為解理斷口，進(jìn)一步說明鋁包鋼單絲是受高溫灼傷后因無法承受外應(yīng)力而產(chǎn)生的斷裂[6]。

斷樣的高溫熔融痕跡均存在于架空地線外表面，受到灼燒的導(dǎo)線數(shù)量為1～2根，且均相鄰，說明高溫灼燒范圍較小?！?00 kV輸電線路中的架空地線一般設(shè)計(jì)高度在40 m左右，所以使鋁包鋼單絲產(chǎn)生斷裂的高溫可能有以下成因：

（1）工頻短路電流產(chǎn)生的高溫，但導(dǎo)地線自身不帶電，只能由母線和導(dǎo)地線暫時(shí)的短接造成，雖然短路電流值比雷擊小，但作用時(shí)間長(zhǎng)，能量大于雷擊電流能量，所以說短路造成的高溫對(duì)鋁包鋼單絲影響范圍更大[7]，不會(huì)出現(xiàn)僅對(duì)單絲表層造成灼燒。同時(shí)查看該線路的運(yùn)行情況，該線路段未發(fā)生短路記錄。

（2）雷電電弧產(chǎn)生的高溫。1號(hào)樣斷口的金相和能譜分析表明，斷線芯部金相組織未發(fā)生變化，高溫灼燒僅影響到單絲表層，說明影響時(shí)間短，且并非導(dǎo)線內(nèi)部受熱產(chǎn)生的高溫。在1號(hào)樣的熱影響區(qū)發(fā)現(xiàn)馬氏體組織也能表明導(dǎo)線在燒蝕過程中存在淬火現(xiàn)象[8]，可判斷發(fā)生事故時(shí)存在下雨現(xiàn)象。

結(jié)合上述分析基本可判斷事故由雷擊造成。

3 結(jié)論

（1）金相分析和能譜分析表明，LBGJ-150-20AC鋁包鋼絞線斷股在受到高溫灼燒的同時(shí)存在淬火現(xiàn)象，灼燒方向是鋁包鋼芯單絲由外向內(nèi)發(fā)展，且單絲內(nèi)部未受影響，說明高溫?zé)g時(shí)間短暫，可判定斷股主要原因是由雷擊造成。

（2）斷口形成機(jī)理：該地線遭受外界瞬時(shí)大電流閃擊，有較大的電流在雷擊點(diǎn)產(chǎn)生了一定的熱容量，造成導(dǎo)線表面鋁層和鋼芯局部熔融，后續(xù)架空地線因無法承載自身拉應(yīng)力而發(fā)生了斷股現(xiàn)象。

[1]鐘尼.輸電線路雷擊架空地線斷線問題研究[J].科技論壇，2015（10）∶252-253.

[2]劉筱薇，金應(yīng)榮.銅導(dǎo)線的短路熔痕與過熱熔斷熔痕分析[J].材料熱處理技術(shù)，2011（7）∶194-200.

[3]鐘群鵬，趙子華.斷口學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]鄢國(guó)強(qiáng).金相檢驗(yàn)[M].上海：上海科學(xué)普及出版社，2008.

[5]周振平.過共晶鋁鐵合金鑄態(tài)組織細(xì)化途經(jīng)的探討[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2002.

[6]吳正樹.500 kV平來線架空地線雷擊斷股分析[J].廣西電力，2010，33（5）∶60-62.

[7]賴達(dá)峰.輸電線路雷擊架空地線斷線的原因分析及防雷措施[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011（17）∶139-140.

[8]胡世炎.機(jī)械失效分析手冊(cè)[M].成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社，1989.

（本文編輯：徐晗）

Research on Strand Fracture of±800 kV Overhead Ground Wire

WANG Lifeng，CHEN Qinyin，CAI Xinhua，SHENG Yehong，HONG Jing
（Zhejiang Huadian Equipment Testing Institute，National Safety Performance Quality Supervision& Inspection Center for Electrical Equipment，Hangzhou 310015，China）

The macro and micro morphology and metallographic structure of the fracture are analyzed with ultra-depth three-dimensional microscope，metallurgical microscope and scanning electronic microscope（SEM）. The constituent of the fracture surface is tested by X-ray energy dispersive spectrometer.The result shows that the ground wire is broken by the high temperature due to lightening strike，which burns the single surface wire of the stranded wire；besides，the tensile stress of the wire is also a reason of fracture.Through analysis on the fracture of the overhead ground wire，the paper provides reference for mechanical property and lightening stroke resistance improvement of the overhead ground wire in the process of its design and manufacture to guarantee the safety of power system.

overhead ground wire；lightening strike；microanalysis；strand fracture

TM755

：B

：1007-1881（2017）01-0011-03

2016-06-13

汪立鋒（1981），男，工程師，從事電力器材質(zhì)量檢測(cè)與研究工作。