电网线路金具断裂及预防

毕虎才，董勇军，冀晋川

（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原030001）

电网线路金具断裂及预防

毕虎才，董勇军，冀晋川

（国网山西省电力公司电力科学研究院，山西太原030001）

通过近两次电网金具断裂的对比分析，研究了金具断裂的主要影响因素，总结了金具的不同失效模式，并以此为基础提出具体的金具失效预防措施，对于进一步提高电网金具的安全稳定运行具有重要的意义。

电网；连接金具；断裂；预防

0 引言

电力金具作为电网系统中连接悬吊绝缘子串和其他部件的常规有效连接装置，在电网安全稳定运行中起着重要的作用。2008年12月3日山西朔州220 kV向方线金具和2011年4月29日忻州220 kV忻义线116号杆塔金具的断裂，给电网的安全运行带来极大的隐患。通过近两次电网金具断裂的对比分析，研究了金具断裂的主要影响因素，总结了金具的不同失效模式，并提出具体的预防措施。

1 金具分类及使用现状

连接金具根据使用条件和结构特点，分为三大类[1]：球—窝系列连接金具，该类为专用金具，与球窝型结构的悬式绝缘子配套使用，包括各种球头挂环、碗头挂板等，该类金具的优点是没有方向性，挠性大，可转动，装卸方便；环—链系列连接金具，该类为通用金具，结构简单，转动灵活，不受方向限制，受力条件好，包括U型挂环、直角环、延长环、U型螺丝等；板—板系列连接金具，该类为通用金具，包括平行挂板、直角挂板、U型挂板、联板、牵引板、调整板等。

目前山西电网挂网运行的金具大部分服役10 a左右，选型设计按照国家标准“电力金具”GB2314—2000～GB2345—2000选用，金具经热浸镀锌处理，强度安全系数运行情况不小于2.5；《金具手册》标准要求ZS-7挂板单板厚度应为6mm，ZS-7型挂板基本参数见表1；该挂板由于连接方向互成直角，因此变换灵活，但是在运行中主要承受机械载荷，长时间使用容易产生断裂，直接导致绝缘掉串，从而导致线路断线。

表1 ZS-7型挂板基本参数

国家标准对于各种连接金具的结构型式、材料、工艺、标称载荷、连接型式等均有相应规定[2]。连接金具承受机械载荷，应有足够的机械强度、耐磨性和耐腐蚀性。

2 电网金具失效的主要影响因素

引起电网金具失效的因素可归纳为两个方面，即金具材料因素和环境因素。前者为内因，包括金属材料品质及加工工艺方面的各种因素；后者为外因，包括受载条件、时间、温度及环境介质等因素。

连接金具的失效总是发生在某些特定的部位，这些部位就是金具的薄弱环节。连接金具承受机械载荷，长年在大气中运行，受大风、温差、覆冰、雨水等恶劣气象环境的影响，使导线不停振动引起附加应力，长时间、周期性的振动在金具的主要受力点产生交变的弯曲应力[3]。在一定幅度的扰动应力作用下，带微缺陷金具进入了疲劳的发展过程。金具发生疲劳破坏，要经历裂纹起始（或萌生）、裂纹稳定扩展和裂纹失稳扩展（断裂）3个阶段。疲劳裂纹的产生一方面取决于载荷水平（与金具摆动受阻情况直接相关），另一方面还依赖于风振摆动次数。

断裂诱因包括设计、制造和安装阶段缺陷。产品制造时本身带有严重制造缺陷，一般表现为投运1～3 a发生断裂。

2.1 设计原因

设计上的原因包括结构的合理性、材料的合理性、可能承受的过载环境考虑不足；另外由于对部件的使用条件、应力状态、破坏形式还不了解，造成设计不合理，使部件损坏。忻义线116号杆塔金具塔采用UB-7挂板、ZS-7挂板、QP-7球头挂环、绝缘子串的连接方式。此类金具连接磨擦点多，容易形成隐患，该类金具考虑采用双联双挂点的连接方式来提高强度。

2.2 材料原因

选择材料方面的原因包括设计或使用中错用钢材，或所用材料组织性能不均匀造成失效[4]，或者原材料制造时产生的缺陷，如疏松、空洞、缩孔、夹杂、裂纹等所导致的失效。忻义线116号杆塔金具厚度要求应为6mm，而实测为5mm，在一定程度上削弱了材料的承载能力。

2.3 环境条件

使用中客观条件造成的失效，包括应力集中、磨损导致的强度不足、现场环境的氧化、冰冻脆性、大风等。忻义线116号杆塔金具断裂当天风力大约为7～8级，伴随有强沙尘天气，导线随风力频繁摆动，摆幅最大时7m左右，最终造成金具的断裂；该断裂过程为大档距线路金具在大风区域高频摆动下萌生疲劳裂纹、裂纹扩展直至最终发生断裂。由于金具摆动受阻影响不同、长期风振摆动作用不同，线路上个别金具在运行15～20 a左右发生疲劳断裂。

在实际的失效分析中，部件的损坏很少由于单一原因作用，而往往是多种因素共同作用所造成的。

3 电网金具失效的主要形式

失效总是从金具最薄弱环节开始，失效金具残骸上必然会保留有失效过程的信息[5]。通过对失效残骸的研究，可查明失效机理和过程，并对失效原因做出判断，从而可针对性地采取改进和预防措施，避免同类失效再发生，达到改进电网金具质量、延长使用寿命、提高服役安全性和可靠性的目的。电网金具失效的形式主要包括：腐蚀失效、磨损失效、疲劳失效、应力腐蚀开裂等。

3.1 腐蚀失效

腐蚀是金具在使用中遇到的一种早期失效形式，它可引发应力腐蚀开裂、氢脆、疲劳腐蚀、磨蚀等其他失效形式[6]。连接金具用碳钢最普遍的腐蚀类型为点腐蚀和全面腐蚀（均匀腐蚀）。金具表面上的点腐蚀表示钝性开始破坏，稍微增加环境的腐蚀性就会产生全面腐蚀或均匀腐蚀。在潮湿水分和构成可溶性污染物灰尘颗粒的环境中，容易造成连接金具的锈蚀。

3.2 磨损失效

连接金具最常见的失效类型之一为磨损。磨损经常出现于连接金具的薄弱环节，即受力点。磨损的宏观特征为金具连接处出现明显减薄。金具受力点在长时间、周期性的相对运动、变动的机械载荷和环境因素的共同作用下导致了磨损。

以连接金具U型螺丝为例。U型螺丝用于直线杆塔悬垂绝缘子串、避雷线悬垂组合，作为杆塔横担的首件，出现磨损的情况较为普遍。某输变电公司在山区500 kV线路检修中发现架空地线U型螺丝出现大量严重磨损[7]，其磨损点正是其主要受力点和薄弱环节。

3.3 疲劳失效

在长时间、变动负荷作用下，金具的薄弱环节，即金具与其他零件连接处易发生疲劳断裂。疲劳断裂会在断口上留下特征。断口按断裂过程分为三个区域[8]：疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时破断区。裂纹源为应力集中区域，金属表面及内部的夹杂物、剪切滑移、晶界裂纹、位错空洞等缺陷在疲劳应力的作用下形成裂纹源，并扩展成疲劳源区。裂纹扩展区的典型特征是呈现清晰的贝纹状或海滩波纹状的疲劳条纹，此区是判断疲劳破坏性质的最重要的区域。疲劳条纹弧线的内侧方向是疲劳源所在位置，外侧凸出方向为疲劳裂纹的扩展方向。当裂纹扩展到临界尺寸，余下截面不足以承担原有负荷时发生瞬时破断，形成瞬时破断区。

朔州220 kV向方线金具和忻义线116号杆塔金具都是在较高动应力作用下的疲劳断裂；忻义线116号杆塔金具ZS-7型挂板断裂，从断裂面上看，断口较平整，无明显颈缩现象，呈典型的脆性断裂特征。断口分3个区，除边缘局部的裂纹源区外，疲劳扩展区约占断裂面的1/4，源区发黑发暗，以弧形结尾。扩展区域有多处台阶，显示疲劳裂纹扩展有多源、受力方向多有变化。终断区占整个断裂面的3/4，断面粗糙、发亮，呈颗粒状，断口脆性较大。裂源从双腿圆弧最大位置起，为多个源点，从断面的裂源侧面看，有多个台阶，从断面发展看，中部最大的台阶为最先起源点。断口宏观分析表明，挂环断裂面具有在较高动应力作用下的疲劳断裂特征。

3.4 应力腐蚀开裂

金具的薄弱环节在拉应力和腐蚀环境的共同作用下会发生应力腐蚀开裂。应力腐蚀开裂是一种极为隐蔽的腐蚀形式，往往事先没有明显预兆，因此会造成灾难性的事故。一般为锻钢及铸铁件的连接金具，对工业污染的大气环境及潮湿的海洋大气环境比较敏感，在SO2、酸雨、浓雾、潮湿空气等因素的作用下易导致氧化腐蚀，如果金具上有拉应力存在，应力腐蚀开裂难以避免。

应力腐蚀开裂呈脆性断裂，断口的宏观特征是裂纹源及扩展区因介质的腐蚀作用而呈黑色或灰黑色。突然脆断区的断口常有放射花样或人字纹[5]。

4 金具断裂的预防措施

目前还没有很好的方法对运行线路金具进行监测，为防止类似事件发生，只能通过金具的出厂验收、安装过程来进行预防和检查。但是在实际运行中处于复杂的工况，受到微气象、导线舞动、风偏等的影响，受力情况复杂，容易产生复杂交变载荷下的失效断裂。

a）对重要线路和高电压等级线路金具在出厂前要求厂家进行表面探伤和抗拉试验，并委托第三方检验机构按批次和数量抽检。开展新建杆塔和其他受监部件安装前的理化检验、无损检测和其他质量验收工作，对金具从外观、尺寸、结构、机械性能、显微组织等方面抽检，避免次品进入基建现场。

b）加强线路施工部门金具安装前的检查，特别是金具在施工过程中要受到较大的施工载荷，个别金具可能发生裂纹，安装时防止产生大的装配偏差，使金具摆动转动灵活，降低疲劳载荷。在线路投运前要再进行一次认真登检。

c）对已经发生金具腐蚀和有裂纹的线路，要结合现场微气象条件及环境，及时安排停电进行登杆普查。根据检查情况适当更换薄弱的金具，重点是强风区、风振区、覆冰区的线路。

d）加强15 a以上运行年限的线路金具检查，对已运行20 a的重要线路，应根据资金情况对受力大的重要铸造金具进行更换，也可对金具进行抽样检查后确定更换方案。

e）目前使用金具时只考虑破坏载荷，不考虑疲劳问题，建议根据现场实际情况，对线路上载荷较大位置的金具进行疲劳寿命校核。

f）组织金具生产厂家、设计单位、施工单位、运行单位、检验检测单位，进一步对该连接方式的合理性和可靠性进行研究，提出改进方案。

［1］董吉谔.电力金具手册［M］.北京：中国电力出版社，2001：161-163.

［2］国家能源局.DL/T 759—2009连接金具［S］.北京：中国标准出版社，2009：20-25.

［3］肖海东，杨暘，高虹亮，等.500 kV架空地线耐磨金具的研究［J］.水电能源科学，2010，28（6）：118-120.

［4］曹冒盛，刘世参.机械零件失效分析［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2005：72-80.

［5］蔡泽高，刘以宽，王承忠，等.金属磨损与断裂［M］.上海：上海交通大学出版社，1985：108-122.

［6］陈南平，顾守仁，沈万慈.机械零件失效分析［M］.北京：清华大学出版社，1988：69-85.

［7］吴国宏.电力金具冻裂原因分析及预防措施［J］.电力建设，2007，28（2）：73-74.

［8］钟群鹏，赵子华.断口学［M］.北京：高等教育出版社，2005：242-258.

Fracture of Hardwares in Grid Transm ission Lines and the Preventing M easures

BIHu-cai，DONG Yong-jun，JI Jin-chuan
（State Grid Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

According to the analysisand contrastof two fracture faultsofgrid hardware,this paper studied themain factors affecting the hardware fracture，and summarized various invalidationmodes ofhardware fitting.Preventingmeasureswere put forward accordingly，which ismeaningful for improving the safety and stabilization ofgrid hardware.

grid；hardware fittings；fracture；preventing

TM752

B

1671-0320（2014）01-0022-03

2013-09-27，

2013-11-18

毕虎才（1978-），男，山西五寨人，2001年毕业于太原理工大学金相专业，高级工程师，从事电力系统金属部件材料性能分析及理化探伤工作；

董勇军（1965-），男，山西忻州人，1987年毕业于武汉水利电力大学金属材料及热处理专业，高级工程师，山西电力技术院A级专家，从事电力系统金属部件材料性能分析及理化探伤工作；

冀晋川（1963-），男，山西太原人，1984年毕业于武汉水利电力学院金属专业，高级工程师，山西省无损检测考委，从事电力系统金属部件材料性能分析及理化探伤工作。