220 kV 地线连接金具断裂事故分析

2019-07-10汪立锋谈佳栋陈庆吟

浙江电力 2019年6期

汪立锋，谈佳栋，陈庆吟，张成，钱科，冯强，水涛

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

0 引言

电力连接金具是电力系统中连接和组合的重要装置，是起到传递机械负荷、电气负荷和某种防护作用的金属附件[1]，地线连接金具包括耐张线夹、U 型环、调整板、螺栓等，其主要作用是将地线与构架或铁塔锚固和连接。连接金具在实际使用过程中受不同工况的影响，如磨损、短路、雷击、覆冰、自身材料质量因素等，均会产生各种损伤及断裂[2]。由于连接金具的失效断裂机制复杂，该类金具的失效研究一直受到国内研究者的重视[1-6]。

2018 年5 月20 日13：04，某变电站220 kV某Ⅰ回断路器故障跳闸，派人员检查线路后，发现该线路变电站构架侧与终端塔侧整条地线断裂掉落，如图1 所示。构架侧断裂的连接金具为4.8级螺栓，型号为M16×60，终端塔侧断裂的连接金具为U 型环，型号为U-7，如图2 所示。该事故引起全站的停电，使得该区域大面积停电，造成了不良的社会影响。

图1 断裂导地线外观

基于此，对该220 kV 线路故障连接金具和地线失效部位通过宏观观察、化学成分分析、扫描电镜以及能谱分析等方法确定断裂的性质，分析连接金具失效原因，并提出改进建议，为预防此类故障的再次发生提供借鉴。

1 试验与分析

1.1 宏观分析

掉落导地线型号为JL/G1A 70/40，由于是整条导地线断裂，存在2 处断裂点，如图2 所示。第一处断点为构架侧4.8 级螺栓（图2 中金具编号为2 号螺栓，以下同），实物如图3 所示；第二处断点为终端塔侧2 只U 型环的连接处（图2 中金具编号为4 号和5 号U 型环，以下同），实物如图5 所示。

在第一断裂处检查螺栓外观，该螺栓型号为M16×70，将直角挂板（图2 中金具编号为1 号直角挂板，以下同）与钢锚（图2 中金具编号为3 号钢锚，以下同）连接，2 号螺栓螺杆处已完全断裂。螺栓断口处有深黄色锈蚀，可见明显的磨损痕迹，未见金属熔融痕迹，实物如图3 所示。3 号钢锚和2 号螺栓连接处磨损严重，未见金属熔融痕迹，实物如图4 所示。该钢锚原始直径约为16.9 mm，磨损位置厚度仅为2.9 mm，磨损量达14.0 mm，磨损严重。

图2 地线金具连接示意

第二断裂点位于终端侧4 号和5 号U 型环连接处，两者连接位置均已断裂，断口尖端处均可见明显的金属熔融物，熔断口周边还粘附呈喷射状的熔滴，如图6 所示。按照U 型环尺寸，断口处因高温融化造成部分金属缺失[3]，说明该处金属有受热熔融现象。金属熔融处上部可见明显的磨损痕迹[4]，4 号U 和5 号型环原始直径约16.3 mm，磨损位置测量厚度约为8 mm，磨损量为8.3 mm 左右。终端塔与导线金具连接位置均能看到程度不一的金属熔痕。

图3 构架侧2 号4.8 级螺栓断裂形貌

图4 构架侧3 号钢锚形貌

图5 终端塔侧4 号、5 号U 型环断裂形貌

图6 4 号U 型环喷射状的熔滴现象

观察地线，在距10 号大号侧（终端塔侧）钢锚位置的28 m 位置，地线表面存在1 处长度约为60 mm 的损伤痕迹，损伤表现为导线压痕及导线表面金属熔融物[3]。损伤类型主要包括机械碰撞和电击，如图7 所示。

图7 地线损伤位置

1.2 化学成分

对上述连接金具进行成分分析，测试结果如表1 所示，所测元素均符合Q235A 牌号要求，厂家提供的型号为Q235A。

表1 线夹化学成分分析结果（质量分数）%

1.3 微观断口观察

扫描电镜下对构架侧2 号螺栓及终端塔侧4号U 型环断口进行观测。图8 为2 号螺栓断口上侧的微观形貌，可见该区域覆盖一层疏松状氧化物，未见金属熔融物。在2 号螺栓断口尖端部位具有明显粘着磨损特征[7]，存在部分金属从表面脱落，还存在嵌入的颗粒状异物和粘屑，如图9所示。

对终端塔侧4 号U 型环断口微观形貌进行观测，发现断口表面可见大小不一的颗粒状熔珠。熔珠外表面比较平整，少量熔珠表面有气孔，气孔内壁比较平滑，无粗糙的纹迹，如图10 所示。

1.4 能谱分析

图8 2 号螺栓微观形貌

图9 2 号螺栓尖端部位微观形貌

图10 终端塔侧4 号U 型环微观形貌

采用能谱仪对2 号螺栓锈蚀部位和4 号U型环金属熔珠进行无标定性和半定量分析，结果见表2 和表3。图11 能谱图和表2 能谱分析结果显示，2 号螺栓断口以Fe 和O 元素为主，以及含有少量S，Cl，K，Ca 等元素。自然界的钢铁存在的环境以弱酸或中性为主，因此发生的腐蚀主要以吸氧腐蚀为主，吸氧腐蚀在阴极上的反应：

阳极反应：

表2 断口能谱分析结果（2 号螺栓）%

表3 断口能谱分析结果（4 号U 型环）%

图11 2 号螺栓锈蚀产物能谱图

图12 能谱图和表3 能谱分析结果显示，4 号U 型环熔珠的主要元素是Fe，C 和O，钢铁在空气中受高温氧化主要形成的物质为Fe3O4，Fe2O3和FeO，由于灼烧温度和氧含量的不同，三者往往同时存在。理论上三者氧化物的氧含量分别为35%，30%和28.5%，样品因为氧化程度的不同实际测量值会低于理论值，4 号U 型环熔珠能谱中氧含量为13.99%。结合4 号U 型环的宏观分析结果，进一步验证4 号U 型环不仅受到磨损侵蚀，而且受高温影响。

图12 4 号U 型环熔珠能谱图

2 分析与讨论

宏观检查显示：构架侧的2 号螺栓和3 号钢锚断口表面存在明显尺寸减小，为基体材料损失或者迁移所致，且通过电镜观察到的形貌为典型的粘着磨损。2 号螺栓磨损区域观察到嵌入或覆盖的异物，存在条带状的粘屑，经能谱分析主要成分为Fe 和O，与3 号钢锚成分接近，说明2 号螺栓和3 号钢锚存在物质迁移，即粘着磨损。粘着磨损是相对运动的物体接触面发生了固体粘着，是材料从一个面转移到另一个面的现象。同时2 号螺栓表面存在氧化产物，吸附S，Cl，K 及Ca 等元素，电镜下未发现熔融痕迹，不存在短路或感应电流引起的金属缺失，表明该处断裂主要原因是由于粘着磨损造成的。

同时构架侧金具的连接顺序为构架（钢板）-直角挂板-螺栓-耐张线夹钢锚，按照电力金具结构的特点，一般设计连接形式分为：球-窝系列；环-链系列；板-板系列[10]。其中构架侧直角挂板与耐张线夹钢锚的连接为板-环连接，不符合电力金具常规连接设计[11]。该方式的连接使得磨损始终朝一个方向进行，比常规连接磨损量更大。

终端侧的4 号和5 号U 型环断口连接处存在金属熔融物，周边存在喷射状的熔滴金属，说明该处温度瞬时升高。判断为地线与母线接触，电路发生短路，此时短路电流瞬间上升，在极短的时间内造成金属融化的爆炸性电弧，并向四周喷射灼热的熔滴[12]。通过观察微观形貌，熔珠表面存在气孔，符合短路引起的熔珠特征，短路造成金属熔珠由于气体来不及排出会存留于熔痕内，且气孔表面比较光滑。该金具连接处由于长时间的磨损及氧化是整条地线中电阻最大部位，当发生短路时，短路电流通过较高的接触电阻而产生高温，使4 号和5 号U 型环接触点金属融化而发生断裂。

该事故地线距终端侧28 m 位置存在1 处损伤，主要特征为机械、金属熔痕，表明该处受到过带电体的碰撞。正常情况下地线与导线留有足够的安全距离不存在接触的可能，只有可能是地线一端断裂后掉落到导线上造成的痕迹，因此终端塔侧的金属熔痕主要是由于地线碰触到母线后短路所形成。