220 kV输电线路高压架空地线疲劳断裂原因分析

陈 浩，房文轩，张 涛，史贤达，刘 俊

（1.内蒙古电力（集团）有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司，呼和浩特 010020；2.内蒙古自治区新型电力系统智能电网企业重点实验室，呼和浩特 010020）

0 引言

高压架空地线又称避雷线，是输电线路的重要组成部分。由于其对导线的屏蔽及耦合作用，大幅降低了导线直接遭受雷击的风险，同时还具有短路电流分流作用及通信功能。一旦高压架空地线发生断裂失效，将造成线路跳闸引发大面积停电事故，严重威胁电网的安全稳定[1-2]。本文以某220 kV输电线路高压架空地线为例，对其疲劳断裂原因进行检验分析，以避免同类失效再次发生。

1 线路概况

某220 kV 输电线路在发生跳闸事故后的现场巡检过程中发现，某基铁塔架空地线档距中央压接管处断线，并搭落在L1相导线上，引起线路跳闸，重合不成功。此外，线路检修人员在巡线登检过程中发现该线路多处地线防振锤线夹端部断股。该线路位于开阔的草原地区，地势起伏不大，坡度平缓，事故发生在冬季，气温较低，风速稳定均匀，风力等级1～3 级。断裂的架空地线为GJ-50 型钢绞线，与压接管采用爆压方式连接，材料牌号为C70D 盘条钢，表面采用热浸镀锌防腐工艺处理。

2 理化检验

2.1 宏观检验

结合现场勘查情况对断裂的架空地线进行宏观形貌观察，发现架空地线压接管端部呈喇叭状，边缘存在一定程度的磨损，地线断裂于压接管端部内侧1 cm 处，剖开压接管取出断裂的地线单丝，发现断口附近已锈蚀，断面平齐且无明显塑性变形。地线单丝采用镀锌工艺防腐，表面呈银白色，未见明显放电痕迹，如图1所示。

图1 断裂的高压架空地线宏观形貌Fig.1 The macro morphology of fractured high voltage overhead ground wire

2.2 断口形貌分析

利用扫描电子显微镜（SEM）对高压架空地线断口进行微区形貌特征分析，结果如图2 所示。可以看出，地线单丝断口内大部分区域可以观察到明显的贝壳状疲劳弧线及大量的疲劳辉纹，呈典型的疲劳断裂特征。

图2 高压架空地线断口SEM形貌Fig.2 The SEM morphology of fracture surface of high voltage overhead ground wire

2.3 化学成分分析

对断裂的架空地线取样进行化学成分检测，检测结果见表1。结果表明，高压架空地线中的各元素质量分数符合YB/T 170.2—2000《制丝用非合金钢盘条第2部分一般用途盘条》中对C70D盘条钢的要求[3]。

表1 高压架空地线各化学成分质量分数检测结果Tab.1 Mass fraction of each chemical element of high voltage overhead ground wire%

2.4 金相分析

在架空地线的断口附近取样进行金相显微组织检测，如图3所示。由图3可以看出，地线单丝断口附近金相组织为等轴状的索氏体＋少量铁素体，未见过热、过烧等异常组织。此外，地线单丝外表面镀锌层均匀、光洁，未见明显孔隙，厚度约为39 μm。

图3 断裂的高压架空地线金相组织Fig.3 Metallographic structure of fractured high voltage overhead ground wire

2.5 有限元分析

通过实际测量架空地线的直径及压接管各部位尺寸，并经过适当简化，利用三维造型软件构建相应的几何模型，压接管端部为圆锥状，如图4 所示。为准确模拟分析架空地线在微风振动工况下的受力状态，在分析模型中忽略了压接管抱紧力的影响，压接管和架空地线分别设置为刚性体和柔性体，压接管采用固定约束方式，对地线施加弯曲载荷和轴向拉伸载荷，模型采用网格六面体单元，单元总数为45760个，节点总数为9960个[4-5]。图5为架空地线的应力分布云图，可以看出，一旦地线发生微风振动，其最大应力出现在压接管端部内侧1 cm处，与高压架空地线实际断裂位置一致，在外力作用下此处极易形成应力集中开裂。

图4 高压架空地线几何模型Fig.4 Geometrical model for high voltage overhead ground wire

图5 高压架空地线应力分布云图Fig.5 Cloud chart of stress distribution comparison for high voltage overhead ground wire

2.6 力学性能检测与分析

对断裂的高压架空地线单丝截取试样拉力和韧性等力学性能检测，结果见表2 及图6。经测量，地线单丝直径实测值为2.95 mm，其抗拉强度为1481 MPa，符合GB/T 3428—2012《架空绞线用镀锌钢线》中规定的最低强度要求[6]。卷绕试验结果显示，在地线单丝上未见肉眼可见的开裂现象，说明地线单丝的韧性合格。

表2 断裂的高压架空地线单丝力学性能测试结果Tab.2 Mechanical performance test results of broken high voltage overhead ground wire monofilament

图6 高压架空地线单丝卷绕试验结果Fig.6 Winding test result for high voltage overhead ground wire monofilament

3 架空地线疲劳断裂原因分析

经分析，断裂的输电铁塔架空地线化学成分及机械性能均符合相关标准要求，因此排除因材质错用而导致架空地线断裂[7]。从金相分析结果可知，地线单丝中未发现过热、过烧等异常组织，说明架空地线断裂前无大电流通过，与雷击放电等因素无关。

平坦开阔的地形及稳定缓慢的微风对架空地线的微振起促进作用。进一步现场勘查发现，该输电线路位于丘陵沟壑山区，地形相对平缓，对气流的扰乱作用较小，同时该事故发生在冬季，事发当天风速稳定在5 m/s左右，在这样的风速及地形条件下，架空地线极易发生微风振动[8-10]。

刚性的压接管破坏了整根地线的柔性，一旦高压架空地线发生振动，压接管端部的地线作为振动的起始点，振幅高，应力大，服役条件相对其他部位恶劣。此外，由于压接管端部呈喇叭状，压接管端部内侧的高压地线属于变截面区域，在外力作用下极易形成应力集中。当地线发生微振时，将承受与微振频率相同的循环弯曲应力，沿着应力集中效应明显的压接管端部内侧1 cm处开裂，并以疲劳的形式不断扩展[11-17]。

4 结论与建议

高压架空地线长期在微风振动工况下，承受周期性变化的弯曲应力，个别钢绞线单丝优先在刚性压接管端部应力集中开裂并疲劳断股，最终在大风等极端天气条件下，承载能力大幅下降的架空地线彻底断裂并跌落。建议应加强输电线路接续管、耐张线夹、防振锤等刚性部件与柔性导地线处的巡查力度，发现问题及时处理，同时在微风振动严重地区合理布置防振锤、防振鞭等防振金属附件，以避免导地线发生微风振动。