220 kV輸電線路高壓架空地線疲勞斷裂原因分析

陳 浩，房文軒，張 濤，史賢達，劉 俊

（1.內(nèi)蒙古電力（集團）有限責任公司內(nèi)蒙古電力科學研究院分公司，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)新型電力系統(tǒng)智能電網(wǎng)企業(yè)重點實驗室，呼和浩特 010020）

0 引言

高壓架空地線又稱避雷線，是輸電線路的重要組成部分。由于其對導線的屏蔽及耦合作用，大幅降低了導線直接遭受雷擊的風險，同時還具有短路電流分流作用及通信功能。一旦高壓架空地線發(fā)生斷裂失效，將造成線路跳閘引發(fā)大面積停電事故，嚴重威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定[1-2]。本文以某220 kV輸電線路高壓架空地線為例，對其疲勞斷裂原因進行檢驗分析，以避免同類失效再次發(fā)生。

1 線路概況

某220 kV 輸電線路在發(fā)生跳閘事故后的現(xiàn)場巡檢過程中發(fā)現(xiàn)，某基鐵塔架空地線檔距中央壓接管處斷線，并搭落在L1相導線上，引起線路跳閘，重合不成功。此外，線路檢修人員在巡線登檢過程中發(fā)現(xiàn)該線路多處地線防振錘線夾端部斷股。該線路位于開闊的草原地區(qū)，地勢起伏不大，坡度平緩，事故發(fā)生在冬季，氣溫較低，風速穩(wěn)定均勻，風力等級1～3 級。斷裂的架空地線為GJ-50 型鋼絞線，與壓接管采用爆壓方式連接，材料牌號為C70D 盤條鋼，表面采用熱浸鍍鋅防腐工藝處理。

2 理化檢驗

2.1 宏觀檢驗

結(jié)合現(xiàn)場勘查情況對斷裂的架空地線進行宏觀形貌觀察，發(fā)現(xiàn)架空地線壓接管端部呈喇叭狀，邊緣存在一定程度的磨損，地線斷裂于壓接管端部內(nèi)側(cè)1 cm 處，剖開壓接管取出斷裂的地線單絲，發(fā)現(xiàn)斷口附近已銹蝕，斷面平齊且無明顯塑性變形。地線單絲采用鍍鋅工藝防腐，表面呈銀白色，未見明顯放電痕跡，如圖1所示。

圖1 斷裂的高壓架空地線宏觀形貌Fig.1 The macro morphology of fractured high voltage overhead ground wire

2.2 斷口形貌分析

利用掃描電子顯微鏡（SEM）對高壓架空地線斷口進行微區(qū)形貌特征分析，結(jié)果如圖2 所示?？梢钥闯?，地線單絲斷口內(nèi)大部分區(qū)域可以觀察到明顯的貝殼狀疲勞弧線及大量的疲勞輝紋，呈典型的疲勞斷裂特征。

圖2 高壓架空地線斷口SEM形貌Fig.2 The SEM morphology of fracture surface of high voltage overhead ground wire

2.3 化學成分分析

對斷裂的架空地線取樣進行化學成分檢測，檢測結(jié)果見表1。結(jié)果表明，高壓架空地線中的各元素質(zhì)量分數(shù)符合YB/T 170.2—2000《制絲用非合金鋼盤條第2部分一般用途盤條》中對C70D盤條鋼的要求[3]。

表1 高壓架空地線各化學成分質(zhì)量分數(shù)檢測結(jié)果Tab.1 Mass fraction of each chemical element of high voltage overhead ground wire%

2.4 金相分析

在架空地線的斷口附近取樣進行金相顯微組織檢測，如圖3所示。由圖3可以看出，地線單絲斷口附近金相組織為等軸狀的索氏體＋少量鐵素體，未見過熱、過燒等異常組織。此外，地線單絲外表面鍍鋅層均勻、光潔，未見明顯孔隙，厚度約為39 μm。

圖3 斷裂的高壓架空地線金相組織Fig.3 Metallographic structure of fractured high voltage overhead ground wire

2.5 有限元分析

通過實際測量架空地線的直徑及壓接管各部位尺寸，并經(jīng)過適當簡化，利用三維造型軟件構(gòu)建相應(yīng)的幾何模型，壓接管端部為圓錐狀，如圖4 所示。為準確模擬分析架空地線在微風振動工況下的受力狀態(tài)，在分析模型中忽略了壓接管抱緊力的影響，壓接管和架空地線分別設(shè)置為剛性體和柔性體，壓接管采用固定約束方式，對地線施加彎曲載荷和軸向拉伸載荷，模型采用網(wǎng)格六面體單元，單元總數(shù)為45760個，節(jié)點總數(shù)為9960個[4-5]。圖5為架空地線的應(yīng)力分布云圖，可以看出，一旦地線發(fā)生微風振動，其最大應(yīng)力出現(xiàn)在壓接管端部內(nèi)側(cè)1 cm處，與高壓架空地線實際斷裂位置一致，在外力作用下此處極易形成應(yīng)力集中開裂。

圖4 高壓架空地線幾何模型Fig.4 Geometrical model for high voltage overhead ground wire

圖5 高壓架空地線應(yīng)力分布云圖Fig.5 Cloud chart of stress distribution comparison for high voltage overhead ground wire

2.6 力學性能檢測與分析

對斷裂的高壓架空地線單絲截取試樣拉力和韌性等力學性能檢測，結(jié)果見表2 及圖6。經(jīng)測量，地線單絲直徑實測值為2.95 mm，其抗拉強度為1481 MPa，符合GB/T 3428—2012《架空絞線用鍍鋅鋼線》中規(guī)定的最低強度要求[6]。卷繞試驗結(jié)果顯示，在地線單絲上未見肉眼可見的開裂現(xiàn)象，說明地線單絲的韌性合格。

表2 斷裂的高壓架空地線單絲力學性能測試結(jié)果Tab.2 Mechanical performance test results of broken high voltage overhead ground wire monofilament

圖6 高壓架空地線單絲卷繞試驗結(jié)果Fig.6 Winding test result for high voltage overhead ground wire monofilament

3 架空地線疲勞斷裂原因分析

經(jīng)分析，斷裂的輸電鐵塔架空地線化學成分及機械性能均符合相關(guān)標準要求，因此排除因材質(zhì)錯用而導致架空地線斷裂[7]。從金相分析結(jié)果可知，地線單絲中未發(fā)現(xiàn)過熱、過燒等異常組織，說明架空地線斷裂前無大電流通過，與雷擊放電等因素無關(guān)。

平坦開闊的地形及穩(wěn)定緩慢的微風對架空地線的微振起促進作用。進一步現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，該輸電線路位于丘陵溝壑山區(qū)，地形相對平緩，對氣流的擾亂作用較小，同時該事故發(fā)生在冬季，事發(fā)當天風速穩(wěn)定在5 m/s左右，在這樣的風速及地形條件下，架空地線極易發(fā)生微風振動[8-10]。

剛性的壓接管破壞了整根地線的柔性，一旦高壓架空地線發(fā)生振動，壓接管端部的地線作為振動的起始點，振幅高，應(yīng)力大，服役條件相對其他部位惡劣。此外，由于壓接管端部呈喇叭狀，壓接管端部內(nèi)側(cè)的高壓地線屬于變截面區(qū)域，在外力作用下極易形成應(yīng)力集中。當?shù)鼐€發(fā)生微振時，將承受與微振頻率相同的循環(huán)彎曲應(yīng)力，沿著應(yīng)力集中效應(yīng)明顯的壓接管端部內(nèi)側(cè)1 cm處開裂，并以疲勞的形式不斷擴展[11-17]。

4 結(jié)論與建議

高壓架空地線長期在微風振動工況下，承受周期性變化的彎曲應(yīng)力，個別鋼絞線單絲優(yōu)先在剛性壓接管端部應(yīng)力集中開裂并疲勞斷股，最終在大風等極端天氣條件下，承載能力大幅下降的架空地線徹底斷裂并跌落。建議應(yīng)加強輸電線路接續(xù)管、耐張線夾、防振錘等剛性部件與柔性導地線處的巡查力度，發(fā)現(xiàn)問題及時處理，同時在微風振動嚴重地區(qū)合理布置防振錘、防振鞭等防振金屬附件，以避免導地線發(fā)生微風振動。