110 kV線路鋼芯鋁絞線斷裂分析

陳家慧，王方強(qiáng)，馮 杰，劉 曦

(國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

鋼芯鋁絞線是高壓輸電線路的重要組成部分，主要用作架空導(dǎo)線進(jìn)行遠(yuǎn)距離、大功率輸電，具有傳輸容量大、線路造價(jià)低、導(dǎo)電性好、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在世界各地的電力輸送系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。因架設(shè)在室外桿塔上，鋼芯鋁絞線通常要經(jīng)受風(fēng)雨、冰雪、雷電等惡劣氣象環(huán)境，易出現(xiàn)微動(dòng)磨損、疲勞斷裂、雷擊斷裂等問題[1-4]；還會受到周邊大氣環(huán)境中水分、工業(yè)污染物和鹽類物質(zhì)等腐蝕介質(zhì)的侵蝕，產(chǎn)生腐蝕失效[5-6]；此外，導(dǎo)線狀態(tài)也受導(dǎo)線力學(xué)性能、架設(shè)工藝等因素的影響[7-8]。實(shí)際運(yùn)行過程中導(dǎo)線所處環(huán)境復(fù)雜，失效事故多為幾種影響因素共同作用的結(jié)果，分析失效原因?qū)υu估在役鋼芯鋁絞線的運(yùn)行狀況有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

某110 kV 線路接地距離I段動(dòng)作跳閘，重合不成功。對此線路進(jìn)行故障巡視發(fā)現(xiàn)37號塔至38號塔C相導(dǎo)線斷線，37號至38號檔距287 m，斷點(diǎn)距離38號塔25 m。所處耐張段類型為耐-直-直-耐，長度為1007 m。導(dǎo)線型號為LGJ-150/25鋼芯鋁絞線，地線型號為GJ-35，于1997年6月投運(yùn)。下面以該起斷裂事故為研究對象，通過運(yùn)行環(huán)境調(diào)查及理化檢測對鋼線鋁絞線斷裂原因進(jìn)行詳細(xì)分析，并提出運(yùn)維防護(hù)建議，對提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定性有重要指導(dǎo)意義。

1 運(yùn)行情況分析

該段線路為跨山架設(shè)，桿塔間高差大，為雷電多發(fā)區(qū)。雷電監(jiān)測信息顯示事故當(dāng)天凌晨兩點(diǎn)左右當(dāng)?shù)貫槔子晏鞖猓摼€路多個(gè)桿塔附近存在落雷現(xiàn)象。其中，1時(shí)52分38號桿附近有2個(gè)落雷，雷電流為-15.2 kA，距離3538 m，雷擊時(shí)間比導(dǎo)線斷裂時(shí)間早17 h。經(jīng)查詢，事故發(fā)生時(shí)線路負(fù)荷為23 MW，電流為108 A，當(dāng)日最大負(fù)荷和電流分別為23.5 MW和110 A。事故發(fā)生前，線路負(fù)荷及電流波動(dòng)較小，基本正常。檢查發(fā)現(xiàn)，事故發(fā)生后該線路地線無損傷，桿塔絕緣子無閃絡(luò)痕跡，運(yùn)行正常。

2 理化檢驗(yàn)

2.1 宏觀分析

導(dǎo)線由26根直徑為2.70 mm的鋁線和中心7根直徑為2.15 mm的鍍鋅鋼線絞制而成，內(nèi)部為兩層鋼線組成的鋼芯，鋁線分兩層纏繞在鋼芯外部，內(nèi)層10根、外層16根。外觀檢查發(fā)現(xiàn)：斷裂處鋁線凌亂地散向四周，鋼芯表面存在大量灰白色粉末，可能是由于部分鋁線先斷裂、導(dǎo)線層間緊密型變差，在潮濕環(huán)境中鋼線表面鍍鋅層氧化造成的[9]；斷口附近鋼芯表面有較深裂紋，由腐蝕或疲勞所致；鋁絞線表面有顯著熔融痕跡，如圖1所示。

圖1 斷裂導(dǎo)線形貌

鋁絞線的斷口形貌分3種，如圖2(a)所示：3根鋁線斷口無明顯變形，有燒蝕痕跡，為高溫快速熔斷；20根鋁線斷口存在明顯頸縮，呈典型杯錐形，屬于拉伸斷裂；3根鋁線斷口顯著收縮，且表面有磨損，由鋁絞線在風(fēng)陣作用下的擠壓摩擦導(dǎo)致。

7根鋼線一側(cè)斷口中有2根較平滑，有熔融特征，其余4根存在明顯頸縮，屬于拉伸斷裂，如圖2(b)所示；另一側(cè)7根斷口均呈拉斷特征，無熔融跡象。

圖2 斷裂導(dǎo)線形貌

2.2 掃描電鏡分析

圖3展示了鋁線表面微觀形貌，磨損區(qū)表面粗糙且有顆粒和片狀剝離，能譜分析顯示該區(qū)域主要成分為Al、O元素，來源于鋁線表面的腐蝕產(chǎn)物Al2O3。

圖3 鋁線表面形貌

對圖1中存在明顯裂紋的鋼芯區(qū)域進(jìn)行顯微觀察，結(jié)果見圖4。該區(qū)域沒有明顯頸縮現(xiàn)象，除了一個(gè)較大的主裂紋，該區(qū)域還存在較多平行于主裂紋的小裂紋，推斷為鋼線在風(fēng)陣或舞動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的疲勞裂紋。

圖4 存在裂紋區(qū)域的鋼芯形貌

2.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

對導(dǎo)線的鋼單線和鋁單線進(jìn)行力學(xué)性能測試，結(jié)果如表1所示。鋼單線的各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合IEC 60888:1987《架空絞線用鍍鋅鋼線》標(biāo)準(zhǔn)要求，其中抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率分別為1497 MPa和4.9%；鋁單線的分別為150 MPa和5.2%，抗拉強(qiáng)度不滿足IEC 60889：1987《架空導(dǎo)線用硬拉鋁線》要求的170 MPa。

表1 導(dǎo)線力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

2.4 材質(zhì)分析

通過手持式X射線熒光光譜儀對外層鋁線、內(nèi)層鋁線及鋼線進(jìn)行材質(zhì)測試，結(jié)果如表2、表3所示。鋁單線中鋁含量偏低且含有大量的Si及部分P和S，主要來源于大氣中的污染物和沙塵。鍍鋅鋼單線表面有少量Al元素，由其與鋁線間的摩擦產(chǎn)生。

表2 鋁單線材質(zhì)分析結(jié)果 單位：%

表3 鋼單線材質(zhì)分折結(jié)果 單位：%

2.5 對比分析

在遠(yuǎn)離斷口區(qū)域取一段導(dǎo)線，與斷口附近導(dǎo)線進(jìn)行對比分析(見圖5)，發(fā)現(xiàn)正常導(dǎo)線內(nèi)部鋼芯呈銀灰色，而斷口附近鋼芯表面存在白色粉末，主要成分是氧化鋅、氫氧化鋅、碳酸鋅等混合物，為鋅在潮濕環(huán)境中的腐蝕產(chǎn)物[10]，表明鋼芯在斷裂前已在潮濕環(huán)境中暴露較長時(shí)間。

圖5 斷口附近導(dǎo)線與正常導(dǎo)線鋼芯表面形貌對比

3 討論與分析

導(dǎo)線中有2根鋼線有熔融痕跡，表明經(jīng)歷過超過碳鋼熔點(diǎn)的高溫；其余斷口有明顯頸縮現(xiàn)象，呈典型拉斷特征。斷口熔融痕跡有可能由高溫熔斷導(dǎo)致，也有可能是斷口落地后對地放電產(chǎn)生。

導(dǎo)線高溫熔斷可能由工頻短路電流或雷擊產(chǎn)生。但工頻短路電流作用時(shí)間長、影響范圍大，不會只對少量單絲有影響，且該線路未發(fā)生短路記錄。雷電產(chǎn)生的高溫，作用范圍小，可使部分單絲瞬間升溫?cái)嗔裑11]。輸電線路架設(shè)在室外，易遭受雷擊而產(chǎn)生停電事故。當(dāng)雷電流較小時(shí)，易引起雷電繞擊相導(dǎo)線，在絕緣子上產(chǎn)生閃絡(luò)痕跡；當(dāng)電流較大時(shí)，雷電一般不會繞擊導(dǎo)線，而是直擊架空地線或桿塔，引起反擊跳閘[12]。事故發(fā)生后該線路桿塔絕緣子無閃絡(luò)痕跡，地線無損傷，排除了雷電繞擊導(dǎo)致斷線的可能性。由于鋼線兩側(cè)斷口特征不一致，一側(cè)均呈明顯頸縮，另一側(cè)部分顯示熔融狀態(tài)；因此推斷鋼線為拉伸斷裂而非高溫熔斷，部分熔融斷口為鋼線斷裂落地后形成短路接地造成。

斷口附近鋼線表面有顯著腐蝕痕跡，表明部分外層鋁線先發(fā)生斷裂使絞線層間緊密度減小，加速了鋼線的氧化腐蝕。力學(xué)性能測試結(jié)果顯示鋁單線抗拉強(qiáng)度偏低，鋁線的擠壓變形磨損會使其承載力進(jìn)一步降低。鋁線在大風(fēng)等外界條件下易形成應(yīng)力集中，出現(xiàn)拉伸斷裂情況。隨斷線股數(shù)量的增加，導(dǎo)線有效受力面積及有效載流截面均減小，導(dǎo)致單線承受的應(yīng)力增大且斷股處發(fā)熱情況加劇，剩余鋁線和鋼線的抗拉強(qiáng)度急劇減小到某一程度后被瞬間拉斷。此外，鋼線表面嚴(yán)重腐蝕或出現(xiàn)微裂紋會顯著降低其抗拉強(qiáng)度，促進(jìn)導(dǎo)線的斷裂失效。結(jié)合上述分析基本可判斷該起事故主要是由鋁線抗拉強(qiáng)度偏低及層間擠壓磨損造成。

4 結(jié) 論

故障導(dǎo)線中鋁線力學(xué)性能較差，表面磨損使其承載力進(jìn)一步降低，部分鋁線在大風(fēng)等特殊氣象條件下逐漸被拉斷。斷股處導(dǎo)線發(fā)熱加劇，鋼線腐蝕及疲勞惡化，剩余鋼線和鋁絞線強(qiáng)度逐漸減小，在不足以承受導(dǎo)線張力時(shí)發(fā)生斷裂。

為避免導(dǎo)線斷裂事件的再次發(fā)生，建議下一步開展以下工作：

1)通過仿真計(jì)算評估同批次導(dǎo)線運(yùn)行安全可靠性，若不能滿足運(yùn)行要求需進(jìn)行全部更換；

2)加強(qiáng)同批次導(dǎo)線斷股情況巡視，防止斷線事故再次發(fā)生；

3)嚴(yán)格把控新建、改造及擴(kuò)建輸電工程中的新入網(wǎng)導(dǎo)線質(zhì)量，確保其安全服役。