架空地線預(yù)絞絲端口斷裂機(jī)理的試驗分析

鐘枚汕, 彭瑞東, 郭德明, 陳冠豪，楊睿，劉剛

(1. 華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510641；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000)

架空地線(以下簡稱“地線”)通過懸垂線夾架設(shè)于輸電導(dǎo)線上方，是輸電線路防雷保護(hù)的第一道防線[1-2]。由于直接暴露于空氣中，所處環(huán)境復(fù)雜多變，地線易因自然因素或人為因素受到損傷[3-6]。一旦發(fā)生地線的斷線事故，輸電線路可能因地線下落誤碰而造成短路故障，同時地線維修工作也需要耗費(fèi)大量的人力與物力[7-8]。

導(dǎo)致地線斷裂失效的原因有很多。其中懸垂線夾內(nèi)地線的磨損疲勞[9-10]和高溫發(fā)熱[11-12]都是主要原因；因此，工程上常在懸垂線夾內(nèi)的地線纏繞鋁包帶以避免線夾與地線直接發(fā)生磨損。盡管如此，在運(yùn)行過程中仍然無法避免工頻短路電流或者雷電流作用下懸垂線夾內(nèi)地線發(fā)熱嚴(yán)重的問題[13-14]。為了有效避免懸垂線夾內(nèi)地線的高溫發(fā)熱，同時防止線夾與地線直接發(fā)生磨損，相關(guān)運(yùn)維人員對懸垂線夾處的地線采取纏繞預(yù)絞絲[15]的防護(hù)措施。該防護(hù)措施同時應(yīng)用于新線路的建設(shè)與舊線路的改造，取得一定的成效。

然而廣東東莞一條舊線路的地線在線路改造后的半年內(nèi)發(fā)生斷線事故，經(jīng)現(xiàn)場排查發(fā)現(xiàn)，斷線點位于地線的預(yù)絞絲端口處。由此可見，地線預(yù)絞絲端口處存在一定的安全隱患；因此，有必要對地線預(yù)絞絲端口的斷裂機(jī)理展開研究和分析。

本文首先以2016年廣東電網(wǎng)一起地線預(yù)絞絲端口斷裂事故為例展開分析，通過觀察事故斷線樣品的宏觀與微觀特征，對本次事故的斷線機(jī)理進(jìn)行初步推測；隨后搭建大電流溫升試驗平臺，模擬工頻短路電流流經(jīng)地線的運(yùn)行工況；最終，結(jié)合樣品檢測結(jié)果與試驗現(xiàn)象詳細(xì)討論地線預(yù)絞絲端口的斷裂機(jī)理。

1 故障概況

2016年3月16日21時45分，東莞市110 kV大松架空輸電線路大朗變電站的零序保護(hù)與距離保護(hù)動作，開關(guān)跳閘且自動重合閘失敗，線路發(fā)生接地故障。線路跳閘后，工作人員在事故現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)地線斷線，地線掉落并懸掛在下方的荔枝樹上。地線的斷線點位于預(yù)絞絲端口處，如圖1所示。本次斷裂事故中地線型號為GJ-50，由7(1+6)股鍍鋅鋼絞線絞合而成，其所對應(yīng)的預(yù)絞絲由12股鍍鋅鋼絞線組成。

圖1 地線斷線位置示意圖

2 斷線樣品分析

為了確定預(yù)絞絲端口處地線斷裂的特征，本文截取距離預(yù)絞絲端口(斷線點)4 cm內(nèi)的地線與預(yù)絞絲作為檢測樣品，通過宏觀形貌觀察、電鏡掃描以及能譜分析分別提取線樣品的宏觀與微觀特征，并根據(jù)斷線特征進(jìn)行初步推斷。

2.1 斷線樣品宏觀特征

從斷口宏觀形貌特征來看，地線與預(yù)絞絲各股鋼絞線的損傷程度存在一定的差異。地線的斷口按照不同的損傷程度和損傷形式可分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三類，其中，地線外層的6股鋼絞線中有4股為Ⅰ類斷口，2股為Ⅱ類斷口，中心線股屬于Ⅲ類斷口；預(yù)絞絲則可以分為Ⅰ、Ⅱ兩類，其中，預(yù)絞絲的12股鋼絞線中有7股為Ⅰ類斷口，5股為Ⅱ類斷口。

圖2展示了地線與預(yù)絞絲Ⅰ類斷口的宏觀形貌，圖2(a)為預(yù)絞絲Ⅰ類斷口形貌，圖2(b)為地線Ⅰ類斷口形貌。地線與預(yù)絞絲的Ⅰ類斷口的鋼絞線融化缺失最為嚴(yán)重，末端幾乎不存在徑向截面的斷口。鋼絞線融化缺失嚴(yán)重部分位于外層地線與預(yù)絞絲相接觸一側(cè)，距離預(yù)絞絲端口的1～2 cm范圍內(nèi)(以下簡稱“近端口接觸面”)，且越靠近末端，鋼絲缺失越嚴(yán)重。Ⅰ類斷口的近端口接觸面呈現(xiàn)高溫氧化后的深黑色，部分區(qū)域呈現(xiàn)金屬鋼熔化過后所形成的光滑形貌特征，預(yù)絞絲甚至出現(xiàn)了鋼絲熔融粘合的現(xiàn)象，故地線預(yù)絞絲端口在斷裂過程中，其端口處溫度達(dá)到鋼的熔點(1 600 ℃)，金屬鋼大量缺失，鋼絞線機(jī)械性能下降。

圖2 預(yù)絞絲與地線Ⅰ類斷口的宏觀形貌

圖3展示了地線與預(yù)絞絲Ⅱ類斷口的宏觀形貌，圖3(a)為預(yù)絞絲Ⅱ類斷口形貌，圖3(b)為地線Ⅱ類斷口形貌。地線與預(yù)絞絲的Ⅱ類斷口所代表的鋼絞線部分融化缺失，末端存在部分徑向截面的斷口。鋼絞線部分融化缺失同樣位于近端口接觸面，端口處可觀察到高溫氧化與熔融痕跡。

圖3 地線與預(yù)絞絲Ⅱ類斷口宏觀形貌

圖4則展示了地線Ⅲ類斷口(即地線中心線股)的宏觀形貌。地線Ⅲ類斷口所代表的鋼絞線不存在融化缺失，斷口徑向截面完整，斷線樣品表面并不存在深黑色氧化或熔化跡象，保留了鋼絞線原有的銀白色，斷口周邊有輕微的縮頸現(xiàn)象，判斷是由于所受拉力過載而導(dǎo)致的韌性斷裂。

圖4 地線Ⅲ類斷口的宏觀形貌

2.2 斷線樣品微觀特征

采用掃描電鏡觀察斷口的微觀形貌，發(fā)現(xiàn)在外層地線與預(yù)絞絲斷口(即2.1節(jié)中所歸類的Ⅰ類斷口與Ⅱ類斷口)附近表面的部分區(qū)域存在大量不規(guī)則光滑凸起形態(tài)，如圖5所示。對圖5(a)、(b)中方框內(nèi)部分進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表1。光滑凸起的主要成分均為Fe與O。根據(jù)光滑凸起的形態(tài)與分布特征，推測表面的光滑凸起為端口處的放電痕跡。當(dāng)預(yù)絞絲端口處發(fā)生放電(電火花放電或者電弧放電)，金屬鋼因高溫熔化，以液滴的形式飛濺到四周，最終凝固于地線外層鋼絞線與預(yù)絞絲表面。

圖5 外層地線與預(yù)絞絲近斷口表面微觀形貌

表1 能譜分析結(jié)果

2.3 斷口分析總結(jié)與斷線機(jī)理初步推斷

2.3.1 斷口分析小結(jié)

基于2.1節(jié)和2.2節(jié)中斷線樣品的宏觀特征與微觀特征，有以下結(jié)論：

a)地線斷裂時預(yù)絞絲端口處發(fā)熱嚴(yán)重，地線與預(yù)絞絲的近端口接觸面發(fā)生了高溫氧化與熔化，其溫度超過鋼的熔點(1 600 ℃)；

b)地線與預(yù)絞絲斷口附近表面的微觀形貌可以觀察到光滑的凸起形態(tài)，推測預(yù)絞絲端口發(fā)生過擊穿放電現(xiàn)象(電火花放電或者電弧放電)；

c)地線內(nèi)層鋼絞線不存在高溫氧化或熔化跡象，屬于韌性斷裂。

2.3.2 斷線機(jī)理初步推斷

前期研究結(jié)果[16-18]表明，地線預(yù)絞絲端口處發(fā)生的斷線是工頻短路電流的熱效應(yīng)以及端口內(nèi)地線與預(yù)絞絲之間的接觸電阻共同作用的結(jié)果。當(dāng)工頻短路電流通過地線時，預(yù)絞絲端口發(fā)熱嚴(yán)重。除了電流的熱效應(yīng)以外，斷線樣品的微觀形貌表明預(yù)絞絲端口發(fā)生過劇烈的放電現(xiàn)象(包括電火花放電或者電弧放電)，擊穿放電所產(chǎn)生的熱能不可忽視。由于工頻短路電流作用時間極短，斷線過程中端口處的熱量未能傳遞至地線內(nèi)層的中心線股。在焦耳熱以及電火花或者電弧燒蝕的作用下，高溫使外層地線與預(yù)絞絲近端口的接觸面熔化，此時，地線機(jī)械性能也大幅度下降，軸向拉力將由地線的中心線股和外層少數(shù)幾股未完全熔化的線股共同承擔(dān)。最終地線無法承載兩側(cè)的過載軸向拉力而發(fā)生斷裂。

3 工頻短路電流溫升試驗

預(yù)絞絲端口處電流的熱效應(yīng)與放電現(xiàn)象將為地線的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來較大的隱患。然而，運(yùn)維人員并不能直接觀察到此次事故的斷裂過程，預(yù)絞絲端口的斷線過程和特征只是基于斷線樣品的推測?？紤]到斷線樣品的單一性，為了避免斷線事故中預(yù)絞絲端口內(nèi)斷裂特征的偶然性，進(jìn)一步確認(rèn)預(yù)絞絲端口的斷線機(jī)理，本文搭建工頻短路電流溫升試驗平臺以還原工頻短路電流流經(jīng)預(yù)絞絲端口的實際運(yùn)行工況。

3.1 試驗方案

圖6所示為工頻短路電流溫升試驗平臺。本文選取纏繞有預(yù)絞絲的新地線與舊地線(地線型號均為GJ-50)各1條作為試驗樣品。試驗樣品通過并溝線夾、銅線、螺栓與三相變壓器(型號為ISGB-12500/10)的銅排相連接，形成閉合回路。控制室后臺能夠控制三相變壓器輸出不同大小和時間的工頻短路電流。為了保證試驗過程的安全，在試驗樣品四周設(shè)置擋板。在本次溫升試驗中，對試驗樣品(新地線與舊地線)各施加一次有效值10 kA、時長為60 ms的模擬工頻短路電流，并利用錄像儀與紅外攝像儀進(jìn)行記錄。

圖6 模擬試驗平臺示意圖

3.2 試驗現(xiàn)象

在試驗過程中可以發(fā)現(xiàn)，無論是新地線還是舊地線，都能夠在預(yù)絞絲端口處觀察到劇烈的電火花放電現(xiàn)象。圖7以舊地線為例展示了線路加載工頻短路電流的試驗現(xiàn)象，圖7(a)為舊地線未加載電流時的預(yù)絞絲端口，圖7(b)為舊地線加載電流瞬間的預(yù)絞絲端口試驗現(xiàn)象。結(jié)合圖7(a)與圖7(b)可以看出，在加載工頻短路電流的瞬間，預(yù)絞絲端口處出現(xiàn)了劇烈的火星飛濺現(xiàn)象。

圖7 舊地線加載工頻短路電流時預(yù)絞絲端口的試驗現(xiàn)象

試驗中的紅外攝像結(jié)果如圖8所示，其中圖8(a)為新地線表面溫度，圖8(b)為舊地線表面溫度。圖中方框內(nèi)定位點為溫度最高點，圖片左上角顯示最高溫度?？梢姡碌鼐€和舊地線的溫度最高區(qū)域均位于預(yù)絞絲端口處，舊地線的最高溫度(553 ℃)遠(yuǎn)大于新地線的最高溫度(253 ℃)。這主要是由于舊地線表面的氧化腐蝕程度遠(yuǎn)大于新地線表面，舊地線與預(yù)絞絲之間的接觸狀態(tài)不良，二者之間的接觸電阻較大，從而加劇舊地線預(yù)絞絲端口的發(fā)熱情況。由于紅外攝像存在局限性，只能測得預(yù)絞絲端口的表面溫度。預(yù)絞絲端口的內(nèi)部溫度將會比表面更高。下文將結(jié)合試驗線路的預(yù)絞絲端口宏觀形貌特征，進(jìn)一步分析預(yù)絞絲端口的損傷情況。

圖8 試驗中的紅外攝像結(jié)果

3.3 試驗樣品宏觀形貌觀察與討論

本文對上述2個試驗樣品的預(yù)絞絲端口宏觀形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖9所示。圖9(a)展示新地線預(yù)絞絲端口的宏觀形貌，圖9(b)展示舊地線預(yù)絞絲端口的宏觀形貌。對于同一個子圖，上圖均為下圖虛線框內(nèi)的局部放大圖。從整體外觀來看，新地線和舊地線的預(yù)絞絲端口處發(fā)黑，因高溫氧化所致。

圖9 試驗樣品宏觀形貌

從圖9(a)新地線的預(yù)絞絲端口局部放大圖可以看出，預(yù)絞絲各鋼絲出現(xiàn)融化變形，橫截面減小，部分預(yù)絞絲鋼絲端口嵌入地線內(nèi)部。這主要是由于地線的局部高溫熔化，預(yù)絞絲在自身絞合形態(tài)所產(chǎn)生的接觸壓力的作用下，垂直陷入地線內(nèi)部，致使預(yù)絞絲端口處的地線形成缺口。從圖9(b)舊地線的預(yù)絞絲端口的局部放大圖中，同樣可以觀察到預(yù)絞絲端口陷入地線的情況。

除此之外，新地線預(yù)絞絲端口附近的鋼絲表面存在熔坑，如圖9(a)中虛線圓框內(nèi)所示。熔坑產(chǎn)生的原因歸結(jié)于該部位發(fā)生了電弧放電，電弧對地線和預(yù)絞絲的局部位置不斷電蝕所致。電弧在放電過程中會產(chǎn)生垂直于鋼股表面的壓力[19]，并作用于液態(tài)的鋼股表面。待鋼股表面冷卻凝固后便形成凹陷的熔坑。

4 預(yù)絞絲端口斷裂機(jī)理分析

圖10 為地線預(yù)絞絲端口斷機(jī)理分析示意圖?；诘?章與第3章的故障樣品分析與試驗研究結(jié)果，結(jié)合圖10對地線預(yù)絞絲端口斷裂機(jī)理進(jìn)行總結(jié)。

文獻(xiàn)[20]中曾對加載工頻短路電流的預(yù)絞絲端口進(jìn)行電磁場仿真計算。仿真計算得到的電流密度分布結(jié)果表明：由于電流的集膚效應(yīng)，當(dāng)工頻短路電流Ishort流經(jīng)地線的預(yù)絞絲端口時，大量的電流需要通過近端口的接觸點從地線擴(kuò)散至預(yù)絞絲，如圖10(a)所示。在集膚效應(yīng)與接觸電阻的共同作用下，預(yù)絞絲端口將產(chǎn)生大量的焦耳熱。對于長期投運(yùn)的舊地線而言，其表面存在因氧化腐蝕形成的銹蝕層，地線與預(yù)絞絲之間的接觸電阻較大，從而導(dǎo)致預(yù)絞絲端口處的焦耳熱也會更大。

除此之外，預(yù)絞絲端口處還會發(fā)生劇烈的放電現(xiàn)象(包括電火花放電和電弧放電)，如圖10(a)所示。電弧放電的能量極高，瞬間能產(chǎn)生至少3 000 ℃的高溫。因此，在焦耳熱與電弧熱的共同作用下，預(yù)絞絲端口處的鋼股將出現(xiàn)融化甚至汽化的現(xiàn)象，預(yù)絞絲與外層地線嚴(yán)重缺失。

與此同時，高溫能夠使鋼絞線軟化，預(yù)絞絲本身存在向內(nèi)絞合的壓力Fradial，在Fradial的作用下預(yù)絞絲陷入外層地線，外層地線的橫截面積減小，如圖10(b)所示。在高溫作用下，預(yù)絞絲端口處地線的機(jī)械性能急劇下降，而軸向拉力又將由地線的中心線股和外層少數(shù)幾股未完全熔化的線股共同承擔(dān)，最終地線在無法承受兩側(cè)的軸向拉力Faxial的情況下而發(fā)生斷裂失效。

5 結(jié)論

本文以廣東電網(wǎng)一起110 kV地線預(yù)絞絲端口斷線事故為例，采用斷線樣品檢測與溫升試驗探究相結(jié)合的形式，對預(yù)絞絲端口處的斷裂機(jī)理和斷裂特征展開研究，得到如下結(jié)論：

a)地線預(yù)絞絲端口發(fā)生的斷裂失效是高溫與軸向拉力的共同作用下造成的。當(dāng)工頻短路電流流經(jīng)預(yù)絞絲端口時，預(yù)絞絲端口將因電流的熱效應(yīng)與放電的熱量而出現(xiàn)局部高溫甚至熔化。鋼絞線的機(jī)械強(qiáng)度驟降，最終承載不住兩側(cè)的軸向拉力而發(fā)生斷裂。

b)新地線與舊地線的預(yù)絞絲端口在工頻短路電流的作用下均會發(fā)生電火花放電和電弧放電現(xiàn)象。由于接觸狀態(tài)差異，舊地線預(yù)絞絲端口處的發(fā)熱情況將比新地線嚴(yán)重。

c)預(yù)絞絲端口的電火花放電和電弧放電現(xiàn)象是地線運(yùn)行當(dāng)中的一個重要安全隱患，后續(xù)應(yīng)對預(yù)絞絲端口的放電機(jī)理進(jìn)行充分研究，從而為預(yù)絞絲端口相應(yīng)的改進(jìn)措施研究提供理論指導(dǎo)，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。