陳 浩,田 峰,張 濤,謝利明,孫云飛
(1.內(nèi)蒙古電力(集團)有限責任公司內(nèi)蒙古電力科學研究院分公司,呼和浩特 010020;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)高電壓與絕緣技術(shù)企業(yè)重點實驗室,呼和浩特 010020)
懸式絕緣子一般由絕緣件(如瓷件、玻璃件)和金屬附件(如鋼腳、鐵帽、法蘭等)用膠合劑膠合或接卸卡裝而成,因其結(jié)構(gòu)簡單且制造成本低,在電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。作為高壓輸電線路的重要設(shè)備之一,懸式絕緣子主要承擔懸掛導線和對鐵塔絕緣的重要任務(wù)[1-2]。輸電線路中懸式絕緣子是并聯(lián)運行的,任何一片絕緣子出現(xiàn)問題都會造成輸電線路故障,甚至長時間停電事故,嚴重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。本文以某110 kV 輸電線路懸式絕緣子為例,對其斷裂原因進行分析,以避免同類型絕緣子失效問題再次發(fā)生。
某110 kV輸電線路在導線架設(shè)完成后,耐張段輸電鐵塔相繼發(fā)生兩起因懸式絕緣子鋼腳脫落引發(fā)的掉串事故。該線路位于丘陵溝壑山區(qū),地勢起伏不大,坡度平緩。事故發(fā)生在冬季,氣溫較低,風速穩(wěn)定均勻,風力等級在1—3級。鋼腳斷裂的懸式絕緣子為高壓側(cè)的第一片絕緣子,型號為U100BP/146D,鋼腳直徑為12 mm,材質(zhì)為45號鋼,其表面采用熱浸鍍鋅防腐工藝處理。為找出懸式絕緣子鋼腳斷裂原因,對其進行檢驗分析。
對鋼腳斷裂的懸式絕緣子進行宏觀形貌檢查,發(fā)現(xiàn)懸式絕緣子鋼腳沿著球頭與桿部結(jié)合部位斷裂,鋼腳與鋼帽不存在明顯偏心現(xiàn)象。斷面內(nèi)疲勞源、疲勞擴展區(qū)及瞬斷區(qū)清晰可見,擴展區(qū)具有明顯的疲勞弧線,除瞬斷區(qū)外,斷口平坦無塑性變形,斷面粗糙,色澤為亮灰色,未見明顯腐蝕損傷,整個斷口宏觀形貌符合典型的疲勞斷裂特征(如圖1 所示)。
圖1 鋼腳斷口的懸式絕緣子宏觀形貌Fig.1 The macro morphology of suspension insulator with broken steel foot
對斷裂的鋼腳取樣進行顯微組織分析,發(fā)現(xiàn)鋼腳的金相組織為鐵素體+回火索氏體,未見過熱、過燒組織及夾雜物,且無明顯塑性變形(如圖2所示)。
圖2 斷裂的鋼腳金相組織Fig.2 Metallographic structure of broken steel foot
對斷裂的懸式絕緣子鋼腳取樣進行化學成分檢測,檢測結(jié)果見表1。結(jié)果表明,鋼腳化學成分中各元素含量滿足GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》對45號鋼的化學成分要求。
表1 懸式絕緣子鋼腳各化學成分質(zhì)量分數(shù)檢測結(jié)果Tab.1 Test result of chemical composition mass fraction of steel foot of suspension insulator %
利用掃描電子顯微鏡(SEM)對懸式絕緣子的鋼腳斷口進行檢測(如圖3 所示)??梢钥闯?,鋼腳斷口擴展區(qū)可見大量疲勞條帶,且不同區(qū)域的疲勞條帶方向不同,具有典型的疲勞斷裂特征;瞬斷區(qū)可以觀察到大量等軸韌窩,屬于韌性斷裂。
圖3 懸式絕緣子鋼腳斷口SEM形貌Fig.3 The SEM morphology of fracture surface of suspension insulator with broken steel foot
通過實際測量懸式絕緣子各部位尺寸,并對鋼帽和傘裙進行適當簡化,利用三維造型軟件構(gòu)建相應(yīng)的幾何模型(如圖4所示)。為準確模擬分析懸式絕緣子鋼腳在導線風偏舞動時的受力狀態(tài),在分析模型中對懸式絕緣子鋼帽施加固定約束,對鋼腳球頭施加彎曲載荷和軸向拉伸載荷,模型采用網(wǎng)格四面體單元,節(jié)點和單元數(shù)量分別為40 673 和12 499個[3]。圖5為懸式絕緣子鋼腳的應(yīng)力分布云圖,可以看出,導線在大風天氣下隨風擺動時,整個鋼腳最大應(yīng)力出現(xiàn)在球頭與桿部的結(jié)合部位,與鋼腳實際斷裂位置一致[4-5]。
圖4 懸式絕緣子幾何模型Fig.4 The Geometrical model for suspension insulator with broken steel foot
圖5 懸式絕緣子鋼腳的應(yīng)力分布云圖Fig.5 The stress distribution map for the suspension insulator with broken steel foot
對懸式絕緣子斷裂的鋼腳取樣進行硬度檢測,鋼腳布氏硬度值在145~153,標準GB/T 699—2015中對退火供貨狀態(tài)的45 號鋼的硬度要求為≤197,因此其硬度值滿足使用要求。
斷裂的懸式絕緣子鋼腳化學成分及布氏硬度均符合標準要求,因此排除了因材質(zhì)錯用導致鋼腳斷裂的可能。此外,鋼腳金相組織未發(fā)生拉長變形,且未見過熱、過燒等異常組織,說明熱加工工藝對鋼腳的斷裂影響較小。
平坦開闊的地形及穩(wěn)定緩慢的微風對導線的微振起促進作用。現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn),該線路位于丘陵溝壑山區(qū),地形相對平緩,對氣流的擾亂作用較小。該事故發(fā)生在冬季,事發(fā)當天風速在5 m/s 左右,在這樣的風速及地形條件下導線極易發(fā)生微風振動。此外,在輸電線路導線架設(shè)完成后,因天氣原因未在第一時間安裝防震錘等金屬附件,因此無法有效減少或消除導線振動的影響[6-9]。
高壓側(cè)第一片懸式絕緣子直接與導線線夾相連,一旦導線發(fā)生振動,該處作為振動的起始點,振幅高、應(yīng)力大,服役條件相對其他部位惡劣。同時,懸式絕緣子鋼腳的球頭與桿部的結(jié)合處屬于變截面區(qū)域,在外力作用下極易形成應(yīng)力集中。當導線發(fā)生微振時,懸式絕緣子鋼腳處將產(chǎn)生與導線微振周期相同的循環(huán)應(yīng)力,且沿著應(yīng)力集中效應(yīng)明顯的鋼腳球頭與桿部結(jié)合部位開裂,并以疲勞的形式不斷擴展。此外,線路架設(shè)地區(qū)冬季氣溫極低且晝夜溫差較大,造成導線的張力升高,振動頻率加快,也在一定程度上加劇了懸式絕緣子鋼腳的疲勞損傷及斷裂進程[10-16]。
針對本次懸式絕緣子鋼腳斷裂故障,提出以下建議。
首先,基建過程中輸電線路導線架設(shè)完成后,在第一時間應(yīng)安裝防震錘等金屬附件,防止導線發(fā)生微風振動;其次,冬季施工應(yīng)充分考慮氣溫低及溫差大的特點,避免因?qū)Ь€張力過高引發(fā)微風振動;再次,因懸式絕緣子鋼腳斷裂于碗頭內(nèi)且尺寸細小,比較隱蔽,在常規(guī)線路巡視時不易發(fā)現(xiàn),建議加強該輸電線路的巡視力度及登檢頻次,必要時可進行磁粉無損探傷,發(fā)現(xiàn)問題及時更換處理;最后,新更換的懸式絕緣子鋼腳應(yīng)開展化學成分及金相組織檢測,以確保鋼腳的質(zhì)量,避免質(zhì)量不合格的懸式絕緣子投入電網(wǎng)使用。