某輸電線路地線金具斷裂分析

葉建鋒，周學(xué)明，沈祎儂

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077；2.湖北方源東力電力科學(xué)研究有限公司，湖北 武漢 430077）

0 引言

架空地線為輸電線路的重要部分，雖然其不傳輸電力，但地線斷裂后仍然會(huì)造成線路跳閘［1-3］。

架空地線失效一般包括雷擊［4］、鋼絞線腐蝕斷裂［5-12］、鋼絞線鋼錨處壓接質(zhì)量不良導(dǎo)致鋼絞線從鋼錨中抽出［13-24］，連接鋼絞線及鐵塔之間的金具斷裂［25-27］等情況。

1 概況

某220 kV輸電線路改造工程投運(yùn)于2020年6月，共有6基新立的桿塔，導(dǎo)線采用2×JL/G1A-630/45鋼芯鋁絞線，雙根地線，其中一根為JLB35-120鋁包鋼絞線，另一根為36芯OPGW光纜。

2021年1月，線路發(fā)生故障，經(jīng)線路運(yùn)維單位現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)該地線某基鐵塔上的U型掛環(huán)斷裂，導(dǎo)致地線跌落至地面，如圖1所示。

圖1 斷裂U型掛環(huán)在鐵塔上的位置Fig.1 The position of the broken U-RING on the tower

2 試驗(yàn)與分析

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，該地線的連接方式為使用型號(hào)NY-120BG1的耐張線夾壓接地線，然后使用U-10型號(hào)的U型掛環(huán)將耐張線夾直接與鐵塔橫擔(dān)連接。

2.1 試驗(yàn)計(jì)劃

根據(jù)故障情況和樣品制定表1所示的試驗(yàn)計(jì)劃。

表1 試驗(yàn)計(jì)劃Table 1 Test plans

2.2 外觀檢查

對(duì)U型掛環(huán)及鋼錨進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)U型掛環(huán)內(nèi)側(cè)面和鋼錨的側(cè)面均存在明顯的磨損痕跡，但U型掛環(huán)的內(nèi)凹面和鋼錨的內(nèi)凹面未見(jiàn)磨損痕跡，如圖2-圖3所示。

圖2 斷裂U型掛環(huán)磨損痕跡Fig.2 Wear marks of broken U-RING

圖3 鋼錨磨損痕跡Fig.3 Wear marks on the steel anchor

從圖2-圖3的磨損痕跡可以判斷，U型掛環(huán)的內(nèi)側(cè)面與鋼錨的外側(cè)相互接觸，而U型掛環(huán)的內(nèi)凹面與鋼錨的內(nèi)凹面未發(fā)生接觸，這與正常情況下環(huán)-環(huán)連接金具的接觸部位不符。

2.3 尺寸測(cè)量

將斷裂U型掛環(huán)U-10拼接后對(duì)其尺寸進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表2所示，另外，根據(jù)與斷裂U型掛環(huán)相連接的鋼錨型號(hào)（NY-120BG1）查閱資料得到鋼錨的尺寸如表3所示。

表2 U型掛環(huán)尺寸測(cè)量結(jié)果Table 2 Measuring result of U-RING

表3 鋼錨尺寸Table 3 Size of steel anchor

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 2315-2017電力金具標(biāo)稱破壞載荷系列及連接型式尺寸》5.3.1規(guī)定，對(duì)于直徑大于等于18 mm的環(huán)環(huán)連接時(shí)，一個(gè)環(huán)的開(kāi)口寬度應(yīng)比另一個(gè)環(huán)的直徑大4 mm，而根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，斷裂U型掛環(huán)的開(kāi)口寬度僅比與之相連的鋼錨直徑大1.73 mm，可見(jiàn)斷裂U型掛環(huán)與鋼錨的尺寸不匹配。

2.4 光譜分析

對(duì)斷裂U型掛環(huán)進(jìn)行光譜分析，結(jié)果如表4所示。

表4 光譜分析結(jié)果Table 4 Spectral analysis results

從光譜分析結(jié)果可見(jiàn)，U型掛環(huán)的材質(zhì)牌號(hào)與Q235B相符。

2.5 金相分析

對(duì)斷裂U型掛環(huán)進(jìn)行金相分析，結(jié)果如圖4-圖5所示。

從圖4-圖5可見(jiàn)，該鋼材內(nèi)部無(wú)明顯夾雜物，組織為鐵素體+珠光體，為鍛造件金相組織，且鋼材表面無(wú)脫碳層。

圖4 U型掛環(huán)芯部金相組織Fig.4 Metallographic structure of U-RING core

圖5 U型掛環(huán)邊沿金相組織Fig.5 Metallographic structure of the edge of U-RING

2.6 拉力試驗(yàn)

使用線切割機(jī)將斷裂的U型掛環(huán)取樣進(jìn)行拉力試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。

表5 拉力試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Tensile test results

從表5可見(jiàn)，U型掛環(huán)的力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 700-2006碳素結(jié)構(gòu)鋼》要求。

而根據(jù)《GB/T 2315-2017電力金具標(biāo)稱破壞載荷系列及連接型式尺寸》，U-10型U型掛環(huán)的材料抗拉強(qiáng)度要求≥500 MPa，且d=16 mm，雖然斷裂U型掛環(huán)的抗拉強(qiáng)度為462 MPa，比標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2315-2017低7.6%，但斷裂U型掛環(huán)的d=17.94 mm，其承載截面積比標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2315-2017高25.7%，因此總體而言，斷裂U型掛環(huán)的承載能力能滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2315-2017的要求。

2.7 斷口分析

對(duì)斷裂U型掛環(huán)的斷面進(jìn)行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)斷裂起源于U型掛環(huán)的內(nèi)側(cè)面，終止于外側(cè)面，且斷面無(wú)銹蝕，如圖6所示。

圖6 U型掛環(huán)斷面宏觀圖Fig.6 Macrograph of section of U-RING

為進(jìn)一步確認(rèn)U型掛環(huán)是否存在原始缺陷，使用掃描電鏡對(duì)斷裂起源部位進(jìn)行形貌觀察和能譜分析，結(jié)果如圖7和表6所示。

圖7 斷裂起源部位形貌Fig.7 Morphology of the origin of fracture

表6 斷裂起源部位能譜分析結(jié)果Table 6 Results of energy spectrum analysis of fault origin site

從掃描電鏡分析結(jié)果可見(jiàn)，斷裂起源部位的形貌與芯部一致，均為韌性斷口，且起源部位無(wú)鋅元素，表明U型掛環(huán)鍍鋅前該部位無(wú)缺陷。

3 斷裂原因綜合分析

從光譜分析、拉力試驗(yàn)和金相分析結(jié)果表明U型掛環(huán)的材質(zhì)為Q235B，制造工藝為鍛造，符合《電力工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》對(duì)U型掛環(huán)的選材及加工工藝要求。

從斷口分析結(jié)果表明，U型掛環(huán)的斷裂起源部位無(wú)原始制造缺陷，斷口性質(zhì)為韌性斷裂。

從尺寸測(cè)量結(jié)果表明，U型掛環(huán)的尺寸和鋼錨尺寸不匹配，U型掛環(huán)的開(kāi)口寬度偏小，導(dǎo)致在受拉力的情況下，鋼錨與U型掛環(huán)內(nèi)側(cè)面緊密貼合，無(wú)法靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，從鋼錨和U型掛環(huán)的磨損痕跡中也驗(yàn)證了這種情況。

最后，由于鋼錨與鐵塔橫擔(dān)之間只有一個(gè)U型掛環(huán)作為過(guò)渡，當(dāng)鋼錨與U型掛環(huán)之間轉(zhuǎn)動(dòng)不暢時(shí)，地線上下擺動(dòng)的載荷無(wú)法通過(guò)金具間的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)抵消，從而使載荷直接傳遞到U型掛環(huán)上，使U型掛環(huán)與鐵塔橫擔(dān)發(fā)生碰撞，當(dāng)擺動(dòng)載荷在單位面積上所產(chǎn)生的沖擊功大于U型掛環(huán)的沖擊韌性時(shí)，U型掛環(huán)便發(fā)生斷裂。

4 建議

1）將該線路其他地線與鐵塔橫擔(dān)連接的U型掛環(huán)更換為開(kāi)口寬度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的U型掛環(huán)。

2）對(duì)其他線路進(jìn)行排查，若發(fā)現(xiàn)地線鋼錨與鐵塔橫擔(dān)之間僅有一個(gè)U型掛環(huán)進(jìn)行過(guò)渡的情況，則需查閱其設(shè)計(jì)資料，檢查是否存在U型掛環(huán)與鋼錨尺寸不匹配的情況。

3）對(duì)于以后將要建設(shè)的工程，做好設(shè)計(jì)的審查工作［28-34］，建議采用《國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計(jì)》，避免地線鋼錨與鐵塔橫擔(dān)之間僅用一個(gè)金具進(jìn)行過(guò)渡。