一起架空輸電線路導(dǎo)線斷線故障分析

王 津，王文卓，徐 浩，彭 鵬，張發(fā)剛

(1.國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730070； 2.國網(wǎng)甘肅省電力公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

在架空輸電線路運行過程中，導(dǎo)線斷線情況并不常見，大多由于外力影響造成，如超設(shè)計覆冰、超設(shè)計大風(fēng)、外力碰線、持續(xù)短路電流燒毀等，在外界條件未對線路造成直接影響時，較難判斷線路設(shè)備斷線故障原因。筆者通過一起330 kV架空輸電線路斷線故障的分析，探尋到了判斷導(dǎo)線原生缺陷故障的方法，對以后導(dǎo)線斷線分析有一定指導(dǎo)意義。

1 故障情況

某年12月，某330 kV架空輸電線路故障跳閘，重合不成功，試送不成功。經(jīng)現(xiàn)場故障巡查，發(fā)現(xiàn)該線路51#-52#檔內(nèi)A相導(dǎo)線一子導(dǎo)線斷線，斷線部位為51#耐張塔起第二、三間隔棒之間，靠近第三個間隔棒大約5 m處，2號子線(四分裂導(dǎo)線，左上線)斷線，如圖1、2所示。

圖1 子導(dǎo)線斷線后現(xiàn)場情況

斷線時，線路上有6 mm霧凇，如圖3所示，換算為等值覆冰厚度小于1 mm，導(dǎo)線規(guī)格JL/G1A-300/40(LGJ-300/40)。

圖2 導(dǎo)線斷裂示意圖

圖3 斷線當(dāng)天覆雪情況 圖4 現(xiàn)場調(diào)查覆雪情況

2 故障分析

根據(jù)線路故障時天氣情況以及周邊環(huán)境情況，分析故障原因結(jié)果如下。

2.1 產(chǎn)生斷線的可能因素

(1) 故障時，故障區(qū)段均為輕微覆冰，可以排除覆冰超過設(shè)計覆冰值[1]導(dǎo)致導(dǎo)線拉斷的因素。

(2) 故障時，故障區(qū)段未出現(xiàn)大風(fēng)情況，可以排除超設(shè)計大風(fēng)引起超設(shè)計荷載導(dǎo)致導(dǎo)線拉斷的因素[2]。

(3) 故障時，故障區(qū)段有6 mm霧凇，可忽略不計[3]，排除覆冰舞動導(dǎo)致導(dǎo)線拉斷的因素。

(4) 故障發(fā)生在冬季，不可能出現(xiàn)雷雨天氣，可以排除雷擊導(dǎo)致導(dǎo)線斷線的因素。

(5) 故障區(qū)段處于山脊無人區(qū)，無超高機(jī)械通過的可能，故障區(qū)段周邊未發(fā)現(xiàn)其他飛行器殘骸等異常物品，故障周邊亦未發(fā)現(xiàn)可造成線路短路的異物，可以排除外力破壞導(dǎo)致導(dǎo)線斷線的因素。

綜上所述，線路運行過程中，因外部因素導(dǎo)致導(dǎo)線斷線的情況均已排除。

2.2 力學(xué)計算分析

正常運行時，導(dǎo)線最終彈性模量為70.5 GPa,線膨脹系數(shù)19.4×10-6/℃，額定拉斷力為92.36 kN，最大使用張力為34.408 kN，鋼芯及鋁絞線受力比例60.328%，鋼芯中各鋼線受力比例近似均勻受力，每根鋼絲最大使用力為7 959.9 N，最大許用張力2 949.5 N。

單根鋼絲斷裂后，其余6根鋼線受力增加2.38%、鋼芯出現(xiàn)塑性延伸，內(nèi)層鋁絞線部分出現(xiàn)延伸斷裂情況。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)及設(shè)計手冊公式計算：

① 單根導(dǎo)線最大使用張力[T]：

[T]=0.95Tp/2.55=Tpu/2.55=0.95×92.36/2.55=34.408 kN

② 單根鋼絲最大使用力F0：

1 500×106 Pa=F0/3.14×1.32×10-6

F0=7 959.9 N

③ 鋼芯承受最大使用力F1：

F1=7 959.9×7=55 719.3 N=55.719 kN

④ 鋁線承受最大使用力F2：

F2=92.36-55.719=36.641 kN

⑤ 單股鋁線承受最大使用力F3：

F3=36.641/24=1 526.708 N

⑥ 鋼芯受力占導(dǎo)線額定拉斷力比值：

A=55.719/92.36=60.328%

⑦ 4股嚴(yán)重?fù)p傷鋁線損失強(qiáng)度力為：

1 526.708×4=6 106.832 N

⑧ 鋼芯承受最大使用張力為：

34.408×0.603 28=20 644.8 N

⑨ 單根鋼絲承受最大使用張力為：

20 644.8/7=2 949.25 N

⑩ 鋁線承受最大使用張力為：

34.408-20.644=13 763.3 N

綜合分析：導(dǎo)線斷線時，4股嚴(yán)重?fù)p傷外層鋁絞線損失強(qiáng)度力僅為6 106.832 N，現(xiàn)場未出現(xiàn)可導(dǎo)致導(dǎo)線應(yīng)力大幅增大的情況，因此，單根導(dǎo)線承受張力不超過34 408 N，因鋼芯缺陷的原因，鋼芯鋼絲斷裂1根，導(dǎo)致單根鋼絲所受張力超過單根鋼絲所受的最大張力2 949.5 N，第2根鋼絲瞬間斷裂，因鋼芯拉斷時延伸率2%～4%，鋁股拉斷時延伸率1%～2%，鋁絞線陸續(xù)出現(xiàn)延伸斷裂，因內(nèi)層鋁股同時受到螺旋鋼股和外層鋁股的內(nèi)外擠壓，內(nèi)層鋁股應(yīng)力比外層更大，所以內(nèi)層鋁絞線先斷，之后是外層鋁絞線，當(dāng)鋼芯斷第3根時，瞬間單根導(dǎo)線最大使用張力作用在鋼芯和少部分外層導(dǎo)線上，鋼芯瞬間全部斷裂。

3 試驗檢測

3.1 斷裂部位外觀檢查

斷裂導(dǎo)線規(guī)格為JL/G1A-300/40,其中部為7根鍍鋅鋼線絞制成的鋼芯，兩層布置，中心為1根，第一層 6根，7根鋼芯單絲的斷口均呈現(xiàn)為帶有頸縮的杯錐狀；外部有24根硬鋁線，兩層布置，內(nèi)層為9根，外層為15根，其中外層的13根和內(nèi)層的7根鋁線單絲斷口形貌較為相似，為45°斜切面。在外層和內(nèi)層的鋁線單絲中各有2根斷口為帶有頸縮的正向拉伸斷口。

3.2 鋼芯單絲斷口形貌分析

失效樣品中7根鋼芯單絲斷口均存在明顯的纖維區(qū)、放射區(qū)、剪切唇，斷口呈現(xiàn)杯錐狀形貌，表明導(dǎo)致鋼芯斷裂的主應(yīng)力為正向拉伸應(yīng)力，鋼芯單絲斷口形貌如圖5所示。

圖5 鋼芯單絲斷口示意圖

3.3 鋁線單絲斷口形貌分析

由于絞合后的鋁線單絲與導(dǎo)線軸向帶有一定夾角，且相鄰兩層線之間存在一定的正壓力和摩擦力，影響了每根鋁線單絲的承載力及方向，造成先斷裂的大部分鋁線單絲呈現(xiàn)斜向剪切斷口；鋁線單絲中存在頸縮的斷口屬于正向拉力作用所致，判斷為鋁線中最后拉斷的部分。且部分鋁線表面可見絞制過程中造成的斜向壓痕，如圖6所示。

3.4 鋼線單絲斷口金相分析

截取鋼芯單絲斷口附近部分，沿軸向剖面觀察金相組織，基本組織為鐵素體+珠光體。可以看出，由于材料受到拉伸變形，組織呈纖維狀。斷口附近與距斷口10 mm處金相組織基本一致，并未發(fā)現(xiàn)由于焊接熱循環(huán)引起的金相組織變化跡象，如圖7所示。

圖6 鋁線單絲損傷示意圖

圖7 鋼芯單絲斷口附近及距斷口10 mm處金相照片

3.5 鋼芯單絲斷口掃描電鏡檢查

如圖8所示，在鋼芯單絲中部位于杯錐狀斷口底部的初始斷裂區(qū)呈現(xiàn)韌性斷裂斷口特征，視野內(nèi)可見的韌窩基本為等軸韌窩，是在正應(yīng)力作用下形成的。

圖8 鋼芯單絲斷口掃描電鏡對比照片及能譜面掃照片

從中心向四周，呈現(xiàn)明顯的纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇。所抽查的#7鋼芯單絲原始斷口可見一些孔隙和微裂紋，在孔隙內(nèi)部未觀察到雜質(zhì)。增加抽查對比新導(dǎo)線#3鋼芯單絲斷口微觀形貌與斷線導(dǎo)線#7鋼芯單絲斷裂基本特征大致相同，但微裂紋及凹坑明顯少于斷線導(dǎo)線#7鋼芯單絲。鋼芯單絲斷口端面掃描電鏡能譜分析結(jié)果如圖8所示，可見其內(nèi)部不同區(qū)域鐵和碳元素分布帶有一定的不均勻性，這與材料基本組織為鐵素體和珠光體兩相且存在一定偏析相關(guān)。

3.6 鋼芯單絲力學(xué)性能試驗

對7根鋼芯單絲分別進(jìn)行力學(xué)性能試驗，拉伸試驗指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.7 鋁線單絲力學(xué)性能試驗

對24根鋁線單絲進(jìn)行力學(xué)性能試驗，拉伸試驗符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.8 同型號鋼芯鋁絞線新樣品對比試驗

(1) 鋼芯單絲力學(xué)性能

對7根鋼芯單絲分別進(jìn)行力學(xué)性能試驗，鋼芯單絲1%伸長應(yīng)力、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2) 鋼芯單絲斷口金相分析

金相組織為鐵素體+珠光體組織，由于受到拉伸變形組織呈纖維狀，斷口附近與距斷口10 mm處金相組織基本一致。與斷裂導(dǎo)線鋼芯單絲組織形貌無明顯差異。

(3) 鋼芯單絲斷口掃描電鏡檢查

如圖8所示，對比新導(dǎo)線鋼芯單絲拉伸試樣斷口從中心向四周也呈現(xiàn)出明顯的纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇。初始斷裂區(qū)斷裂面存在大量等軸韌窩，呈現(xiàn)韌性斷裂斷口特征，為正應(yīng)力作用下導(dǎo)致的斷裂。但在斷裂面上，孔隙和微裂紋明顯少于斷裂導(dǎo)線#7鋼芯單絲原始斷口。

3.9 綜合分析

斷裂導(dǎo)線及對比試驗新導(dǎo)線鋼芯及鋁線單絲拉伸試驗結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求，斷裂導(dǎo)線鋼芯單絲斷口附近金相組織與對比新導(dǎo)線試樣基本一致，說明導(dǎo)線本身材質(zhì)及拉伸試驗力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且斷口附近金相組織不存在焊接跡象。

從斷口掃描電鏡微觀圖像看，斷裂導(dǎo)線#7鋼芯單絲斷口初始開裂區(qū)域斷面平整度明顯不及對比新導(dǎo)線#3鋼芯單絲，且斷裂面上的孔隙及微裂紋多于對比新導(dǎo)線鋼芯單絲。說明斷裂導(dǎo)線#7鋼芯單絲的組織均勻度與對比新導(dǎo)線#3鋼芯單絲存在差異。

經(jīng)專家探討分析，此次斷線失效分析試驗檢測項目全面、數(shù)據(jù)詳實、結(jié)論正確，原始性孔隙缺陷是導(dǎo)致本次斷線事故的主要因素，輕微覆冰及微風(fēng)震動是導(dǎo)致本次斷線事故的次要原因，不存在因外部因素導(dǎo)致導(dǎo)線斷線的情況，導(dǎo)線斷線多見于金具壓接等施工工藝不良，在施工過程中過載或運行多年后產(chǎn)生金屬疲勞，進(jìn)而導(dǎo)致斷線。

4 結(jié) 論

(1) 此次斷線可以排除覆冰超過設(shè)計覆冰值[4]、大風(fēng)引起超設(shè)計荷載、覆冰舞動導(dǎo)致導(dǎo)線拉斷[5]、雷擊導(dǎo)致導(dǎo)線斷線、外力破壞導(dǎo)致導(dǎo)線斷線的因素；經(jīng)宏觀檢查、尺寸測量、材質(zhì)分析、力學(xué)性能試驗，除斷裂導(dǎo)線1根鋼線及2根鋁線卷繞試驗結(jié)果不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，其他樣品力學(xué)試驗結(jié)果均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)金相檢驗，斷裂導(dǎo)線和對比導(dǎo)線鋼絲試樣斷口附近金相組織基本一致，可排除鋼芯斷口處存在焊接情況。

(2) 導(dǎo)線斷裂過程是：鋼芯鋼絲斷裂1根，導(dǎo)致單根鋼絲所受張力超過單根鋼絲所受的最大張力2 949.5 N，第2根鋼絲瞬間斷裂，因鋼芯拉斷時延伸率2%～4%，鋁股拉斷時延伸率1%～2%，鋁絞線陸續(xù)出現(xiàn)延伸斷裂，因內(nèi)層鋁股同時受到螺旋鋼股和外層鋁股的內(nèi)外擠壓，內(nèi)層鋁股應(yīng)力比外層更大，所以內(nèi)層鋁絞線先斷，之后是外層鋁絞線，當(dāng)鋼芯斷第3根時，瞬間單根導(dǎo)線最大使用張力作用在鋼芯和少部分外層導(dǎo)線上，鋼芯瞬間全部斷裂。

(3) 斷線鋼芯中自編號為#7的鋼線存在原始性孔隙缺陷，該缺陷屬于制造過程中脫氧等工藝中出現(xiàn)的小概率事件，是導(dǎo)致此次斷線事故的重要因素。輕微覆冰及微風(fēng)震動是導(dǎo)致本次斷線事故的次要原因，不存在因外部因素導(dǎo)致導(dǎo)線斷線的情況。

通過此次分析以及計算、試驗結(jié)果，找到了導(dǎo)線斷線故障原因分析方法，可用于指導(dǎo)輸電線路運行單位針對導(dǎo)線斷線故障，準(zhǔn)確判斷故障原因。