500kV 超高壓輸電線路金具掛環(huán)斷裂原因及預(yù)防對策

方旭 四川蜀能電力有限公司電網(wǎng)運維分公司

現(xiàn)代社會中，我國科技技術(shù)發(fā)展日新月異，電力系統(tǒng)也隨之取得了很大的進步，最重要之一是500kV 超高壓輸電線路，能夠有效降低輸電成本，具有重要應(yīng)用價值。但因為其所處的環(huán)境屬于外部自然環(huán)境，容易產(chǎn)生故障。其中金具是被廣泛應(yīng)用在輸電線路中的鐵或鋁制金屬附件，主要用來抑制導(dǎo)線振幅和消振，種類和用途繁多。電力線路金具掛環(huán)在輸電線路中具有重要作用，一旦失效會對造成較大的安全隱患，因此對輸電線路金具掛環(huán)斷裂失效及預(yù)防研究十分有必要。

一、輸電線路金具類型概述

（一）碗頭掛板

在線路中起到連接懸垂線夾和絕緣子串的作用，按結(jié)構(gòu)和使用條件可分為單聯(lián)和雙聯(lián)碗頭掛板。碗頭掛板作為一種常用的連接金具，被大量應(yīng)用于輸電塔上，往往承受著較大載荷，其性能優(yōu)劣對輸配電線路安全至關(guān)重要。

（二）懸垂線夾

懸垂線夾是用于懸掛和支托導(dǎo)線，要求能承受規(guī)定的垂直荷載和對導(dǎo)線的握力。從結(jié)構(gòu)上分為中心回轉(zhuǎn)式、上扛式和提包式。

（三）楔型線夾和UT 線夾

楔型線夾和UT 線夾屬于拉線金具，是用于桿塔至地錨之間連接、固定和調(diào)整拉線，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 高強度鋁合金楔型線夾和UT線夾的結(jié)構(gòu)

二、工程案例概述

本文以某500kV 高壓輸電線路為例，據(jù)資料顯示該地區(qū)輸電線路連接金具在遠低于其服役年限下即發(fā)生嚴重的磨損失效，給輸電線路造成較大的安全隱患；而且連接金具更換麻煩，造成大量人力和財力的浪費，因此對輸電線路連接金具失效的研究十分有必要。

三、金具失效原因及分析方法

連接金具U 型環(huán)的失效主要由材料因素和工況兩方面決定，前者為內(nèi)因，后者為外因。連接金具的失效總是從金具薄弱環(huán)節(jié)開始，而薄弱環(huán)節(jié)又是由上述兩個方面相互作用導(dǎo)致的。

（一）金具U 型環(huán)磨損

連接金具除了要承受導(dǎo)線、絕緣子或其他構(gòu)件自身的質(zhì)量等各種靜載荷外，還受微風(fēng)振動、舞動、覆冰、次檔距振動、導(dǎo)線脫冰跳躍等因素影響。在大風(fēng)情況下，導(dǎo)線背風(fēng)面會產(chǎn)生較大的渦旋使導(dǎo)線產(chǎn)生一定幅度的位移。位移會帶動連接金具產(chǎn)生一定角度的晃動，從而使上下U 型環(huán)的接觸位置產(chǎn)生滑動導(dǎo)致黏著磨損，當(dāng)在風(fēng)沙環(huán)境下小粒徑的沙?？赡軙M入接觸位置，在相對滑動的過程中，導(dǎo)致磨粒磨損。

（二）金具U 型環(huán)腐蝕

由于輸電線路所用U 型環(huán)絕大部分材質(zhì)為Q235 表面鍍鋅。當(dāng)連接金具用于惡劣工況條件下時，表面鍍鋅層在潮濕的環(huán)境中會受到酸性腐蝕，使表面鍍鋅層遭到破壞加速連接金具的失效。蝕金具的工作特點也會對其造成腐蝕，連接金具在運行條件下要承受較大的應(yīng)力，應(yīng)力使鍍鋅層表面的裂紋快速擴展。在酸雨氣氛中，擴展的裂紋會使腐蝕介質(zhì)更易進入鍍鋅層，加快連接金具腐蝕速率。當(dāng)連接金具由于風(fēng)載或其他因素產(chǎn)生相對滑動時，在酸性環(huán)境下，會產(chǎn)生微動腐蝕，腐蝕和磨損交互作用，共同加速連接金具的失效進程。

（三）金具U 型環(huán)疲勞研究

金具的疲勞研究可以從以下三個方面進行：第一方面是傳統(tǒng)疲勞壽命研究，通過對連接金具進行疲勞試驗，對斷口宏觀形貌進行觀察，對于由疲勞導(dǎo)致的斷裂失效可在斷口上觀察到疲勞源、疲勞裂紋擴展區(qū)、瞬斷區(qū)三個典型的疲勞斷口特征，然后再對斷口部位進行金相組織觀察、掃描電鏡、成分分析等闡明疲勞裂紋萌生機理。此方法可較為精確地闡明連接金具疲勞失效原因，但耗費時間較長。第二方面是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等預(yù)測模型利用連接金具磨損數(shù)據(jù)構(gòu)建連接金具疲勞壽命預(yù)測模型。第三方面是利用有限元軟件對連接金具進行疲勞壽命分析或?qū)B接金具進行磨損量仿真，利用建立的磨損量仿真模型預(yù)測連接金具達到失效尺寸時所經(jīng)過的時間。

上述三個方面可互相驗證，從而實現(xiàn)對連接金具疲勞研究的精確性與全面性。疲勞是裂紋在長期周期性交變應(yīng)力下失穩(wěn)擴展導(dǎo)致的失效或斷裂，而疲勞裂紋最易在工件內(nèi)部組織缺陷處、應(yīng)力集中區(qū)域和表面劃痕等位置產(chǎn)生。由此可知，連接金具疲勞失效的影響因素主要有表面質(zhì)量、結(jié)構(gòu)設(shè)計和風(fēng)載荷。連接金具表面完整性和粗糙度對其疲勞壽命起著決定性作用，金具表面缺陷處在交變載荷下易產(chǎn)生疲勞源；連接金具不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和受載分布會導(dǎo)致其產(chǎn)生應(yīng)力集中，給連接金具產(chǎn)生疲勞裂紋埋下隱患；風(fēng)載荷會使連接金具單側(cè)受力不均勻，導(dǎo)致其發(fā)生擺動，當(dāng)擺動達到一定程度后會在連接金具薄弱位置產(chǎn)生裂紋。

四、金具失效分析方法

第一，同一類別的金具由于本身制造工藝、規(guī)格不同導(dǎo)致形態(tài)多樣化，不同形態(tài)的同類金具的缺陷也具有多樣性；第二，同一類別的金具正常和缺陷形態(tài)差異較小。因此，要想實現(xiàn)對金具缺陷樣本的準確分類，必須對所提取的金具缺陷特征有很高的要求。傳統(tǒng)的金具巡檢主要通過人工檢修，耗時費力的同時檢修效率較低。目前，電力系統(tǒng)已經(jīng)廣泛采用安全系數(shù)較高的直升機和無人機進行輸電線路上金具等重要部件的巡檢工作，但由于拍攝角度的多變性和金具所處背景的復(fù)雜性，必須利用目前魯棒性較強的圖像處理算法，并結(jié)合金具先驗知識處理其缺陷分類問題，通過對獲得的金具圖像的處理可以判斷出金具是否正常，以及產(chǎn)生何種缺陷隱患，這能夠很大程度地提高輸電線路自動化巡檢的效率。

失效總是從連接金具的薄弱環(huán)節(jié)開始的，失效金具的殘骸上必然會保留有關(guān)失效過程的有用信息。通過對失效殘骸的研究可查明失效的機理和過程，并對失效的原因做出判斷，從而可針對性地采取改進和預(yù)防措施。對連接金具進行失效分析可從宏觀和微觀兩個層面進行，由于材料的成分、組織和性能會決定其最終的使用性能，因此在對連接金具進行失效分析之前應(yīng)查清其成分、加工工藝、工況環(huán)境等信息。宏觀分析，利用肉眼或放大鏡對失效金具進行全面觀察，尋找失效部位的有用信息進行拍照取證。微觀分析，在不影響失效金具原有形貌的前提下，對包含有失效信息的典型斷口進行取樣，對其斷口微觀形貌進行觀察。結(jié)合金相組織形態(tài)分析、化學(xué)成分分析、結(jié)構(gòu)分析得出連接金具的失效形式與機理。

五、超高壓輸電線路金具失效預(yù)防措施

1.對連接金具進行無損檢測，避免在其缺陷位置由于應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋。

2.更換連接金具材質(zhì)。由于連接金具U 型環(huán)大部分材質(zhì)為Q235，其耐磨性較差，可采用耐磨性能較好的45Mn2 或35CrMo。

3.對連接金具進行表面改性處理。連接金具表面一般為鍍鋅層，而鋅耐腐蝕能力較弱，可通過對連接金具表面噴涂耐磨的高碳鋼、鍍鋁或鋁鋅合金、進行表面強化等來改善連接金具的耐磨性和耐腐蝕性。

4.改變連接金具接觸方式，目的是為增大其接觸面積，從而降低局部接觸應(yīng)力。例如，用直角掛板替換U 型環(huán)，增大連接金具之間的接觸面積。

5.改變連接方式，避免某些部位磨損過度導(dǎo)致連接金具失效。例如，由環(huán)環(huán)連接改為環(huán)鏈連接。

6.為避免連接金具振動，可安裝防震錘。

7.對輸電線路安裝防舞裝置，例如間隔棒、防舞鞭、偏心重錘等，來防止輸電線路舞動，從而帶動連接金具產(chǎn)生微小滑動，使連接金具之間發(fā)生磨損。

8.提高對在役連接金具的檢查頻率。

六、結(jié)束語

社會對電能的需求量由于受到國民經(jīng)濟增長的影響進行了大幅度快速試的提升，并且賦予了電力輸送領(lǐng)域全新的生機，也帶來了重大的挑戰(zhàn)。500kV 超高壓輸電線路作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，其運行質(zhì)量具有重要意義。本文結(jié)合某500kV 輸電線路金具失效原因及預(yù)防措施展開分析，以期促進500kV 超高壓輸電線路運行質(zhì)量提升。