500 kV 線路耐張線夾斷裂原因分析及治理防范建議

張貴軍

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，云南 昆明 650011）

0 引言

耐張線夾是用來將導(dǎo)線或避雷線固定在非直線桿塔耐張絕緣子串上，并承受導(dǎo)線張力的金具。根據(jù)連接型式的不同，主要分為螺栓型、楔型和壓縮型3 種[1]。為滿足線夾握力要求，在500 kV 輸電線路中，常用的耐張線夾為壓縮型耐張線夾，壓縮型耐張線夾由鋁管與鋼錨組成，安裝可采用液壓或爆壓，隨著近年來液壓工藝的發(fā)展，液壓型耐張線夾在電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。耐張線夾設(shè)計、壓接、安裝等缺陷以及惡劣運行環(huán)境可能造成線夾腐蝕、發(fā)熱或斷裂等問題[2-13]，直接威脅輸電線路的安全穩(wěn)定運行。

本文以一起500 kV 輸電線路導(dǎo)線用耐張線夾引流板根部斷裂缺陷為研究對象，從斷口形貌、化學(xué)成分、有限元仿真、金相組織、運行環(huán)境、金具組裝結(jié)構(gòu)等方面綜合分析線夾斷裂原因，并提出治理防范建議，為類似事件的分析與處理提供參考。

1 缺陷概況

運維人員巡視發(fā)現(xiàn)某500 kV 輸電線路12 號塔中相小號側(cè)右上（2 號）子導(dǎo)線耐張線夾鋁管彎管處斷裂，右下（3 號）子導(dǎo)線引流線夾斷裂，屬緊急缺陷，如圖1 所示。

圖1 耐張線夾斷裂情況

12 號塔塔型為5E1Y1-J2-36，向左轉(zhuǎn)角35°40'，大號側(cè)使用檔距225 m，小號側(cè)使用檔距712 m，設(shè)計覆冰厚度10 mm，設(shè)計基本風(fēng)速 27 m/s（風(fēng)速基準(zhǔn)高度10 m）。導(dǎo)線采用 4 × JL/LB1A-400/50 鋁包鋼芯鋁絞線，分裂間距 450 mm。耐張線夾型號為NY-400/50BG，“手槍型”外觀，鋁管（引流板）材質(zhì)為 1050A 鋁，熱擠壓成型材。

2 斷裂原因分析

2.1 外觀檢測

檢測樣為某500 kV 輸電線路12 號塔斷裂的耐張線夾引流板及引流線夾，樣件有3 部分，分別編號為1#、2#、3#，如圖2 所示。1#為12 號塔中相小號側(cè)2 號子導(dǎo)線斷裂的耐張線夾引流板；2#、3#為12 號塔中相小號側(cè)3 號子導(dǎo)線兩側(cè)斷裂的引流線夾。根據(jù)圖1 現(xiàn)場照片，2、3 號子導(dǎo)線靠近耐張線夾的引流線上安裝了調(diào)距間隔棒，間隔棒的另一端分別連接著旁邊子導(dǎo)線的延長拉桿。

圖2 送檢樣品

經(jīng)外觀檢測，2 號子導(dǎo)線耐張線夾引流板（1#）斷口表面平整，斷口上有高溫熔融痕跡，斷口上和鋁管后出口位置的高溫熔融痕跡應(yīng)為耐張線夾斷裂后放電導(dǎo)致。觀察到斷口表面有疲勞輝紋，呈現(xiàn)疲勞斷裂特征。

2.2 化學(xué)成分檢測

根據(jù)廠家提供資料，斷裂耐張線夾鋁管設(shè)計材質(zhì)為1050A。按GB/T 7999—2015《鋁及鋁合金光電直讀發(fā)射光譜儀》和GB/T 3190—2008《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》，采用電火花發(fā)射光譜法對1#、2#樣品進行成分檢測，經(jīng)檢測化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，檢測結(jié)果如表1 所示。

表1 樣品化學(xué)成分分析結(jié)果

2.3 斷口形貌

利用掃描電鏡觀察2 號子導(dǎo)線耐張線夾引流板（1#）斷口，觀察到明顯的疲勞輝紋，如圖3 所示，呈現(xiàn)疲勞斷裂特征，表明斷口在斷裂過程中發(fā)生了疲勞擴展。疲勞裂紋間距較小，根據(jù)比例尺判斷，間距約為1 μm/條。耐張線夾直徑為45 mm，單邊長度大約70.68 mm，加上裂紋的萌生階段，根據(jù)材料與結(jié)構(gòu)的疲勞判斷，耐受疲勞能力在高周疲勞與耐久疲勞之間，降低應(yīng)變幅值（即：減小金具受力），可明顯增加其使用壽命，使金具耐疲勞能力進入耐久區(qū)域。經(jīng)分析，結(jié)構(gòu)與應(yīng)力不配套是導(dǎo)致斷裂的主要原因，破壞源主要為振動次數(shù)較多的微風(fēng)振動。

圖3 2 號子導(dǎo)線耐張線夾引流板（1#）斷口3D 顯微照片

3 號子導(dǎo)線引流線夾（2#、3#）斷口中間有間隙，主要因為引流線夾是由鋁管壓制成型，所以在斷口中間有間隙，間隙兩側(cè)的斷口形貌不同，一側(cè)的斷口較平整，一側(cè)的斷口粗糙，如圖4 所示。

圖4 3 號子導(dǎo)線引流線夾（2#）斷口照片

在掃描電鏡下觀察3 號子導(dǎo)線引流線夾（3#）斷口，觀察到明顯的疲勞輝紋，呈現(xiàn)疲勞斷裂特征，表明斷口在斷裂過程中發(fā)生了疲勞擴展，如圖5 所示。

圖5 3 號子導(dǎo)線引流線夾（3#）斷口3D 顯微照片

根據(jù)比例尺判斷，疲勞裂紋間距較小，間距約為7 μm/條。線夾寬度大于24 mm，壓制板呈兩層分布，一側(cè)為疲勞斷裂，另一側(cè)瞬斷區(qū)，疲勞斷裂厚度大約12 mm，根據(jù)材料與結(jié)構(gòu)的疲勞判斷，耐受疲勞能力在低周疲勞與高周疲勞之間，隨著應(yīng)變幅值增大，能夠耐受的循環(huán)次數(shù)變少。經(jīng)分析，結(jié)構(gòu)與應(yīng)力不配套是導(dǎo)致斷裂的主要原因，破壞源主要為振動次數(shù)較少的舞動。

2.4 仿真分析

為研究線夾斷裂過程的受力情況，采用有限元方法建立線夾模型，通過測繪獲得耐張線夾外形并建模，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 線夾外形仿真模型

有限元模型采用三維實體單元建模，鋁彈性模量70 GPa，泊松比0.3，塑性延伸強度100 MPa，抗拉強度150 MPa。鋼錨彈性模量210 GPa，泊松比0.3，塑性延伸強度1 000 MPa，抗拉強度1 500 MPa。

在載荷加載方式上，通過在C 位置施加位移模擬導(dǎo)線舞動，C 位置向下位移4 mm。

施加邊界條件約束時，A 位置和B 位置全部固定。計算結(jié)果如圖7、圖8 所示。

圖7 底板約束應(yīng)力云圖1

圖8 底板約束應(yīng)力云圖2

如果取消B 處的約束，在C 位置施加相同的位移，計算所得應(yīng)力云圖如圖9、圖10 所示。

圖9 取消B 處的約束時的應(yīng)力云圖1

有限元的分析顯示，耐張線夾連接的引流線受到約束可造成耐張線夾轉(zhuǎn)折位置的應(yīng)力集中，該應(yīng)力集中部位與1#樣品實際斷裂部位一致。2#樣品的引流線夾處于同一應(yīng)力傳遞路徑上，結(jié)合現(xiàn)場圖片判斷，由于對應(yīng)耐張線夾和調(diào)距間隔棒安裝位置不同，導(dǎo)致導(dǎo)線舞動（微風(fēng)振動）產(chǎn)生的最大應(yīng)力集中位置轉(zhuǎn)移至引流線夾根部，使得疲勞斷裂位置發(fā)生變化。經(jīng)分析斷裂主要原因為：安裝在引流線與延長拉桿之間的間隔棒對引流線夾和耐張線夾引流板產(chǎn)生了剛性約束，導(dǎo)致在導(dǎo)線擺動時線夾轉(zhuǎn)角部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，在長期擺動的循環(huán)應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞裂紋并最終導(dǎo)致斷裂。綜合分析，1#樣品破壞源主要為振動次數(shù)較多的微風(fēng)振動，2#樣品破壞源主要為振動次數(shù)較少的舞動。

2.5 周邊環(huán)境

某500 kV 輸電線路12 號塔位于山頂最高處，大號側(cè)使用檔距225 m，小號側(cè)使用檔距712 m，跨越山箐，但是與山箐溝方向呈50°左右夾角，此地地形為非微地型區(qū)域，從地勢看，此地?zé)o隘口風(fēng)力匯聚情況，不存在較為特殊的風(fēng)速及覆冰，耐張線夾的斷裂與地形、地勢無強相關(guān)性，如圖11 所示。

圖11 現(xiàn)場地貌及周邊環(huán)境

金具腐蝕通常分為煙氣腐蝕、應(yīng)力腐蝕、蒸氣腐蝕、腐蝕疲勞、沖擊腐蝕、晶間腐蝕、垢下腐蝕共7 種，結(jié)合每種腐蝕特性及周邊環(huán)境聯(lián)系性開展分析：周邊3 km 范圍內(nèi)無化工廠，可以排除煙氣腐蝕、蒸氣腐蝕；斷裂金具為NY-400/50BG，對本金具無明顯應(yīng)力腐蝕作用；周邊無腐蝕性介質(zhì)，不存在交變荷載和腐蝕性介質(zhì)的交互作用，可以排除腐蝕疲勞；周邊流體只有空氣，而且為非腐蝕性空氣，可以排除沖擊腐蝕；晶間腐蝕通常出現(xiàn)于黃銅、硬鋁合金和一些不銹鋼、鎳基合金材質(zhì)中，結(jié)合金相組織分析，可以排除晶間腐蝕；線夾上無水垢或有沉積水渣，可以排除垢下腐蝕。

2.6 金具組裝

對照金具組裝圖分析，現(xiàn)場金具組裝結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。但該類型金具組裝結(jié)構(gòu)存在不足，耐張線夾采用“手槍型”，其本身強度低且抗振動疲勞性能較弱，加之所有引流線與延長拉桿較近的地方均安裝有TJ2-12400 調(diào)距間隔棒，如圖12 所示，該根子導(dǎo)線引流線與另一根子導(dǎo)線的延長拉桿形成剛性連接，增加了同一水平面內(nèi)前后子導(dǎo)線異頻振動的應(yīng)力，導(dǎo)致耐張線夾引流板及引流線夾轉(zhuǎn)彎應(yīng)力較大，易出現(xiàn)疲勞損壞，增加線夾斷裂的風(fēng)險。

圖12 調(diào)距間隔棒現(xiàn)場安裝位置圖

同時，在引流線與延長拉桿之間的調(diào)距間隔棒對引流線夾和耐張線夾引流板的剛性約束作用下，易導(dǎo)致調(diào)距間隔棒與耐張線夾子導(dǎo)線出現(xiàn)高頻振動，耐張線夾型號采用“鋤頭型”的情況下，線夾抗振動抗疲勞等性能較強，高頻振動下容易造成調(diào)距間隔棒跳線端螺栓松脫，如圖13 所示，降低了線夾斷裂的風(fēng)險。但調(diào)距間隔棒跳線端螺栓松脫缺陷不及時處理，在大風(fēng)作用，跳線極易與均壓環(huán)及其他導(dǎo)線金具摩擦，增加引流線磨損斷裂的風(fēng)險；在線路周期巡視、特殊巡視發(fā)現(xiàn)此類缺陷隱患后，應(yīng)及時開展消缺工作，尤其大風(fēng)季節(jié)應(yīng)加強對此類缺陷隱患的排查治理。

圖13 調(diào)距間隔棒松脫照片

3 治理防范建議

3.1 隱患排查

建議采用“無人機精細化巡視 + 人工登檢”的組合巡檢模式開展隱患排查。重點關(guān)注中相引流線水平引出采用“手槍型”耐張線夾、調(diào)距間隔棒與耐張線夾安裝距離小于450 mm、位于風(fēng)口、大檔距的耐張塔，檢查引流線夾及耐張線夾引流板有無裂紋；針對水平方向設(shè)計夾角為45°的耐張線夾引流板及引流線夾利用停電機會開展出線排查。

3.2 隱患治理

針對導(dǎo)線耐張線夾鋁管彎管處斷裂隱患，采用行業(yè)內(nèi)常用的補壓TY 型線夾引流方法來改造或更換斷裂耐張線夾[12]，緊急情況可以用預(yù)絞絲引流臨時處置。針對引流線夾斷裂隱患，重新開斷并壓接新的引流線夾。

3.3 風(fēng)險防范

建議建設(shè)、設(shè)計單位，加強新建輸電線路工程質(zhì)量管控，在技術(shù)規(guī)范書、可研設(shè)計、施工圖設(shè)計等技術(shù)文件中明確相關(guān)要求。采用多分裂導(dǎo)線的220 kV 及以上輸電線路，建議耐張線夾型號全部采用“鋤頭型”，提高線路高周疲勞損壞的耐受能力。

跳線調(diào)距間隔棒與耐張線夾安裝距離小于450 mm 的點位，建議調(diào)整跳線調(diào)距間隔棒與耐張線夾之間的安裝距離，或?qū)⑵胀ㄌ€調(diào)距間隔棒更換為柔性跳線調(diào)距間隔棒[13]，或者用膠套進行包裹。

在設(shè)計審查時，要求設(shè)計單位提供調(diào)距間隔棒的安裝要求，明確子導(dǎo)線防護措施及跳線調(diào)距間隔棒與耐張線夾之間的安裝距離；在驗收時，須檢查跳線調(diào)距間隔棒與耐張線夾之間安裝距離是否滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

通過本文分析可知，跳線調(diào)距間隔棒與耐張線夾安裝距離較近，安裝在引流線與延長拉桿之間的調(diào)距間隔棒對引流線夾和耐張線夾引流板產(chǎn)生了剛性約束，在風(fēng)力作用下，存在固定跳線調(diào)距間隔棒的子導(dǎo)線與耐張線夾子導(dǎo)線出現(xiàn)不同頻率、幅度的振動，增加了耐張線夾彎管部位及引流線夾發(fā)生斷裂的設(shè)備風(fēng)險。遵循“減存量、扼增量”的原則，及時開展在運輸電線路隱患排查治理，消除存量隱患，有效降低在運輸電線路耐張線夾斷裂風(fēng)險；同時，嚴(yán)格可研設(shè)計、施工圖設(shè)計評審，加強新設(shè)備投產(chǎn)前驗收工作，嚴(yán)把設(shè)備入網(wǎng)關(guān)，確保線路隱患“零增量”。