500 kV輸電導線耐張線夾斷裂失效分析

陳家慧，趙興虹，劉 曦，馮 杰，林德源

(1.國網四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都 610041；2.四川蜀能電力有限公司高新分公司，四川 成都 610041；3.國網福建省電力公司電力科學研究院，福建 福州 350007)

0 引 言

耐張線夾是用于在耐張、轉角、終端桿塔的絕緣子串上固定導線或避雷線，并承受導線張力的金具。壓縮型耐張線夾作為機械和電氣負荷的傳遞者，是輸電線路最常見的工具之一[1-6]。本體由鋼錨和鋁管組成，鋼錨用來接續和錨固鋼芯鋁絞線的鋼芯，通過壓力使鋁管產生塑性變形，從而使線夾與導線結合在一起。線夾的裝配、設計和壓接缺陷以及惡劣運行環境均有可能造成線夾斷裂[7-11]，直接威脅高壓輸電線路的安全運行。

下面以一起500 kV輸電導線耐張線夾內鋼芯斷裂事故為研究對象，對失效線夾進行解剖，借助材料表征手段綜合分析線夾斷裂原因，并提出科學、可行的防護措施，對防止類似事故發生、提高耐張線夾可靠性有一定的警示、借鑒意義。

1 事故概況

2018年6月， 500 kV某輸電線路發生非計劃停運跳閘，選相為AC相(無負荷損失)，故障巡視發現140號塔小號側四分裂導線C相(中相)的左下導線耐張線夾斷裂，導致子導線掉落，與A相(下相)距離不足，如圖1所示。140號塔型為SJ 453，同塔雙回路架設，小號側檔距為148 m，掛線點高差為48.5 m，氣象區為10 mm輕冰，27 m/s風速。導線型號為JL/GIA-500/45-48/7鋼芯鋁絞線，耐張線夾型號為NY-500/45，鋁管材質為1050A。

圖1 導線耐張線夾失效現場形貌

2 理化檢驗

2.1 宏觀分析

結合失效耐張線夾外部(見圖2)和內部情況(見圖3)，線夾存在兩處斷口。鋁管斷裂位置為接續板附近的未壓接區(近鋼錨側)，斷口具有明顯拉伸頸縮特征，屬于韌性斷裂。導線鋼芯斷裂在距端口34 mm的鋼錨內部，整體看7根鋼芯斷口高低不平，拉邊與軸線幾乎成45°，斷口處均存在明顯的頸縮現象，宏觀上顯示一定的塑性變形特征，如圖4所示。鋼芯的表面和斷面均覆蓋有大量的黑色產物，局部位置有明顯的擠壓和磨損痕跡，表明鋼芯在運行時承受拉伸、擠壓和摩擦多種應力。

圖2 耐張線夾鋁管斷裂位置

圖3 鋼錨內鋼芯斷裂位置

圖4 鋼芯斷裂的宏觀形貌

2.2 壓接質量檢測

對失效耐張線夾的壓接質量進行測量，發現鋁管和鋼管的壓后最大對邊距均符合《輸變電工程架空導地線(800 mm2以下)及地線液壓壓接工藝規程》(DL/T 5285-2018)的相關要求。但鋼錨的外觀形貌顯示，鋼錨存在明顯的彎曲變形，且表面有較深的壓接痕跡(見圖5)。經測量，鋼錨彎曲點與鋼芯斷裂位置一致，可知鋼錨壓接工藝不合格導致內部鋼芯在變形處產生較大的應力集中。

圖5 鋼錨外觀形貌

2.3 掃描電鏡及能譜分析

將7根鋼芯線中的2根鋼芯線斷口置于掃描電子顯微鏡下觀察，結果見圖6。由圖6(a)和6(c)可知，鋼芯斷口凹凸不平，C區存在剪切唇特征，斷口有明顯的徑縮現象，符合韌性斷裂特征。進一步觀察發現，斷口A區域附近的表面磨損處存在很多互相平行且垂直于鋼芯徑向的裂紋，最大裂紋寬度達100 μm，如圖6(c)和6(d)所示。由此可知，裂紋在A區域萌生，B區域快速擴展，C區域瞬時斷裂。由圖6(b)可知，2號樣斷口覆蓋有大量的堆積物，經能譜儀分析為氧化腐蝕產物，占據約1/3斷面，表明其斷裂時間早于1號樣。對圖6(d)中鋼芯表面進行能譜分析，結果以Zn、Fe、O三種元素為主，可推斷鋼芯表面的黑色物質為鍍鋅層氧化后產物。觀察斷口外緣形貌，發現原圓弧形外表面局部已變形成為邊角狀，即本應為圓周形狀的鋼芯線外周表面變為多邊形及圓弧形的混合形狀，且擠壓變形區域與裂紋源位置一致。

圖6 鋼芯微觀形貌

由此推斷，原鋼芯線斷口位置曾經受外力擠壓后變形，變形部位機械強度較低，可成為裂紋萌生點。

2.4 顯微組織分析

選取1根鋼芯進行切割、鑲嵌、拋磨，在金相顯微鏡下觀察其徑向截面，鋼芯內部無異常的金屬夾雜物，如7(a)所示。經硝酸酒精浸蝕后，基體組織顯示為鐵素體+索氏體，表明顯微組織正常，如7(b)所示。

圖7 鋼芯橫向顯微形貌

2.5 力學性能試驗

從遠離斷口的失效鋼芯和鋁管上分別選取3段試樣進行室溫拉伸試驗，鋼芯和鋁管的最小抗拉強度分別為1580 MPa和87 MPa，鋁管斷后平均伸長率為46%，分別滿足《導地線采購標準 第2部分：鋼芯鋁絞線專用技術規范 》(Q/GDW 13236.2-2014)和《鋁及鋁合金熱擠壓管 第1部分：無縫圓管》(GB/T 4437.1-2015)標準要求。

2.6 材質分析

對耐張線夾鋁管進行化學成分分析，結果符合標準《變形鋁及鋁合金化學成分》(GB/T 3190-2008)中對牌號1015A的要求。鋼芯線的化學成分檢測結果顯示，鋼材中有害元素P和S的含量分別為0.015%和0.008%，均滿足相關要求。

3 綜合分析

通過上述分析可知，耐張線夾中鋼芯和鋁管的顯微組織、力學性能及材質均滿足相關要求。鋼錨上有較深壓接痕跡且存在明顯彎曲現象，內部鋼芯在變形處產生應力集中。這極有可能是壓接過程中出現鋼錨彎曲，然后試圖通過反復壓接將鋼管彎曲部位復原所致。多次壓接過程導致鋼芯產生擠壓變形，機械強度降低。運行時，鋼芯和鋼錨在變形處產生較大的接觸摩擦使鋼芯表面被磨損，其力學性能進一步降低。鋼芯在表面受損處產生裂紋源，使耐張線夾承受載荷的有效面積減小。在導線張力作用下，受損較嚴重的鋼芯在應力集中處首先發生斷裂，剩余鋼芯和鋁管承受的載荷急劇增大，且鋼芯斷口較為鋒利，會對周邊的鋼芯造成持續的摩擦損傷，形成惡性循環，最終導致剩余鋼芯和鋁管斷裂。

4 結 語

該導線耐張線夾斷裂屬于韌性斷裂事故，主要是由線夾壓接質量不佳引起的。鋼錨彎曲變形導致鋼芯在變形處產生應力集中，壓接過程中的擠壓變形和運行過程中的摩擦損傷使鋼芯力學性能顯著降低，在導線張力作用下鋼芯相繼被拉斷，從而使鋁管拉伸斷裂，最終導致耐張線夾失效。

為提高耐張線夾的運行可靠性，建議對同批次壓接耐張線夾進行X射線探傷檢測，排查壓接時存在的安全隱患，防止類似事故再次發生。在新建、改造及擴建的線路工程中，應提升耐張線夾壓接工藝，加強對線夾壓接質量的抽檢，以確保線路安全。