220 kV输电线路悬垂金具直角挂板断裂原因分析

洪毅成, 蔡建宾

(国网福建电力科学研究院, 福州 350001)

220 kV输电线路悬垂金具直角挂板断裂原因分析

洪毅成, 蔡建宾

(国网福建电力科学研究院, 福州 350001)

某220 kV输电线路悬垂金具直角挂板发生断裂事故。通过对该事故背景进行分析，结合宏观检测、载荷分析、断口扫描电镜及能谱分析的方法，从金具的连接方式、运行环境、材质状况等方面分析了该220 kV输电线路悬垂金具直角挂板的断裂原因。结果表明：该直角挂板在制造时已经存在裂纹，在腐蚀介质和大风的共同作用下裂纹不断扩展，最终直角挂板发生腐蚀疲劳断裂。最后针对断裂原因提出了预防措施。

输电线路；金具；直角挂板；腐蚀疲劳断裂

电力金具在电力线路中起到连接、支撑和保护的作用，是输变电线路上的一个重要组成部分，电力金具质量的安全可靠对电网线路的安全运行具有重要的作用[1]。目前，国内金具制造厂家数量较多，加工制造水平参差不齐，由于金具质量问题引发的掉线事故时有发生[2-5]。笔者通过对某线路架空地线悬垂金具直角挂板(ZS-7)的断裂原因进行分析讨论，为厂家的规范生产提供借鉴。

1 事故线路概况

该线路于2014年6月验收合格后正式投运，线路段沿线走廊防护区内无临近的树木或建筑物，沿线走廊完全满足线路安全运行要求。该线路地处海边山区，常年风力较大(5～7级)，且线路走向与常年的风力方向刚好成近90°角，该方向的稳定风力是线路导地线起振并形成稳定振动的理想条件，现场情况见图1。按照线路检修计划，该线路于2016年1月4日起进行停电检修工作，在检修时发现3号塔右架空地线(良导体)掉落在上导线横担上，3号右地线(良导体)悬垂金具串断串，串中的连接金具直角挂板(ZS-7)发生断裂，连接形式为单挂点双悬垂，配套地线型号为OPGW-24B1-145光缆，悬垂金具组装图如图2所示。

图1 事故塔基现场周边情况Fig.1 Surrounding situation of the accident tower

图2 悬垂金具组装图Fig.2 Assembly diagram of the hanging fittings

2 理化检验

2.1 宏观检测

断裂失效发生在直角挂板弯头部位，所有断口比较平整，均无明显的塑性变形，断口为本体材料颜色，裂纹源处颜色较深，属于脆性断裂。另外两个断口未完全断裂，在主裂纹旁边还有多条撕裂的小裂纹，且整个弯头向一侧弯曲变形，直角挂板的另一侧发生轻微的变形，端部向两边张开，如图3所示。

图3 直角挂板断裂形貌Fig.3 Fracture morphology of the rectangular hanging plate:(a) the front; (b) the side

2.2 实际承受载荷分析

依据设计规程规定，金具强度的安全系数不小于最大使用载荷的2.5倍，因此直角挂板(标称载荷为7 000 kg)的最大允许使用载荷为F=7 000 kg/2.5=2 800 kg。该线路3号塔的水平档距为852 m，垂直档距为889 m；设计基本风速为33 m·s-1，相当于最大设计风速35 m·s-1。查阅原始设计资料，光纤复合架空地线的最大承受载荷为11 377.7 N，规程规定，山区线路设计最大风速如无可靠资料，应按附近平原地区的统计值提高10%选用。送电线路位于河岸、湖岸、高峰以及山谷风口等易产生强风的地带时，其最大设计风速应较一般地区适当增大。因此，校验塔所处位置的计算风速为一般地区的最大设计风速的1.21倍，即42.35 m·s-1，相当于14级大风，所以光纤复合架空地线的最大承受载荷为14 660.7 N。在考虑微地形环境影响气象条件后，直角挂板最大允许使用载荷仍然远大于光纤复合架空地线的最大承受载荷，因此该金具满足现场使用要求。

2.3 断口扫描电镜分析

图4 直角挂板断口的扫描电镜形貌Fig.4 SEM morphology of fracture surface of the rectangular hanging plate:(a) corrosion product; (b) secondary cracks

截取直角挂板最大弯处断口，经超声波清洗后进行扫描电镜分析，如图4所示，断口平整，无塑性变形痕迹。由于腐蚀介质的作用，断口被腐蚀产物覆盖，在断口边缘处可见疲劳条纹，断口形貌中明显存在解理面，且可观察到明显的二次裂纹。这些裂纹较直，应该属于穿晶裂纹，因此可以判断断口形貌为穿晶解理断裂 ，属于典型的脆性断裂特征[6]。

2.4 断口能谱分析

截取直角挂板6个断口(最大弯处2个断口和起弯位置4个断口)，位置如图3(a)所示，经超声波清洗后进行能谱分析，结果如表1所示。可见6个断口的元素成分较为复杂，均含有硫、氯、钾、钙以及铝、镁、硅等常见腐蚀性元素，但在最大弯处2个断口含有锌元素，含量较高。对最大弯处2个断口的外弧面进行面扫描，如图5所示，发现最大弯处断口均匀分布着锌元素。

表1 断口的能谱分析结果 (质量分数)

图5 最大弯处断口的面扫描结果Fig.5 Surface scanning results of the fracture of the maximum bending position

3 分析与讨论

3.1 直角挂板质量问题

根据宏观检测、断口扫描电镜形貌和能谱分析，直角挂板存在明显的质量问题。直角挂板在加工成型后再进行表面热浸镀锌处理，6个断口中的2个最大弯处断口存在大量的锌元素，说明该产品加工成型时在最大弯处已经出现裂纹，在进行表面热浸镀锌处理时锌液渗入到裂纹内部[7]。在实际使用中，该直角挂板使用线路处于沿海山区，大气环境含有氯离子等腐蚀性介质，且该地区常年风力较大，线路走向垂直于常年的风力方向，导致该直角挂板不可避免地受到周期性振动。直角挂板在加工成型时最大弯处已存在裂纹，又在风的作用下发生振动，导致直角挂板最大弯处的裂纹在周期性载荷作用下扩展，因此在断口处可见疲劳条纹。在腐蚀介质和大风的共同作用下，裂纹逐渐扩展，最终导致直角挂板腐蚀疲劳断裂，发生掉线事故。

3.2 金具连接方式不合理

该线路3号事故塔采用U型挂板UB-7、三腿直角挂板ZS-7、连板L-1040、三腿平行挂板PS-7、悬挂线夹XGH-4的单挂点双悬垂连接方式。尽管直角挂板ZS-7所能承受的理论最大荷载符合现场设计要求，但这种连接方式使用的金具数量多，造成连接点、摩擦点以及受损点增多，容易形成隐患。特别是U型挂板和三腿直角挂板的连接，两者连接部位的接触面积较小，强度明显下降，而单挂点双悬垂的连接方式增加了金具本身的负载，使得强度进一步下降。3号事故塔处于大档距和微地形(海边山区)等对金具受力不利的条件下，常年受到基本垂直于线路的大风影响，金具承受长期循环变化的风载，而且直角挂板ZS-7受力截面为4点受力，在风偏振动和舞动的作用下，直角挂板一侧受力过大，造成其连接处过紧，自由度受到限制，易产生弯曲应力。从宏观检测可知该直角挂板已经产生弯曲变形。

4 结论及建议

该直角挂板在加工成型时最大弯处已经存在裂纹，在随后的使用过程中，由于腐蚀介质和周期性风偏振动的共同作用，裂纹不断扩展，最终发生腐蚀疲劳断裂。针对该情况，提出以下防范措施。

(1) 加大对该线路同批次金具的巡检，结合停电进行更换，新更换的金具需检查合格才能投入使用。新建或改建线路连接金具不建议采用U型挂板UB+三腿直角挂板ZS的结构组合，宜采用加强U型环组结构。

(2) 在大档距以及位于风口特殊环境的线路段宜采用加强型金具，以提高其承受运行载荷和抗振动疲劳破坏能力。

(3) 提高对线路金属监督的重视程度，加强对金属监督检查项目及标准规范的执行，保证金具材料内部组织、力学性能、装配等方面的质量。

[1] 邓大勇, 闫斌,何喜梅,等.110 kV线路“Z”型挂板断裂分析[J].青海电力,2011,30(4):51-53.

[2] 柴志华,张树林,蔚泽廷.220 kV忻义线116号金具断裂分析[J].山西电力,2013(2):67-69.

[3] 武家升,刘亮,李朋.35 kV套管线夹断裂原因分析[J].理化检验-物理分册,2015,51(7):517-519.

[4] 王荣辉.500 kV输电线路金具断裂原因分析及处理措施[J].科技致富向导,2014(3):94-95.

[5] 毕虎才,董勇军,冀晋川.电网线路金具断裂及预防[J].山西电力,2014(1):22-24.

[6] 钟群鹏,赵子华.断口学[M].北京:高等教育出版社,2015:242-258.

[7] 李远鹏,杨佑华,唐囡,等.热镀锌钢铁制件表面颗粒缺陷成因分析及预防措施[J].理化检验-物理分册,2015,51(4):263-266.

Analysis on Fracture Reasons of Rectangular Hanging Plates of Hanging Fittings in the 220 kV Electric Transmission Line

HONG Yicheng, CAI Jianbin

(State Grid Fujian Electric Power Research Institute, Fuzhou 350001, China)

A fracture accident of the rectangular hanging plates of hanging fittings occurred in a 220 kV electric transmission line. Based on the analysis of the accident background, through the macroscopic inspection, load analysis, scanning electron microscope and spectrum analysis of the fracture, the fracture reasons were analyzed from the aspects of the connection type, operation environment, material quality condition, and so on. The results show that: there were some cracks in the rectangular hanging plates during manufacturing process; under the combined action of corrosive medium and high wind, cracks propagated constantly, and eventually led to the corrosion fatigue fracture of the rectangular hanging plates. Finally, some preventive measures were proposed according to the fracture reasons.

electric transmission line; fitting; rectangular hanging plate; corrosion fatigue fracture

质量控制与失效分析

10.11973/lhjy-wl201705013

2016-07-28

洪毅成(1981-),男,工程师,主要从事电网金属材料失效分析研究,hongych99@126.com

TM75; TG115

B

1001-4012(2017)05-0361-04