220 kV忻义线116号金具断裂分析

柴志华，张树林，蔚泽廷

（忻州供电公司，山西 忻州 034000）

1 故障及线路情况

2011年4月2 9日23时16分，220 kV忻义线两侧主保护动作，重合复掉，A相故障。巡视发现116号塔中相横担侧挂点处三腿直角挂板断裂，绝缘子串及导线悬吊在线路型避雷器上，导线下子线严重损坏。

220kV忻义线于1999年11月投运，运行接近12a。线路全长95.744 km，导线采用垂直排列布置的两分裂LGJX-300/40导线。116号处于原平市段家堡柏林池村南，地理坐标为东经112°34′25.1″、北纬38°58′31.29″，山地地形，海拔1 691m，属庙岭梁山脉。115号—116号之间挡距为758 m，116号—117号之间挡距为401 m。115号及116号为直线塔，117号为耐张转角塔。115号—116号之间有峡谷，高差197 m。115号呼高为26.7 m，116号呼高23.7 m，117号呼高15.5 m。

2 金具试验情况

为全方位查找金具断裂的根本原因，首先从断裂金具本体情况进行了分析。

2.1 金具破坏载荷试验情况

故障发生后将现场116号塔左相及右相上金具送至中国电力科学研究院导线与金具研究室进行了破坏载荷试验，试验情况见表1。

表1 金具破坏载荷试验

从金具破坏载荷试验结果可以看出，现场116号左相取回的三腿直角挂板ZS-7破坏载荷为65.30 kN，不满足≥70 kN的载荷要求，试验不合格，其余试件破坏载荷均满足相关标准要求。

2.2 金相分析测试情况

中国电力科学研究院委托国家钢铁材料测试中心对220 kV忻义线116号左相及中相的三腿直角挂板ZS-7金具进行了金相分析，检测结果见表2。

表2 金相组织检验结果

从金相分析中可以看出，三腿直角挂板ZS-7金具的金相组织确为铁素体及填充在铁素体周围空中中的珠光体组成，符合相关要求。

2.3 成分分析测试情况

中国电力科学研究院委托国家钢铁材料测试中心对220 kV忻义线116号左相及中相的三腿直角挂板ZS-7金具进行了成分分析，检查结果见表3。

通过材料成分分析的结果可知ZS-7材料相关成分满足GB/T 700—2006《碳素结构钢》关于Q235B相关标准要求[1]。

表3 三腿直角挂板ZS-7组成成分分析检验结果

3 116号金具受力情况分析

通过计算对116号金具受力情况进行分析，大风时挂点处导线金具三腿直角挂板ZS-7最大破坏荷重为7 t，金具的安全系数为2.5，经过对导线垂直荷载和水平荷载的计算，得出挂点处综合荷载在最大风的情况下为2.136 9 t，因此该金具满足最大允许荷重为2.8 t的设计要求。

4 金具断裂原因分析

对忻义线116号金具从断裂特点、连接方式、气象条件、运行环境等原因进行了断裂分析。

4.1 金具疲劳断裂

金属疲劳断裂时具有以下特点：第一，断裂时无明显的宏观塑性变形，断裂前没有明显的预兆，而是突然地断裂；第二，引起疲劳断裂的应力很低，常常低于静载时的屈服强度；第三，疲劳断裂能清楚地显示出裂纹的发生、扩展和最后断裂三个组成部分。

忻义线116号断裂的金具均符合以上特点，断口较为平整，无明显缩颈现象，具有明显的边缘裂纹源区、疲劳扩展区及最后断裂区，源区颜色较深，扩展区域有多处台阶。最后断裂区颜色发亮，占总断面面积较大，属于典型的金属疲劳断裂。断裂过程如下：ZS-7三腿直角挂板采用Q235B牌号的碳素结构钢加工而成，其金相组织为铁素体及填充在铁素体周围空隙中的珠光体组成。珠光体强度较高，硬度适中，塑性和韧性较好；铁素体的强度、硬度不高，但具有良好的塑性与韧性。挂板的塑性变形首先发生在外力作用的最大应力处（即弯曲部位），珠光体网状层失去约束铁素体晶格滑动而产生塑性滑移，经过频繁的滑移，产生极小裂纹并逐步扩展，受力截面逐步减小，受到大风冲击时，挂板发生突然断裂。

4.2 金具连接方式不合理

该塔采用U型挂板UB-7、三腿直角挂板ZS-7、球头挂环QP-7、绝缘子串的连接方式。这种连接方式使用金具较多，使连接点增多，磨擦点及受损点增多，容易形成隐患，特别是三腿直角挂板ZS-7相对U型挂板UB-7而言，连接部位接触面积较小，强度明显下降。

116号塔处于大挡距、大高差、微地形等对金具受力不利的条件下，加之故障段常年有基本垂直于线路的大风，金具长期受到变化的风载，其所受的载荷在一定范围内变化，处于典型的“拉—拉疲劳”工况。因为三腿直角挂板ZS-7受力截面为4点受力，在风偏摆动过程中存在某点承载力变大的情况，所处工况更为严酷。当垂直于线路的大风吹过时，导线及绝缘子串向背风侧偏移，在此过程中由于金具摩擦力及风压力的综合作用，挂板上会形成一个弯矩，导线自重或是风向发生变化时，挂板又会受到一个反方向的弯矩，形成了“弯曲疲劳”的工况。长时间受到拉、弯交变力的作用，会在挂板处产生微小裂纹。

4.3 大档距未采用双联双挂点的连接方式

115号—116号之间挡距为758 m，高差为105 m，属于大挡距、大高差，又处于风口，为保障安全，应采用双联双挂点的连接方式。但设计部门未对该处进行特殊考虑。

4.4 设备遭受了强风的袭击

根据中央气象台天气预报，2011年4月29日左右山西将出现大风扬沙天气，局部地区可能出现强沙尘天气。

根据宁武气象站资料，4月29日13时21分开始刮风，风力逐步加大。22时左右风力增大为7～8级，据柏林池村民反映该风力为历史罕见。

4月30日凌晨5时33分，巡视人员到达故障点后，在大风作用下，基本无法原地直身站立，现场使用风速仪测量风速达26 m/s，风力达10级，属狂风。导线随风力频繁摆动，摆幅最大时7 m左右，最终造成金具断裂。

4.5 设备运行环境恶劣

220 kV忻义线116号处于原平段家岭柏林池村南，属庙岭梁山脉，山上终年大风不断。

220 kV忻义线在该处基本呈南北走向，大号侧跨越一条东西走向的大沟，为典型的两山夹一谷风口地形，易形成扩大效应，风力比其他地段较大，运行环境恶劣。

5 防止挂点金具断裂的针对性措施

a）新建或改建线路连接金具不采用U型挂板UB+三腿直角挂板ZS的结构组合，宜采用加强型U型环组结构。

b）在大挡距、大高差、两侧挡距悬殊以及位于风口的线段采用加强型金具。

c）由于没有适合现场使用的检测金具疲劳或裂纹的仪器，所以应加强对金具连接部位磨损情况的检查，通过磨损程度的统计分析，确定是否对相关金具进行重点检测。

d）加强对三腿直角挂板ZS的抽样拆装检查、检测工作，准确掌握其运行状况。

e）对于运行线路，更换大挡距、大高差、两侧挡距悬殊、位于风口线段的ZS三腿直角挂板以及运行15 a以上的ZS三腿直角挂板。

［1］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化委员会.GB/T700—2006 碳素结构钢［S］.北京：中国标准出版社，2006：1-6.