輸電導(dǎo)線破損特征及誘發(fā)因素

溫晨飛，周 超，李 林，趙澤中

（華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100096）

0 引言

輸電線路是電力傳輸?shù)闹匾M成部分，其安穩(wěn)運行是電力工業(yè)發(fā)展的前提和基礎(chǔ)。近年來，受到極端天氣的影響，如臺風(fēng)、冬雨和雷暴等天氣，導(dǎo)致輸電線路導(dǎo)線破損事件頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響線路的運行與維護(hù)工作。

在輸電線路故障中，由導(dǎo)線破損造成的股線斷裂危害最為典型。例如：500 kV湖南船星Ⅰ線在巡檢時發(fā)現(xiàn)，其中一根子導(dǎo)線在懸垂線夾出口處鋁股線全部斷裂；500 kV荊門—宜興線巡檢時發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)線在懸垂線夾處發(fā)生嚴(yán)重破損；500 kV梧州某線在巡檢時發(fā)現(xiàn)，其中一根子導(dǎo)線在線夾處全部斷裂；四川某220 kV線路在檢查時發(fā)現(xiàn)，其中一根子導(dǎo)線在線夾處全部斷裂[1-4]，導(dǎo)線的斷裂給人們造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，帶來了嚴(yán)重危害。

正是因為導(dǎo)線長期在野外工作，由于氣候環(huán)境的差異性，導(dǎo)線會受到受極端天氣的影響，例如臺風(fēng)、冬雨和雷暴等天氣。針對導(dǎo)線破損的不同因素，國內(nèi)外專家學(xué)者，針對于輸電線路在不同工況下，不同金具處，進(jìn)行了非常多的研究。但導(dǎo)線的破損模式進(jìn)行識別和分析是一個復(fù)雜的工程問題，如有沖擊載荷造成的導(dǎo)線機(jī)械損傷；長期振動造成的疲勞損傷；安裝過程造成的損傷和運行過程的腐蝕破壞等。往往針對某一處破損導(dǎo)線的研究，都要重新經(jīng)過復(fù)雜的實驗驗證與理論分析，無法有效迅速的給出導(dǎo)線斷裂誘因的判斷。

因此，對導(dǎo)線破損事故進(jìn)行更準(zhǔn)確的破損誘因的判斷以及對線路運行安全維護(hù)給出更合理的預(yù)測，本文將根據(jù)導(dǎo)線破損報告，對導(dǎo)線破損模式與破損特征進(jìn)行系統(tǒng)的分類，并依據(jù)國內(nèi)外學(xué)者的導(dǎo)線破損機(jī)理分析，得出導(dǎo)線破損模式相應(yīng)的破損機(jī)理。

1 微動損傷的破損特征與破損誘因

1.1 微動損傷的破損特征

微動損傷中的微動是指在接觸構(gòu)件之間的接觸表面上位移幅值很小的（微米量級的）、反復(fù)的相對滑動。當(dāng)這種出相運動對構(gòu)件表面造成機(jī)械損傷時，稱這種機(jī)械損傷為微動損傷。根據(jù)微動損傷的不同特征，可將為微動損傷分為微動磨損，微動疲勞，微動腐蝕3種[5]。

懸垂線夾附近是導(dǎo)線出現(xiàn)微動損傷的多發(fā)部位，且股線的磨損現(xiàn)象嚴(yán)重，因此以懸垂線夾附近的導(dǎo)線為對象，例舉說明微動磨損破損特征。

1.1.1 微動磨損

根據(jù)國網(wǎng)安徽電力公司項目中王熙所做的導(dǎo)線疲勞實驗數(shù)據(jù)[6]，導(dǎo)線之間存在著不同的磨損斑貌（圖1）。由于懸垂線夾對導(dǎo)線的固定作用，使得靠近線夾不同位置處，導(dǎo)線的力學(xué)特性是不同，導(dǎo)致接觸面磨損的形貌特征也各不相同，根據(jù)磨損形貌特征將磨損區(qū)分成微動粘著區(qū)、微動滑移區(qū)和微動混合區(qū)3種。

圖1 股間磨損形貌圖[6]

（1）微動粘著區(qū)一般位于線夾壓板下方的股線，導(dǎo)線受到壓板與線夾的作用，受到很大的擠壓力，導(dǎo)線接觸表面發(fā)生塑性變形，出現(xiàn)明顯的壓痕。該區(qū)域內(nèi)不存在磨損或磨損較輕，股線的表面無明顯裂紋，只存在少量微裂紋。

（2）微動混合區(qū)在導(dǎo)線和線夾最后接觸點位置到壓板之間，導(dǎo)線表面存在明顯的壓痕。股線的表面存在微動磨損痕跡，并含有大量深度和長度都比較大的裂紋。

（3）微動滑移區(qū)在導(dǎo)線與線夾接觸點以外的區(qū)域，導(dǎo)線受到較小的徑向擠壓，無明顯的塑性變形。導(dǎo)線表面存在明顯的微動磨損痕跡，有塊狀物體剝落，且有大量微裂紋產(chǎn)生[5]。

1.1.2 微動疲勞

導(dǎo)線的微動疲勞是疲勞與股線微動磨損共同作用的一個過程，股線的微動磨損誘發(fā)了股線表面產(chǎn)生大量的微裂紋，微動疲勞使得股線表面的微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致股線斷裂。

根據(jù)Azevedo等人所做架空導(dǎo)線疲勞試驗[7]，得到的股線疲勞斷口形貌示意圖如圖2所示。斷口形貌可分為3類，分別是平面斷口、V形斷口和45°斜斷口。當(dāng)導(dǎo)線受到的振幅小于0.9 mm時，股線主要受軸向張力影響，受剪切應(yīng)力作用相對較小，股線疲勞裂紋的擴(kuò)展方向與股線的軸向垂直,在交變應(yīng)力的作用下發(fā)生脆性斷裂，從而形成平面斷口；當(dāng)導(dǎo)線的振幅超過1.3 mm時，股線受到剪切應(yīng)力影響較大，裂紋沿著與應(yīng)力軸成45°角的方向延伸，形成45°斜斷口。股線在受到張拉載荷時，由于表層金屬比心部金屬變形大，從而導(dǎo)致股線在軸心方向上的表層金屬產(chǎn)生附加壓應(yīng)力，在心部形成附加拉應(yīng)力，而當(dāng)附加拉應(yīng)力較大時，使得變形區(qū)內(nèi)中心區(qū)域的平均正應(yīng)力變?yōu)槔鞈?yīng)力，使得中心產(chǎn)生裂紋。又因為在軸向上心部比外層的金屬流動速度快，所以裂紋成V形，最終形成V形斷口[8]。

圖2 股線疲勞斷口形貌[9]

1.1.3 微動腐蝕

微動腐蝕是指導(dǎo)線在大氣中受水分、化學(xué)氣體和鹽類物質(zhì)等侵蝕性介質(zhì)的影響下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致股線的表面脆化，股線的外表面存在明顯的腐蝕痕跡（圖3）。當(dāng)其表面的脆化層脫落時，腐蝕碎屑會夾存于線股之間，加劇導(dǎo)線之間的微動磨損，使其抗拉強(qiáng)度大幅度降低，造成股線斷裂，嚴(yán)重縮短了股線的使用壽命。

圖3 股線外表面腐蝕示意[7]

1.2 微動損傷的破損誘因

1.2.1 導(dǎo)線振動實驗

針對KE（導(dǎo)線上部與線夾最后接觸點位置）和LPC（距線夾出口89 mm處）之間的導(dǎo)線建立如圖4所示的實驗平臺，拆除被測股線兩側(cè)的鋁股，在被測股線的上端和左右兩端布置應(yīng)變片，監(jiān)測導(dǎo)線在不同振幅、不同軸向張力下，被測股線的應(yīng)力變化。研究結(jié)果表明，當(dāng)導(dǎo)線受靜載荷或動載荷時，股線所受的應(yīng)力隨軸向張力和振幅的增大而增大，在KE和LPC之間的股線應(yīng)力先減小后增大，在約束端導(dǎo)線所受的應(yīng)力最大。

圖4 試驗平臺總體結(jié)構(gòu)布置示意

導(dǎo)線的振幅不僅影響導(dǎo)線危險截面的位置，而且對股線疲勞斷口的形貌特征也有一定作用。對股線斷口形貌進(jìn)行研究，結(jié)果表明：導(dǎo)線的振幅小于0.9 mm時，由于股線的振幅較小，股線受到的剪切力相對較小，股線裂紋的擴(kuò)展方向與導(dǎo)線軸向垂直，為平面斷口，平面斷口主要出現(xiàn)在外層股線；導(dǎo)線的振幅大于1.3 mm時，在剪切力的作用下股線疲勞裂紋擴(kuò)展的方向與股線的軸向方向呈一定角度，股線的斷口主要為V形斷口和45°斜斷口。

經(jīng)過試驗表明，導(dǎo)線的振幅和軸向張力對導(dǎo)線應(yīng)力的影響較大，導(dǎo)線的振幅和軸向張力越大，導(dǎo)線所受的應(yīng)力越大；越靠近導(dǎo)線的約束端，導(dǎo)線所受的應(yīng)力越大，在線夾附近出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，KE和LPC之間的導(dǎo)線應(yīng)力隨位置的變化較為明顯，處于導(dǎo)線的微動混合區(qū)，最易誘發(fā)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。并且有大量的實驗表明，股線的斷裂位置位于KE和LPC之間[10]。

1.2.2 有限元分析

馬行馳以ACSR—720/50型架空輸電線為研究對象，運用ANASYS軟件構(gòu)建架空導(dǎo)線的幾何模型對有限元模型進(jìn)行適當(dāng)處理，確立了模型求解的邊界條件，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值模擬[11]。黃欲成以大跨越導(dǎo)線為例，考慮到股線泊松比的影響，提出大跨越股線軸向張力計算方法，通過耦合同層和相鄰層節(jié)點模擬各層股線之間的接觸邊界條件，重點研究張力作用下導(dǎo)線鋼芯和鋁股的空間應(yīng)力分布規(guī)律[12]。趙新澤建立了通用的絞制線鄰層線股間的微動接觸模型，分析接觸壓力、軸端拉力、摩擦系數(shù)等微動參數(shù)對接觸區(qū)應(yīng)力分布的影響[13]。秦力建立了導(dǎo)線的實體模型，模擬分析了導(dǎo)線在實際運行過程中受到拉力、剪力和彎矩以及線夾擠壓力時外層股線與線夾接觸部位的應(yīng)力分布情況[14]。趙美云以LGJ系列鋼芯鋁絞線為主，考慮到導(dǎo)線在野外長期受到微風(fēng)振動的作用，易引起導(dǎo)線的疲勞斷股和磨損，建立了導(dǎo)線接觸有限元模型，進(jìn)行導(dǎo)線在不同靜張力下和微風(fēng)振動條件下的動態(tài)力學(xué)分析[15]。Sebastien Lalonde和Raynald Guilbault提出了一種中間有限元建模方法，結(jié)合梁接觸算法模擬了股線之間的接觸，分析導(dǎo)線的彎曲載荷、軸向張力和摩擦因數(shù)[16]。

仿真結(jié)果表明，導(dǎo)線在軸向張力的作用下，鋼芯承受了約60%的張力，鋁股共同承擔(dān)了40%的張力；鋁股的等效應(yīng)力和切應(yīng)力由外層向內(nèi)層逐漸增大，越靠近懸掛點股線所受邊界約束的影響越大，股線受到的應(yīng)力越大；相鄰股線的軸向應(yīng)力峰值呈現(xiàn)相位差，股線截面的最大應(yīng)力值位于鄰層股線的接觸位置；線股間的接觸區(qū)域呈橢圓狀，當(dāng)載荷較小時接觸區(qū)主要發(fā)生彈性變形，綜合應(yīng)力及法向接觸應(yīng)力從中間向邊緣遞減，隨著載荷的增加，接觸區(qū)域由彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?，接觸區(qū)邊緣出現(xiàn)比中心帶更大的應(yīng)力集中；而滑移區(qū)主要分布在接觸應(yīng)力較小的接觸區(qū)域，表層組織呈片狀滑移、剝落[11-15]。

2 過載斷裂破損特征與破損誘因

2.1 過載斷裂的破損特征

過載斷裂是指當(dāng)導(dǎo)線受到過高的軸向張力，股線發(fā)生塑性變形，橫截面減小應(yīng)力增大，最終發(fā)生脆性斷裂[17]。該破損模式一般發(fā)生在耐張線夾處，且當(dāng)導(dǎo)線處于覆冰與積雪狀態(tài)下時，因耐張線夾收到的機(jī)械荷重增加，最終導(dǎo)線與金具之間連接部位發(fā)生失效斷裂[18]。

通過對比胡加瑞、周立波、李陽林[18-20]等人對實際耐張線夾破損的分析報告，得出導(dǎo)線過載斷裂破損特征（圖5）。

圖5 過載斷裂斷口形貌特征[16，19]

（1）股線頸縮斷口的宏觀形貌是完整的杯狀應(yīng)力錐，在應(yīng)力錐的邊緣位置出現(xiàn)缺口，缺口指向股線表面的壓痕部位，股線發(fā)生過載斷裂取決于導(dǎo)線的軸向張力。當(dāng)股線的軸向張力過大，股線發(fā)生塑性變形，橫截面減小、應(yīng)力增大，最終發(fā)生脆性斷裂。

（2）當(dāng)過載斷裂發(fā)生在耐張線夾內(nèi)時，斷口出現(xiàn)韌窩狀特征，無疲勞條紋并可以看到冰糖狀斷口。該破損模式的產(chǎn)生的原因是其壓接位置存在明顯偏差，如鋼錨凹槽存在欠壓，線股與耐張線夾之間連接不能承受，覆冰狀態(tài)下需要提供的張力，導(dǎo)致耐張線夾的提前斷裂。

2.2 過載斷裂的破損誘因

根據(jù)應(yīng)偉國[21]對金華某新建220 kV線路中不同壓接尺寸耐張管壓接進(jìn)行的復(fù)制對比實驗，可得耐張線夾與導(dǎo)線連接處出現(xiàn)破損斷裂時，是由于安裝不符合標(biāo)準(zhǔn)、使得耐張線夾握力不足，導(dǎo)致部分金屬材料代替提供握力，最終連接處出現(xiàn)破損，當(dāng)發(fā)生過壓時就會對線夾產(chǎn)生剪切損傷。而經(jīng)過長期的運行、導(dǎo)線常年振動，以及導(dǎo)線絞制形成的交變力和微風(fēng)震動波傳遞至耐張鋁管剪切損傷處時，將會加深損傷處的裂紋擴(kuò)展，最終導(dǎo)致線夾與導(dǎo)線連接處斷裂。

3 腐蝕斷裂破損特征與破損誘因

3.1 腐蝕斷裂的破損特征

化學(xué)腐蝕造成的導(dǎo)線斷股多發(fā)生在耐張線夾處。因為耐張線夾作為輸電導(dǎo)線與的連接部位，在其安裝過程中，如果發(fā)生欠壓情況，耐張線夾會因為鋼芯—鋼錨、鋁股—鋁管連接處存在空隙，導(dǎo)致腐蝕性液體進(jìn)入線夾內(nèi)部，進(jìn)而導(dǎo)致鋼錨、導(dǎo)線發(fā)生腐蝕，而導(dǎo)致線夾處溫度升高，連續(xù)溫度波動最終導(dǎo)致線股疲勞。按照北京市電力公司的檢修記錄，某年度6條線路的耐張線夾均存在過熱問題（溫度為52～307℃），而次年16條線路的耐張線夾也出現(xiàn)發(fā)熱問題，溫度為43～150℃[22]。

山東電網(wǎng)某220 kV線路耐張線夾實際發(fā)生斷裂案例，該斷口處能夠看到鋼芯絲表面氧化嚴(yán)重，在鋁管壓接處的鋁導(dǎo)線表面、鋁管與內(nèi)部導(dǎo)線之間存在黑色的氧化腐蝕產(chǎn)物（圖6）：鋼錨口處斷口，呈現(xiàn)頸縮斷口特征；位于鋼錨內(nèi)的斷口，斷口較齊平。剩余鋼芯延伸到鋁絞線中的部分沒有發(fā)生明顯氧化，說明殘留的鋼芯絲在斷裂時發(fā)生過瞬時高溫的情況。在顯微鏡下觀察試樣的微觀組織，其纖維組織特征基本消失（圖7）。以上特征說明在斷裂是在導(dǎo)線處于高溫條件下發(fā)生的，失效鋁線、鋼芯縱向金相組織纖維特征退化，鋼芯最大頸縮附近纖維特征消失，已發(fā)生再結(jié)晶。

圖6 斷裂的鋼芯絲[23]

圖7 失效鋼芯金相組織圖[23]

3.2 腐蝕斷裂的破損誘因

通過姚貴嬌、袁震、呂占杰等人[23-29]對多起實際運行線路中的股線斷裂分析報告，總結(jié)得出耐張線夾處線股發(fā)生腐蝕斷裂的主要原因，是由于鋁管與導(dǎo)線之間形成的氧化腐蝕產(chǎn)物，增大了接觸電阻，從而使得耐張線夾發(fā)熱。導(dǎo)線長時間處于環(huán)境波動的溫度下，所行成的交變應(yīng)力使鋼芯絲表面萌生疲勞裂紋并逐漸擴(kuò)展，當(dāng)鋼芯的剩余截面不足以承受張力和發(fā)熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力時則發(fā)生瞬間斷裂。

根據(jù)山東電科院邵明星[26]對某220 kV線路耐張線夾破損斷裂進(jìn)行的有限元仿真分析，可知應(yīng)力集中位置為鋼錨與鋼芯連接處且鋼錨和鋼芯絲受拉應(yīng)力，鋁管中鋁股未壓接的部分受壓應(yīng)力。當(dāng)溫度繼續(xù)升高時，作用于鋼芯絲的應(yīng)力快速上升，鋼錨口附近的鋼芯絲為應(yīng)力集中部位。當(dāng)溫升較大時，由于鋁管與鋼錨、鋼芯絲的熱膨脹系數(shù)不同，產(chǎn)生的應(yīng)力遠(yuǎn)大于鋼芯鋁絞線張力在該部位的應(yīng)力。對比腐蝕斷裂的破損特征，外層鋁導(dǎo)表面氧化腐蝕產(chǎn)物造成耐張線夾發(fā)熱，鋼錨口附近鋼芯絲的應(yīng)力對溫度變化較敏感，在環(huán)境溫度頻繁波動下應(yīng)力集中部位產(chǎn)生疲勞應(yīng)力，當(dāng)超過疲勞極限時則萌生疲勞裂紋、導(dǎo)致導(dǎo)線斷裂。

4 總結(jié)

為準(zhǔn)確判斷破損誘因，本文根據(jù)眾多運行線路中導(dǎo)線破損報告總結(jié)歸納出導(dǎo)線破損模式及破損誘因：

（1）微動損傷造成的導(dǎo)線破損通常發(fā)生懸垂線夾的出口處。微動損傷是由于微動疲勞與股線微動磨損共同作用的一個過程，股線的微動磨損誘發(fā)了股線表面產(chǎn)生大量的微裂紋，微動疲勞使得股線表面的微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致股線斷裂。因為導(dǎo)線受力不同導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展方向不同，最終導(dǎo)致在破損導(dǎo)線表面上可以觀察到3種不同的形貌特征，分別是平面斷口、V形斷口和45°斜斷口。

（2）過載斷裂造成的導(dǎo)線破損通常發(fā)生在耐張線夾處：當(dāng)破損處為鋼股時，在斷口處可觀察到頸縮斷口；當(dāng)破損處為導(dǎo)線與金具連接部位時，可觀察到鋼錨處冰糖型脆性斷口。通過實驗驗證，當(dāng)導(dǎo)線與金具連接處因安裝施工造成連接處損傷或壓接未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，該狀態(tài)下導(dǎo)線出現(xiàn)覆冰與積雪，耐張線夾與導(dǎo)線連接處所承受軸向張力增加，最終導(dǎo)線與金具之間連接部位不能提供額外張力、發(fā)生失效斷裂。

（3）腐蝕斷裂造成的導(dǎo)線破損一般發(fā)生在耐張線夾處。導(dǎo)線斷口多數(shù)情況下位于鋼錨口附近，斷面具有頸縮特征，斷口周圍可以看到發(fā)生瞬時高溫的痕跡且斷口附近殘留大量氧化物質(zhì)。經(jīng)過實驗驗證與有限元分析得出，由于鋁管與導(dǎo)線之間存在氧化產(chǎn)物導(dǎo)線發(fā)生腐蝕斷裂時耐張線夾發(fā)熱。當(dāng)導(dǎo)線長時間處于波動溫度下，產(chǎn)生的交變應(yīng)力將使鋼芯絲表面萌生疲勞裂紋并逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)線因剩余截面不足以承受張力而發(fā)生斷裂。