±800 kV架空地线断股分析研究

汪立锋，陈庆吟，蔡新华，盛叶弘，洪静

（浙江华电器材检测研究所，国家电力器材产品安全性能质量监督检验中心，杭州310015）

±800 kV架空地线断股分析研究

汪立锋，陈庆吟，蔡新华，盛叶弘，洪静

（浙江华电器材检测研究所，国家电力器材产品安全性能质量监督检验中心，杭州310015）

利用超景深三维显微系统、金相显微及SEM扫描电镜对架空地线断口进行宏观和微观形貌以及金相组织分析，借助X-射线能谱仪对断口表面的成分进行检测。结果表明：断股主要原因是地线受到雷击而产生高温，使绞线外层单丝造成灼伤，加之地线受自身拉应力作用发生断股。通过对±800 kV架空地线断股情况进行分析，为设计与生产过程中提高架空地线的机械和抗雷击性能提供参考，保证电网安全。

架空地线；雷击；微观分析；断股

0 引言

架空地线是输电线路的主要组成部分，承载着保护导线免遭雷闪袭击的重要作用，铝包钢芯架空地线以优良的强度和导电性，在特高压输电线路广泛应用。通常输电线路途经的地域、气候条件相对恶劣，容易发生由大风、覆冰、雷击、腐蚀等原因造成的架空地线断股事故，而事故将严重影响输电线路的安全稳定运行。查明断线的原因，不仅能对检修维护提供指导性建议，还将对该地区输电线路建设及安全运行起到提升和改进作用[1]。

某特高压±800 kV线路途经浙江段，巡检人员于2015年7月发现3153—3154号档极Ⅱ侧地线断股现象，断股数为2股，且断线相邻。10— 11月，巡检人员再次在该区域发现断股现象。该地线型号为LBGJ-150-20AC铝包钢绞线，包层用铝牌号为1 050 A，钢芯牌号为60号钢。为查明架空地线断股原因，通过金相、扫描电镜、能谱分析等手段对架空导地线断股进行分析和研究。

1 试验方法

1.1 试样处理

样品断口由于长时间暴露于自然条件，已经严重锈蚀。在不损伤断口的前提下，采用丙酮超声波清洗，然后用10%草酸溶液去除断口表面的沉积物和锈迹。

1.2 金相试验制备

样品为铝包钢绞线，由于铝金属硬度较低，将样品切割后打磨至1 000号砂纸的细度，之后采用粒度0.25 μm的抛光剂抛光。试验采用4%硝酸酒精侵蚀。

2 试验结果分析

2.1 尺寸检查

测量2股地线直径，结果分别为3.1 mm和3.2 mm。根据YB/T123-1997《铝包钢丝》的要求：LBGJ-150-20AC铝包钢绞线铝包线直径为3.1～3.2 mm，试样直径符合标准要求。

2.2 断口形貌分析

通过超景深三维显微系统及扫描电镜SEM对2个样品断口进行观察。具体断口形貌照片如图1、图2所示。

图1 1号样断口形貌

图2 2号样断口形貌

样品断口处均有大量气孔、熔坑、金属熔融物。断口处出现的熔坑、金属熔融物、黑色金属氧化层等均是金属经高温熔融的主要特征[2]。同时在2组样品的断口处，观察到呈熔融状的铝金属附着在断口边缘处，其中1号样品断口处铝层熔化特征表现尤为明显。

图2为2号样品断口形貌，A区断面较为平滑，并呈现一定角度的人字纹花样斜面，B点为人字纹花样的起始点，A区则为裂纹扩展方向，该断口为解理断口[3]。并对2号样品断口B区进行SEM1000倍扫描，发现熔坑内存在金属枝晶，如图3所示，说明断口处金属出现过高温重熔现象。说明该样品是在受高温烧蚀后因无法承受外部拉应力而发生断裂。

2.3 能谱分析

为验证样品熔融的温度是否对钢芯产生影响，对1号样（如图3所示）和2号样（如图4所示）断口A区（氧化层）和B区（熔坑金属）的成分组成进行能谱分析，结果表明：A区中氧含量为25.42%～36.71%、铝元素含量约为43%、铁元素含量为3.00%～23.84%。B中氧含量为5.35%～7.04%、铝元素含量为11.40%～65.65%、铁元素含量为15.93%～62.18%。可判定A区物质为金属氧化皮，B区物质为钢铝金属熔融物。同时说明铝包钢绞线受到的烧蚀温度超过碳钢的熔点，至少达1 400～1 500℃[4]。

图3 1号样能谱测试区

图4 2号样能谱测试区

2.4 断口金相组织分析

为进一步分析断口的形成机理，取1号样品断口分析金相组织，金相取样位置沿铝包钢线断口截面观察，其观察部位包括熔覆金属及钢芯组织。断口金相组织形貌可观察到3个区域：钢芯母材区、热影响区、熔覆金属区域。其中钢芯组织见图5，熔覆金属金相见图6。图6中出现鱼骨状白色共晶体，该形态在高合金钢中较为常见，说明该熔融金属中含有多种固溶强化的合金[5]。同时对该区域做能谱分析，熔覆金属主要由铁和铝构成，含量分别为80.70%和13.92%。鱼骨状白色枝晶和能谱分析结果进一步确认该熔覆金属为铝包钢线受高温烧蚀由铁铝合金重熔形成。

图5 1号样品钢芯组织-回火索氏体

图6 2号样品熔融金属金相

图5 为钢芯母材区域组织，为回火索氏体，属于铝包钢丝正常的组织形态，同时对离该断口200 mm处进行金相组织观察，结果同样为回火索氏体。对比组织形态及晶粒度，断口区域母材组织和钢芯正常组织相同，可确定该区域的组织未受到高温影响，从而进一步推断造成样品烧蚀的温度是由外向内发展，并不是导线内长时过载缓慢温升引起，且高温只对单丝表面造成灼伤。

1号样热影响区，晶粒较芯部组织粗大，且存在马氏体组织，呈黑色针状分布，如图7所示。表明铝包钢线在受高温烧蚀时，存在受外界影响而快速冷却的现象。

图7 1号样热影响区-马氏体组织

2.5 分析与讨论

通过对断样的宏观和微观分析，铝包钢断股处均存在高温熔融痕迹，能谱分析表明表层熔坑枝晶及熔融金属成分主要为铁、铝、氧元素，表明该架空地线断口处受到高温灼烧的影响，造成熔痕的温度已超过60号钢的熔点1 400～1 500℃。对该断口进行金相组织形貌观察，发现高温熔融深度约为铝包钢单丝直径的1/5。架空地线悬挂于铁塔间会受到较大的拉应力，如铝包钢单丝表面存在灼烧缺口，铝包钢单丝就存在因应力集中而发生断裂的隐患。该铝包钢单丝断口形貌为解理断口，进一步说明铝包钢单丝是受高温灼伤后因无法承受外应力而产生的断裂[6]。

断样的高温熔融痕迹均存在于架空地线外表面，受到灼烧的导线数量为1～2根，且均相邻，说明高温灼烧范围较小。±800 kV输电线路中的架空地线一般设计高度在40 m左右，所以使铝包钢单丝产生断裂的高温可能有以下成因：

（1）工频短路电流产生的高温，但导地线自身不带电，只能由母线和导地线暂时的短接造成，虽然短路电流值比雷击小，但作用时间长，能量大于雷击电流能量，所以说短路造成的高温对铝包钢单丝影响范围更大[7]，不会出现仅对单丝表层造成灼烧。同时查看该线路的运行情况，该线路段未发生短路记录。

（2）雷电电弧产生的高温。1号样断口的金相和能谱分析表明，断线芯部金相组织未发生变化，高温灼烧仅影响到单丝表层，说明影响时间短，且并非导线内部受热产生的高温。在1号样的热影响区发现马氏体组织也能表明导线在烧蚀过程中存在淬火现象[8]，可判断发生事故时存在下雨现象。

结合上述分析基本可判断事故由雷击造成。

3 结论

（1）金相分析和能谱分析表明，LBGJ-150-20AC铝包钢绞线断股在受到高温灼烧的同时存在淬火现象，灼烧方向是铝包钢芯单丝由外向内发展，且单丝内部未受影响，说明高温烧蚀时间短暂，可判定断股主要原因是由雷击造成。

（2）断口形成机理：该地线遭受外界瞬时大电流闪击，有较大的电流在雷击点产生了一定的热容量，造成导线表面铝层和钢芯局部熔融，后续架空地线因无法承载自身拉应力而发生了断股现象。

[1]钟尼.输电线路雷击架空地线断线问题研究[J].科技论坛，2015（10）∶252-253.

[2]刘筱薇，金应荣.铜导线的短路熔痕与过热熔断熔痕分析[J].材料热处理技术，2011（7）∶194-200.

[3]钟群鹏，赵子华.断口学[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]鄢国强.金相检验[M].上海：上海科学普及出版社，2008.

[5]周振平.过共晶铝铁合金铸态组织细化途经的探讨[D].沈阳：沈阳工业大学，2002.

[6]吴正树.500 kV平来线架空地线雷击断股分析[J].广西电力，2010，33（5）∶60-62.

[7]赖达峰.输电线路雷击架空地线断线的原因分析及防雷措施[J].科技创新导报，2011（17）∶139-140.

[8]胡世炎.机械失效分析手册[M].成都：四川科学技术出版社，1989.

（本文编辑：徐晗）

Research on Strand Fracture of±800 kV Overhead Ground Wire

WANG Lifeng，CHEN Qinyin，CAI Xinhua，SHENG Yehong，HONG Jing
（Zhejiang Huadian Equipment Testing Institute，National Safety Performance Quality Supervision& Inspection Center for Electrical Equipment，Hangzhou 310015，China）

The macro and micro morphology and metallographic structure of the fracture are analyzed with ultra-depth three-dimensional microscope，metallurgical microscope and scanning electronic microscope（SEM）. The constituent of the fracture surface is tested by X-ray energy dispersive spectrometer.The result shows that the ground wire is broken by the high temperature due to lightening strike，which burns the single surface wire of the stranded wire；besides，the tensile stress of the wire is also a reason of fracture.Through analysis on the fracture of the overhead ground wire，the paper provides reference for mechanical property and lightening stroke resistance improvement of the overhead ground wire in the process of its design and manufacture to guarantee the safety of power system.

overhead ground wire；lightening strike；microanalysis；strand fracture

TM755

：B

：1007-1881（2017）01-0011-03

2016-06-13

汪立锋（1981），男，工程师，从事电力器材质量检测与研究工作。