220 kV線路耐張線夾斷裂原因分析

邵明星，武 臻，楊東旭

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟南 250003；

2.山東電力工業(yè)鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，山東 濟南 250003；

3.國網(wǎng)河南省電力公司，河南 鄭州 450046）

220 kV線路耐張線夾斷裂原因分析

邵明星1，2，武 臻3，楊東旭1，2

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟南 250003；

2.山東電力工業(yè)鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，山東 濟南 250003；

3.國網(wǎng)河南省電力公司，河南 鄭州 450046）

通過外觀形貌分析、顯微組織分析和應(yīng)力計算分析，對某220 kV線路耐張線夾斷裂的原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明，由于鋁導(dǎo)線與鋁管之間存在腐蝕產(chǎn)物增大了接觸電阻，使耐張線夾發(fā)熱并引起熱應(yīng)力，溫度的波動產(chǎn)生交變應(yīng)力并在應(yīng)力集中部位產(chǎn)生疲勞裂紋，當(dāng)剩余鋼芯截面不足以承受導(dǎo)線張力及熱應(yīng)力的共同作用時則產(chǎn)生瞬間斷裂。

耐張線夾；鋼芯鋁絞線；氧化腐蝕

0 引言

耐張線夾用來將導(dǎo)線或避雷線固定在非直線桿塔的耐張絕緣子串上，起錨固作用，亦可用來固定拉線桿塔的拉線。耐張線夾作為輸電線路的重要工具，其可靠性是影響電網(wǎng)長期安全穩(wěn)定運行的重要因素。隨著電網(wǎng)的迅猛發(fā)展，電壓等級的提高，對輸電線路耐張線夾的性能要求也在不斷提高。由于電網(wǎng)基礎(chǔ)建設(shè)過程中線夾監(jiān)督檢驗量較大、檢驗手段相對欠缺，部分已安裝的輸電線路線夾在不同運行條件下將會發(fā)生不同情況的組織老化、內(nèi)部腐蝕及性能劣化，嚴(yán)重的將導(dǎo)致耐張線夾斷裂失效，從而影響到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。耐張線夾常見的損壞原因有：制造加工質(zhì)量存在問題［1-2］，壓接質(zhì)量差［3-5］，以及耐張線夾發(fā)熱等［6］。

1 耐張線夾斷裂情況

某220 kV回路的轉(zhuǎn)角塔C相耐張線夾發(fā)生了斷裂。耐張線夾的型號為NY-400／50，屬液壓型耐張線夾，鋁管的材質(zhì)為純鋁，鋼錨的材質(zhì)為Q235。鋼芯鋁絞線的型號為LGJ-400／50。事故時線路附近無異常災(zāi)害天氣，但發(fā)生了短時過電流。斷裂發(fā)生在鋁管內(nèi)的鋼錨口附近，鋼錨口附近的鋼芯絲全部斷裂，并嚴(yán)重?zé)龘p，鋁管也發(fā)生了斷裂。斷裂的耐張線夾外觀如圖1所示。

圖1 斷裂的耐張線夾

2 耐張線夾斷裂原因分析

2.1 斷口外觀形貌分析

鋁管的斷裂位置在鋁管的中部鋼錨口附近，大致與鋼錨口的端面一致。鋁管斷口的兩側(cè)有較明顯的頸縮變形，斷口表面有熔化的痕跡，在鋼錨口的端面附近及鋁管內(nèi)壁均有被熔化的鋁飛濺的痕跡，表明斷裂瞬間鋁管斷口附近的溫度短時達(dá)到了660℃（鋁的熔點）以上。

鋼芯絲斷裂在鋼錨口附近，7根鋼芯絲的斷口不完全在一個平面上。將導(dǎo)線側(cè)斷裂鋁管的變形部分割除后，露出導(dǎo)線端殘留的鋼芯絲。鋼芯絲表面氧化嚴(yán)重，如圖2所示。其中4根殘留的鋼芯絲較短，斷面位于鋼錨口附近，斷面收縮，符合拉斷時的頸縮特征；另3根稍長，斷口位置位于鋼錨內(nèi)，斷口較齊平。而殘留鋼芯絲延伸到鋁絞線中的部分則沒有發(fā)生明顯氧化，外觀色澤正常，表明殘留的鋼芯絲經(jīng)歷過一個短時較高的溫度。鋁管壓接處的鋁導(dǎo)線表面、鋁管與導(dǎo)線之間存在黑色的氧化腐蝕產(chǎn)物。

將鋼錨外的鋁管割除，鋼錨的外觀形貌如圖3所示，可觀察到分段壓接的痕跡。將鋼錨沿縱向割開檢查，鋼錨內(nèi)的鋼芯絲壓接緊密，無斷股現(xiàn)象，無明顯高溫氧化燒損或腐蝕現(xiàn)象。鋼錨側(cè)的鋼芯絲斷口呈現(xiàn)3根斷面較平齊，另4根出現(xiàn)頸縮的特征。

圖2 斷裂的鋼芯絲

圖3 鋼錨的外觀形貌

2.2 鋼芯絲和鋁管顯微組織分析

對鋁管和鋼錨內(nèi)的鋼芯絲分別取樣進(jìn)行顯微組織分析，鋁管的金相組織形貌如圖4所示，無裂紋、氣孔、夾雜物等異常組織。鋼芯絲的金相組織形貌如圖5所示，其中鋼基體的金相組織為珠光體+鐵素體，鋼芯絲外的鍍鋅層，可能由于鋼錨壓接過程的擠壓，鍍鋅層局部有脫落現(xiàn)象。鋼錨與鋁導(dǎo)線間隙處的鋼芯絲（圖2所示部位）由于高溫?zé)龘p嚴(yán)重，未進(jìn)行顯微組織分析。

圖4 鋁管的金相組織形貌

圖5 鋼芯絲的金相組織形貌

2.3 斷裂鋼芯絲表面顯微形貌

分別取1根斷口齊平的鋼芯絲和1根發(fā)生頸縮的鋼芯絲，對外表面進(jìn)行了形貌觀察，如圖6所示。取樣位置為鋼錨內(nèi)鋼芯絲的斷口附近。斷口齊平的鋼芯絲，斷口附近的表面存在許多相互平行、并平行于斷面（垂直于軸向）的裂紋；斷裂時發(fā)生頸縮的鋼芯絲，表面也存在相互平行的裂紋，但裂紋未完全張開，裂紋較淺，表面覆蓋氧化腐蝕產(chǎn)物。

圖6鋼芯絲斷口附近外表面形貌

2.4 應(yīng)力計算

建模型時將真實的耐張線夾結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化：將鋼芯絲按單根鋼絲處理，其截面積等于7根鋼芯絲的和，對鋁導(dǎo)線也進(jìn)行了類似處理。按軸對稱建模，將模型沿軸線擴展后如圖7所示。位移的邊界條件設(shè)為在導(dǎo)線遠(yuǎn)端的軸向位移為零；施加的載荷為：鋼芯鋁絞線的張力施加于耐張線夾鋼錨的遠(yuǎn)端 （鋼芯鋁絞線的平均張力為29.3 kN），將鋼錨與鋼芯絲、鋼芯絲與鋁導(dǎo)線及鋁導(dǎo)線與鋁管之間進(jìn)行耦合處理。需要輸入的參數(shù)有：鋼的彈性模量為2×1011Pa，泊松比為0.28；鋁的彈性模量為5.9×1010Pa，泊松比為0.31。靜力計算結(jié)果如圖8所示，最大Mises等效應(yīng)力位于鋼錨口附近的鋼芯絲上，最大值為255MPa，遠(yuǎn)低于鋼芯絲的抗拉強度或規(guī)定總延伸強度 （按照GB／T 3428—2002《鋼芯鋁絞線用鍍鋅鋼絲》的規(guī)定，抗拉強度不小于1 290MPa，1%延伸強度不小于1 100MPa；實驗得到鋼芯絲的抗拉強度為1 584MPa，0.2%殘余伸長強度為1274MPa），表明僅考慮張力時，耐張線夾的受力狀況處于安全水平。

圖7 耐張線夾的模型（局部）

圖8 僅考慮張力時Mises等效應(yīng)力

圖9 考慮張力和溫升時Mises等效應(yīng)力

文獻(xiàn)表明，服役中耐張線夾超溫時，溫度可達(dá)到130～150℃以上［6－7］，取耐張線夾整體溫升為100℃時，計算耐張線夾內(nèi)的應(yīng)力分布。上述位移邊界條件和張力載荷不變，需要增加輸入的參數(shù)為鋼和鋁的線膨脹系數(shù)及溫升、參考溫度。計算結(jié)果如圖9所示，應(yīng)力集中位置與圖8相同，最大Mises等效應(yīng)力達(dá)到722MPa。在該載荷下計算軸向應(yīng)力時，則鋼錨和鋼芯絲受拉應(yīng)力，鋁管（中間未壓接的部分）受壓應(yīng)力。當(dāng)溫升繼續(xù)提高時，鋼芯絲上的應(yīng)力快速上升。

由圖8～9的應(yīng)力計算結(jié)果可以看出，無論是否考慮熱應(yīng)力，鋼錨口附近的鋼芯絲均是應(yīng)力集中的部位。當(dāng)溫升較大時，由于鋁管與鋼錨、鋼芯絲的熱膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生的應(yīng)力，會遠(yuǎn)大于鋼芯鋁絞線張力在該部位產(chǎn)生的應(yīng)力。鋁在20～200℃之間的平均線膨脹系數(shù)為23×10－6／℃，碳鋼為12×10－6／℃，鋁的線膨脹系數(shù)幾乎為碳鋼的2倍，因此溫升后鋁管中部的軸向力為壓應(yīng)力，鋼錨管及鋼芯絲的軸向力為拉應(yīng)力。

對耐張線夾解剖時發(fā)現(xiàn)鋁導(dǎo)線與鋁管之間，以及外層鋁導(dǎo)線上存在黑色的氧化腐蝕產(chǎn)物，這些腐蝕產(chǎn)物可能是對線路改造施工壓接時未對導(dǎo)線表面徹底清除，也可能是服役過程中逐漸形成的。氧化腐蝕產(chǎn)物與金屬鋁相比，導(dǎo)電性較差，因此會造成耐張線夾發(fā)熱。

由計算可知，鋼錨口附近鋼芯絲的應(yīng)力對溫度變化較敏感，較高的溫升產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，當(dāng)溫度產(chǎn)生波動時，則在應(yīng)力集中部位產(chǎn)生疲勞應(yīng)力，當(dāng)超過疲勞極限時則萌生疲勞裂紋。溫度的波動可能來自電流的變化，因為產(chǎn)生的熱量與電流的平方成正比，氣象條件的變化也會使耐張線夾的溫度產(chǎn)生波動。受鋼錨口壓接的影響，7根鋼芯絲的受力狀況不可能完全一致，因此分別形成如圖6（a）所示較深的疲勞裂紋和圖6（b）所示較淺的疲勞裂紋。疲勞裂紋主要沿垂直于拉應(yīng)力的方向發(fā)展，因此對于疲勞裂紋較深的鋼芯絲，最終拉斷時形成較平的斷口，疲勞裂紋很淺的鋼芯絲最終拉斷時則發(fā)生頸縮，因此7根鋼芯絲形成3個較平的斷口和4個發(fā)生頸縮的斷口。

當(dāng)鋼芯絲產(chǎn)生疲勞裂紋并擴展后，鋼芯剩余截面的強度不足以承受張力和熱應(yīng)力的共同作用時，則全部鋼芯絲發(fā)生斷裂，之后鋁管的強度不足以承受鋼芯鋁絞線的張力，也發(fā)生了斷裂。當(dāng)發(fā)生短時過電流時，會在應(yīng)力集中部位產(chǎn)生較大的應(yīng)力從而促進(jìn)斷裂過程的發(fā)生。全部斷裂過程應(yīng)該是瞬間完成的。斷裂時產(chǎn)生的電弧使斷口兩側(cè)的鋁管局部產(chǎn)生熔化，并產(chǎn)生飛濺。

耐張線夾的發(fā)熱是一個較常見的現(xiàn)象，根據(jù)北京市電力公司的檢修記錄，2007年6條線路的耐張線夾存在發(fā)熱問題，溫度為52～307℃，2008年16條線路的耐張線夾存在發(fā)熱問題，溫度為43～150℃，發(fā)熱的主要原因為接觸面氧化及引流板緊固螺栓松動［7］。

3 結(jié)語

耐張線夾發(fā)生斷裂的主要原因為鋁管與導(dǎo)線之間存在氧化腐蝕產(chǎn)物，增大了接觸電阻，使耐張線夾發(fā)熱，溫度的波動產(chǎn)生的交變應(yīng)力使鋼芯絲表面萌生疲勞裂紋并逐漸擴展，當(dāng)鋼芯的剩余截面不足以承受張力和發(fā)熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力時則發(fā)生瞬間斷裂。近年來，國內(nèi)發(fā)生過多起因壓接管壓接質(zhì)量不良、內(nèi)部腐蝕嚴(yán)重而導(dǎo)致的耐張線夾斷裂事故。因此，在今后的線路檢修過程中，應(yīng)加強對輸變電線路壓接管的內(nèi)部腐蝕情況檢測，保證輸電線路的安全可靠運行。

［1］蔡向暉.500 kV緊湊型線路耐張線夾斷裂事故分析［J］.華北電力技術(shù)，2003（3）：36－38.

［2］鄭準(zhǔn)備，張李鋒，張兵，等.輸電線路耐張線夾開裂原因分析［J］.陜西電力，2010，38（12）：35－37.

［3］劉純，熊亮，陳紅冬，等.500 kV輸電線路耐張線夾鋼錨斷裂分析［J］.湖南電力，2010，30（3）：14－16.

［4］黃學(xué)能，張云，潘龍斌，等.500 kV線路耐張線夾斷裂原因分析［J］.廣西電力，2012，35（6）：63－65.

［5］胡加瑞，劉純，歐陽克儉，等.500 kV直流輸電線路耐張線夾斷裂的原因分析［J］.電力建設(shè)，2012，33（7）：82－85.

［6］王中.耐張管內(nèi)鋼芯鋁絞線斷線原因分析［J］.電力建設(shè)，2005，26（4）：35－38.

［7］李雪.耐熱導(dǎo)線耐張線夾發(fā)熱問題解決方案研究［D］.北京：華北電力大學(xué)，2010.

Fracture Analysis of Strain Clam p on 220 kV Transm ission Line

SHAOMingxing1，2，WU Zhen3，YANG Dongxu1，2
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.Shandong Electric Power Industry Boiler&Pressure Vessel Inspection Centre Co.，Ltd.，Jinan 250003，China；3.State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou 450046，China）

According to the appearance analysis，microstructure analysis and stress calculation analysis，the fracture reason of strain clamp on 220 kV transmission line is analyzed.Results show that due to increased contact resistance caused by the presence of corrosion products between aluminum wire and aluminum pipe，the tension clamps are heated and causes thermal stress.The fluctuation of temperature produces alternating stress and fatigue cracks are emerged at the stress concentration position.When the cross section of the residual steel core is insufficient to withstand the tension of the conductor，instantaneous fracture occurs under the jointaction of thermal stress.

strain clamp；ACSR；oxidation corrosion

TM726.1

B

1007－9904（2017）06－0077－04

2016－11－22

邵明星（1982），男，高級工程師，從事電網(wǎng)、電站金屬材料方面的研究。