架空輸電線路耐張線夾銹蝕及改造研究

姚貴嬌 陳作新 陸桂來 李成濤

架空輸電線路耐張線夾銹蝕及改造研究

姚貴嬌 陳作新 陸桂來 李成濤

（南京電力金具設計研究院有限公司，南京 211599）

架空輸電線路中導線大多裸露在大氣中，部分架空線路中耐張線夾上揚，含有腐蝕性元素的雨水介質(zhì)會通過導線線股間的縫隙進入耐張線夾鋁管空腔部位，耐張線夾鋼錨端鋁管壓接緊密，腐蝕性介質(zhì)很難排出，長期積聚在中空的鋁管內(nèi)部形成腐蝕環(huán)境，耐張線夾鋁管空腔鋼錨和鋼芯銹蝕會導致斷線事故。新設計雙注脂孔式耐張線夾，鋁管空腔部位設計注脂孔和排氣孔，易于注脂操作，更易于油脂注滿，耐張線夾引流板設計為雙板式，可增大線夾過電流面積、減小電阻，電氣性能優(yōu)于單板接觸式，新設計雙注脂孔式耐張線夾在性能上更加安全、穩(wěn)定、可靠。

鋼芯銹蝕；斷線；雙注脂孔；有限元分析；雙板開叉式

0 引言

目前，電力傳輸多以架空線路為主，我國的架空輸電導線主要采用JL/G1A系列鋼芯鋁絞線。近年來，架空輸電線路中多次出現(xiàn)耐張線夾[1]鋁管空腔鋼錨和鋼芯銹蝕導致的斷線事故，部分事故表現(xiàn)為導線鋼芯銹蝕斷裂導致導線從耐張線夾處脫落掉線，如圖1、圖2所示；部分事故表現(xiàn)為在X光探測中發(fā)現(xiàn)耐張線夾鋁管壓接區(qū)域鋼芯斷裂，如圖3所示；部分事故表現(xiàn)為耐張線夾鋁管不壓區(qū)域進水后結(jié)冰鼓脹開裂等情況[2]，如圖4所示。

圖1 鋼芯銹蝕斷裂、鋁管脫落

圖2 鋼芯銹蝕斷裂、鋁管斷裂

圖3 鋼錨銹蝕、鋁管發(fā)熱

圖4 耐張線夾鼓脹開裂

1 耐張線夾銹蝕原因

目前在運的架空輸電線路導線大多裸露在大氣中，輸電線路長，許多處于地形復雜處且工作在惡劣的大自然環(huán)境和各種小氣候環(huán)境中。隨著全球變暖，自然災害越來越頻繁，雨天較多，有些為酸雨，且沿海地區(qū)空氣中含有鹽分，有些特殊線路長期經(jīng)受山間雨霧和陰濕天氣影響。對發(fā)生故障的耐張線夾內(nèi)部銹蝕鋼芯表面進行能譜分析，發(fā)現(xiàn)主要為O、Fe、Zn、Al元素，還出現(xiàn)了S、Cl、P等元素，證明腐蝕性產(chǎn)物存在。部分架空線路中耐張線夾上揚，含有腐蝕性元素的雨水介質(zhì)會通過導線線股間的縫隙進入耐張線夾鋁管空腔部位，耐張線夾鋼錨端鋁管壓接緊密，腐蝕性介質(zhì)很難排出，長期積聚在中空的鋁管內(nèi)部形成腐蝕環(huán)境，腐蝕性介質(zhì)會和鋁管空腔部位鋼錨和鋼芯發(fā)生化學反應或電化學反應。鋼絲的裸露表面大都以均勻腐蝕為主，其中部分鋼絲在表面腐蝕到一定程度時，在張應力作用下首先產(chǎn)生拉伸斷裂，部分鋼絲則較晚發(fā)生斷裂[3]。鋁管內(nèi)所有鋼制件表面的嚴重腐蝕特征及斷裂鋼絲的斷口表明，鋼芯鋼絲的先后斷裂過程持續(xù)了較長時間。鋼芯線斷裂導致外包鋁管在較短時間內(nèi)發(fā)生超載滑脫。

對發(fā)生故障的導線及耐張線夾進行金相組織分析發(fā)現(xiàn)，鋼芯斷裂部位鐵素體明顯增大增粗，表明該部位曾受到較長時間加熱（溫度低于540℃）[4]，導致鐵素體生長，鐵素體的增多會導致材料屈服強度降低。鋼絲外壁鍍鋅層由根部向斷口方向逐漸變薄至消失，同時斷口因過載拉伸出現(xiàn)頸縮直至斷裂特征，斷口的斷面與拉力方向呈45°，且斜斷面平整、規(guī)則，在斷口處可見沿軸向由斷口向內(nèi)部擴展的腐蝕裂紋，深約50mm，氧化層較厚約450mm。

對鋼錨壓接出口處金相組織進行觀察發(fā)現(xiàn)，與斷裂鋼芯相鄰的鋼錨處也曾受到較長時間加熱，導致晶粒變大，晶粒有輕微形變特征。鋼芯斷裂部位的鋼錨外壁腐蝕嚴重，腐蝕坑最深約400mm，且被腐蝕出圓弧狀，可見腐蝕裂紋，裂紋深約350mm，氧化層厚700mm；鋼錨內(nèi)壁無明顯腐蝕。金相組織圖如圖5所示。

圖5 金相組織圖

2 改造方案

根據(jù)對耐張線夾腐蝕原因的分析，擬設計新型耐張線夾，重點研究抵抗線夾空腔進水措施，從而解決鋼錨壓接部位和鋼錨壓接出口處鋼芯因接觸腐蝕性元素而產(chǎn)生銹蝕的問題。

耐張線夾上揚時，由于水可通過導線線股之間的間隙進入耐張線夾空腔，導線線徑越大（股數(shù)越多），水越容易進入，導線線徑越小（股數(shù)越少），水越不易進入。耐張線夾鋁管（鋼錨端）壓接密實，上揚耐張線夾進水后，水存于空腔內(nèi)無法流出。新型耐張線夾考慮鋁管空腔部位注脂防止雨水等進入引起鋼芯與鋼錨銹蝕，設計非壓接式注脂孔，為便于運維時補充施工漏充或長期運行后缺失的油脂，注脂孔設計在非壓接區(qū)，可根據(jù)運維情況打開或密封。注脂孔密封采用螺紋結(jié)構(gòu)，要求注脂孔在導線最大運行張力時不發(fā)生永久變形，以免螺釘無法松緊，所以要對鋁管進行拉力校核。

對新型耐張線夾開展理論應力計算、有限元仿真分析和鋁管拉力校核試驗。導線JL/G1A—400/50配套標準設計耐張線夾鋁管外徑為45mm，內(nèi)徑為29.5mm。銹蝕改造方案設計耐張線夾鋁管在空腔部位加工注脂孔和排氣孔，注脂孔與排氣孔結(jié)構(gòu)相同，簡稱為雙注脂孔耐張線夾。截面未加工孔的鋁管在受軸向拉伸時，在鋁管截面上的應力均勻分布。如果在鋁管上加工圓孔，沿圓孔直徑的鋁管橫截面上應力分布將發(fā)生變化，圓孔附近的應力將急劇增高，而最大應力發(fā)生在孔邊，隨著到孔邊的距離逐漸增加，應力逐漸減小并趨于均勻?？紤]應力集中后，耐張線夾在最大運行張力時注脂孔與排氣孔不發(fā)生永久變形，否則注脂孔和排氣孔變形后螺釘無法緊固封堵，且存在滲水后銹蝕的風險。

2.1 耐張鋁管的理論計算分析

耐張線夾鋁管的材料牌號為1 050A[6]，抗拉強度按60～80MPa計算，屈服強度為40MPa。耐張鋁管一般需承受鋁線額定拉斷力的40%即25.6kN且注脂孔不產(chǎn)生永久變形。標準耐張線夾鋁管外徑45mm、內(nèi)徑29.5mm，承受25.6kN時，加工孔后鋁管的名義平均應力為31.45MPa，考慮應力集中系數(shù)后，管徑45mm鋁管的理論計算注脂孔邊最大應力為65.73MPa，此最大應力高于鋁管屈服強度40MPa，注脂孔產(chǎn)生變形?？紤]增大耐張線夾鋁管管徑來降低注脂孔邊最大應力，按照上述內(nèi)容提到的應力公式，理論計算鋁管承受25.6kN時，管徑需達到55mm才能滿足注脂孔邊最大應力小于40MPa的要求。導線JL/G1A—400/50 新設計配套非標準耐張線夾鋁管管徑55mm，鋁管加工注脂孔后的名義平均應力為16.63MPa，考慮應力集中系數(shù)后，理論計算注脂孔邊最大應力為35.56MPa，低于鋁管屈服強度40MPa，注脂孔不變形。適用導線JL/G1A—400/50耐張線夾不同管徑鋁管的理論應力計算值見表1。

表1 鋁管外徑45mm和55mm的理論應力計算值

2.2 耐張鋁管的有限元仿真分析

現(xiàn)對加工注脂孔后的標準耐張線夾45mm管徑鋁管和新設計耐張線夾55mm管徑鋁管，施加鋁線額定拉斷力的40%即25.6kN載荷情況下進行有限元仿真分析，鋁管受力分析示意圖如圖6所示，鋁管應力分布如圖7和圖8所示。

由仿真結(jié)果可知，45mm管徑鋁管理論計算最大應力值為65.73MPa，仿真分析的應力最大值在注脂孔邊為66.21MPa；55mm管徑鋁管理論計算最大應力值為35.56MPa，仿真分析的應力最大值為37.26MPa，也位于注脂孔邊。兩種管徑鋁管理論計算最大應力與仿真分析最大應力的結(jié)果基本一致。

2.3 耐張鋁管的拉力試驗

加工導線JL/G1A—400/50用常規(guī)耐張管徑鋁管和新設計雙注脂孔耐張管徑鋁管試件，進行拉力試驗[7]，要求實際注脂孔變形時載荷需超過鋁線額定拉斷力的40%。

耐張線夾外徑45mm鋁管注脂孔變形時載荷為23.0kN，未達到導線JL/G1A—400/50鋁線額定拉斷力的40%即25.6kN，不滿足要求。增大耐張管外徑至55mm，鋁管的變形力為50.1kN，超過25.6kN，滿足要求。鋁管試件實際載荷見表2。

表2 鋁管試件實際載荷

2.4 導線配套新耐張線夾設計及試驗

匹配導線JL/G1A—400/50參數(shù)，鋼7/3.07，鋁54/3.07，鋼截面積為51.82mm2，鋁截面積為399.73mm2，導線外徑為27.63mm，計算拉斷力為123.4kN。該導線配套新耐張線夾設計雙注脂孔，注脂孔布置于鋁管不壓區(qū)，距鋁管兩邊壓接部位各35mm，雙孔設計更易于注脂操作，保證鋁管空腔油脂充滿，同時方便觀察。注脂孔用螺紋處涂抹耐高溫防水軟膠的螺釘封堵，封堵效果好。引流板采取雙板設計[8]，鋼錨采用原設計結(jié)構(gòu)。新設計耐張線夾樣圖如圖9所示。

圖9 新設計耐張線夾樣圖

針對新設計耐張線夾開展系列試驗[9]：電阻溫升試驗、握力試驗、注脂對比試驗、注脂孔封堵效果對比試驗等，并制定新耐張線夾的壓接工藝[10]。

新設計耐張線夾電阻小于等長參考導線電阻，線夾溫升值低于導線溫升值；耐張線夾實際拉斷力高于導線規(guī)定握力值；耐張線夾注脂孔和排氣孔同時敞開未封堵較耐張線夾排氣孔封堵更易于注脂操作，且更易于保證鋁管空腔油脂充滿，同時方便觀察，油脂充滿能有效防止耐張線夾腐蝕；雙注脂孔采用螺釘緊固，并在螺紋處涂耐高溫防水軟膠，可有效防止油脂滲出，電網(wǎng)運行中，兩孔非壓接，方便運維過程中進行補脂操作；耐張線夾壓后鋼管涂富鋅漆，在同等高溫與同等酸性溶液環(huán)境中，涂富鋅漆可以有效延緩試件腐蝕。

3 結(jié)論

架空線路中耐張線夾上揚布置引發(fā)鋁管空腔進水，導致鋼芯與鋼錨銹蝕。防止進水措施為在耐張線夾鋁管空腔內(nèi)填充油脂，現(xiàn)有注脂式耐張線夾為單注脂孔，注脂孔布置于鋁管壓接部位，注脂不便同時也不便于觀察，注脂后用封頭封堵壓接，單注脂孔壓后部分線夾存在滲脂現(xiàn)象。

新設計雙注脂孔式線夾便于注脂充滿且易于觀察，導線最大運張力下注脂孔不變形，方便松擰螺釘、便于運維檢查油脂填充情況及補充注脂。螺釘螺紋處涂抹耐高溫防水軟膠封堵，封堵效果好，可有效防止油脂滲出。

新設計雙注脂孔式耐張線夾在性能上更加安全、穩(wěn)定、可靠，已在某試驗基地模擬掛網(wǎng)運行。

[1] 電力金具通用技術(shù)條件: GB/T 2314—2008[S]. 北京:中國標準出版社, 2008.

[2] 黃亞飛, 蔣興良, 任曉東, 等. 采用渦流自熱環(huán)防止輸電線路冰雪災害的方法研究[J]. 電工技術(shù)學報, 2021, 36(10): 2169-2177.

[3] 戴志輝, 陳思琦, 李毅然, 等. 復雜環(huán)狀柔直配電網(wǎng)單極斷線故障特性分析[J]. 電工技術(shù)學報, 2022, 37(5): 1229-1241.

[4] 劉水, 林杰歡, 徐穎華, 等. 輸電線路金具發(fā)熱原因分析及處理[J]. 機電信息, 2017(6): 16-17.

[5] 徐灝. 機械設計手冊 第1卷[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1991.

[6] 黨樂, 郭金剛, 崔亞茹, 等. 架空輸電線路金具材料研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 電氣技術(shù), 2022, 23(4): 1-6.

[7] 電力金具試驗方法 第1部分: 機械試驗: GB/T 2317.1—2008[S]. 北京: 中國標準出版社, 2008.

[8] 吳正樹, 李守信, 張利娜, 等. 輸電線路引流板螺栓擰緊工藝的研究[J]. 電氣技術(shù), 2021, 22(6): 78-81.

[9] 電力金具試驗方法 第3部分: 熱循環(huán)試驗: GB/T 2317.3—2008[S]. 北京: 中國標準出版社, 2008.

[10] 輸變電工程架空導線（800mm2以下）及地線液壓壓接工藝規(guī)程: DL/T 5285—2018[S]. 北京: 中國電力出版社, 2018.

Research on corrosion and renovation of strain clamps in overhead transmission lines

YAO Guijiao CHEN Zuoxin LU Guilai LI Chengtao

(Nanjing Electric Power Fittings Design and Research Institute Co., Ltd, Nanjing 211599)

Most conductors in overhead transmission lines are exposed to the atmosphere and some tension clamps are uplifted, then the rainwater medium containing corrosive elements enters the aluminum tube cavity of the strain clamps through the gaps between the conductor strands. Due to the tight crimping of the aluminum tube at the anchor end, the corrosive medium is difficult to discharge. It accumulates inside the hollow aluminum tube for a long time then forms a corrosive environment where the steel anchor and steel core corrodes and eventually leads to a conductor breakage accident. The newly designed double-grease-hole strain clamp adds grease-injection holes and vent holes in the aluminum tube cavity, which is easy for grease-injection operations and easier to fill up with grease. Furthermore, the strain clamp adopts a double-plate type guide plate, which can increase the over-current area and reduce the resistance so that its electrical performance is better than that of single-plate type. In conclusion, the newly designed double-grease-hole strain clamp is safer, more stable and more reliable in performance.

steel core corrosion; conductor breakage; double-grease-hole; finite element analysis; double-plate split type

2022-09-09

2022-09-29

姚貴嬌（1984—），女，遼寧省撫順市人，本科，高級工程師，主要從事電力金具設計及試驗研究工作。