220 kV變電站斷裂導(dǎo)線的材料特征分析

譚曉蒙，田 峰，喬 欣，樊平成，陳 浩

（內(nèi)蒙古電力（集團）有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司，呼和浩特 010020）

0 引言

某220 kV 變電站正常運行時由于異物搭掛發(fā)生35 kV 母線短路，導(dǎo)致某電容器L2相跨線斷線跌落，致使事故擴大，造成設(shè)備、線夾及導(dǎo)線受損，嚴重影響到變電站的安全穩(wěn)定運行。本文基于斷線的L2相跨線的材料性能，分析斷線原因以及受損導(dǎo)線的性能變化，為事故原因分析以及導(dǎo)線更換提供技術(shù)支持，并為今后相關(guān)技術(shù)人員的運行及維護工作提供技術(shù)參考。

1 斷裂導(dǎo)線試驗分析

1.1 斷裂線導(dǎo)線簡介

發(fā)生斷線的電容器L2 相跨線為JLG1A 型鋼芯鋁絞線（如圖1所示），鋁絞線由26根鋁單線絞制而成，每根鋁單線線徑為2.38 mm；鋼芯為鍍鋅鋼絞線，由7根線徑為1.85 mm的鍍鋅鋼線絞制而成。

圖1 斷線鋼芯鋁絞線結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of broken ACSR

1.2 宏觀形貌分析

對電容器L2相斷裂導(dǎo)線進行宏觀形貌觀察（如圖2 所示），可見導(dǎo)線整體呈銀灰色，為導(dǎo)線表面的氧化鋁薄膜，導(dǎo)線熔斷于與線夾接頭處，熔斷處明顯可見呈凹坑狀與尖狀的短路熔痕，凹痕內(nèi)表面有光澤但不平滑，為典型一次短路熔痕形貌[1-4]。導(dǎo)線有多處斷股，斷股處鋁單線可見亮銀色熔痕，在導(dǎo)線其他部位也可見大量亮銀色熔痕。

圖2 斷線L2相跨線宏觀形貌Fig.2 Macro-morphology of L2 phase in broken conductor

1.3 化學(xué)成分分析

斷裂導(dǎo)線為鋼芯鋁絞線，使用XL3t-980型手持式直讀光譜儀對其進行化學(xué)成分檢測，結(jié)果見表1?？梢钥闯觯饕獧z出元素為Al、Fe、Zn，F(xiàn)e 與Zn元素應(yīng)為鋁導(dǎo)線與鋼芯接觸所得，鋁絞線材料化學(xué)成分未見明顯異常。

表1 斷線導(dǎo)線主要元素質(zhì)量分數(shù)Tab.1 Mass fraction of main elements of broken conductor%

1.4 顯微形貌分析

截取熔斷接頭處鋼線與遠離熔斷接頭處鋼線，經(jīng)鑲嵌磨拋后使用Axio Observer A1M 型研究級倒置式金相顯微鏡進行顯微組織分析，結(jié)果如圖3 所示。由圖3 可以看出，遠離熔斷接頭處位置的鋼線組織為大變形量塑性形變產(chǎn)生的纖維組織，未發(fā)現(xiàn)明顯異常；而熔斷接頭處的鋼線組織為等軸狀的鐵素體+珠光體，珠光體主要沿鋼線軸向分布在晶界上（圖3b），與正常纖維組織中的方向一致，鋼線的鍍鋅層為枝晶狀鑄態(tài)組織（圖3c）。這表明，熔斷接頭處鋼線發(fā)生了不完全的回復(fù)再結(jié)晶，使得顯微組織由具有方向性的纖維組織變?yōu)榈容S狀組織，但再結(jié)晶未完成，仍殘留部分方向性組織形貌，而鋼線鍍鋅層受熱熔化后又凝固結(jié)晶使得鋅層呈現(xiàn)出枝晶狀形貌[5]。

圖3 斷線跨線鋼線不同部位顯微組織Fig.3 Microstructure of different parts in broken steel conductor

1.5 剩磁數(shù)據(jù)分析

使用WT103 型手持式特斯拉計對斷裂導(dǎo)線內(nèi)部的鍍鋅鋼絞線不同部位進行剩磁數(shù)據(jù)測量，結(jié)果如表2 所示。依據(jù)GB/T 16840.2—2021《電氣火災(zāi)痕跡物證鑒定方法第1部分：宏觀法》對短路的剩磁數(shù)據(jù)判據(jù)的規(guī)定：低于0.5 mT 時不作為短路判據(jù)，高于0.5 mT且低于1.0 mT時可作為發(fā)生短路參考，高于1.0 mT時可作為短路判據(jù)[2]。如表2所示，熔斷接頭處鋼線的剩磁數(shù)據(jù)為3.1 mT，為檢測值最高處，可作為短路發(fā)生判據(jù)，而遠離熔斷接頭處鋼線剩磁數(shù)據(jù)為0.8 mT，也可作為短路發(fā)生的參考判據(jù)[6]，表明斷裂導(dǎo)線發(fā)生過短路。

表2 斷線導(dǎo)線剩磁數(shù)據(jù)Tab.2 Remanence data of broken conductor mT

1.6 力學(xué)性能分析

斷裂導(dǎo)線為鋼芯鋁絞線，從導(dǎo)線中間部位截取鋁單線和鋼單線進行力學(xué)性能檢測，結(jié)果如表3 所示?？梢钥闯?，鋁單線的抗拉強度為158 MPa，低于GB/T 17048—2017《架空絞線用硬鋁線》中對L型硬鋁線的技術(shù)要求[7]；而鋼單線抗拉強度為748 MPa，遠低于GB/T 3428—2012《架空絞線用鍍鋅鋼線》中對G1A型鋼線的技術(shù)要求[8]。

表3 斷裂導(dǎo)線力學(xué)性能檢測結(jié)果Tab.3 Testing results of mechanical properties of broken conductor MPa

1.7 電阻率分析

從斷線導(dǎo)線的鋁絞線中截取鋁單線，并進行手工校直，采用QJ36B-2 型數(shù)字式直流電橋測量其直流電阻率直流電阻率為0.277 61 Ω·mm2/m，滿足GB/T 17048—2017 中對L 形硬鋁線的技術(shù)要求（≤0.028 264 Ω·mm2/m）[3]。

2 斷線原因及材料性能分析

發(fā)生短路的導(dǎo)線由于受到短路電弧高溫熔化，在短路導(dǎo)線上產(chǎn)生殘留熔痕，而這些熔痕的宏觀形貌及其微觀材料特征均能反映出短路發(fā)生時的環(huán)境、溫度等特征[9-12]。本次斷裂的L2 相跨線與線夾連接處熔痕為典型一次短路熔痕；金相分析結(jié)果顯示熔斷處鋼線發(fā)生了不完全的回復(fù)再結(jié)晶，組織轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S狀鐵素體+珠光體，這表明在短路時鋼芯絞線的溫度在AC1～AC3，一般鍍鋅鋼線材質(zhì)的AC1溫度為740 ℃，AC3 溫度為850 ℃，也就是說短路時在導(dǎo)線與線夾連接處溫度在740～850 ℃，高于鋁導(dǎo)線的熔點（660 ℃），造成了鋁導(dǎo)線的熔斷[13]。短路時導(dǎo)線的大電流會在導(dǎo)線周邊空間形成磁場，處于磁場內(nèi)的鋼芯絞線受到強磁化作用，殘留較大的磁感應(yīng)強度，而斷線跨線鋼芯的殘留磁感應(yīng)強度較大（3.1 mT、0.8 mT），說明導(dǎo)線斷裂之前承受了較高的短路電流[6]。瞬時較高的短路電流使得鋁線和鋼線整體溫度升高，發(fā)生回復(fù)，致使鋁線和鋼線冷變形產(chǎn)生的空位及位錯塞積密度降低，變形儲能得到釋放[14-19]，宏觀上表現(xiàn)為鋁線及鋼線的軸向力學(xué)性能降低，兩者的軸向抗拉強度均遠低于標(biāo)準(zhǔn)要求；但由于溫升持續(xù)時間較短，組織未發(fā)生明顯變化，其電阻率未發(fā)生變化，仍符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié)論及建議

L2 相跨線的斷線形式為一次短路造成的導(dǎo)線高溫熔斷。短路使得導(dǎo)線中電流急劇升高，電流過載發(fā)熱使得跨線與線夾連接處鋁絞線受熱融化發(fā)生斷線，鋼芯受熱導(dǎo)致其強度降低，最終無法支撐導(dǎo)線拉力發(fā)生斷線。發(fā)生短路的導(dǎo)線電阻率未發(fā)生明顯變化，仍符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但其抗拉強度大幅降低，已不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，建議及時更換；其他有瞬時短路電流經(jīng)過的導(dǎo)線也應(yīng)及時更換，防止因力學(xué)性能不足引發(fā)的斷線事故。