500kV 超高壓輸電線路金具掛環斷裂原因及預防對策

方旭 四川蜀能電力有限公司電網運維分公司

現代社會中，我國科技技術發展日新月異，電力系統也隨之取得了很大的進步，最重要之一是500kV 超高壓輸電線路，能夠有效降低輸電成本，具有重要應用價值。但因為其所處的環境屬于外部自然環境，容易產生故障。其中金具是被廣泛應用在輸電線路中的鐵或鋁制金屬附件，主要用來抑制導線振幅和消振，種類和用途繁多。電力線路金具掛環在輸電線路中具有重要作用，一旦失效會對造成較大的安全隱患，因此對輸電線路金具掛環斷裂失效及預防研究十分有必要。

一、輸電線路金具類型概述

（一）碗頭掛板

在線路中起到連接懸垂線夾和絕緣子串的作用，按結構和使用條件可分為單聯和雙聯碗頭掛板。碗頭掛板作為一種常用的連接金具，被大量應用于輸電塔上，往往承受著較大載荷，其性能優劣對輸配電線路安全至關重要。

（二）懸垂線夾

懸垂線夾是用于懸掛和支托導線，要求能承受規定的垂直荷載和對導線的握力。從結構上分為中心回轉式、上扛式和提包式。

（三）楔型線夾和UT 線夾

楔型線夾和UT 線夾屬于拉線金具，是用于桿塔至地錨之間連接、固定和調整拉線，其結構如圖1 所示。

圖1 高強度鋁合金楔型線夾和UT線夾的結構

二、工程案例概述

本文以某500kV 高壓輸電線路為例，據資料顯示該地區輸電線路連接金具在遠低于其服役年限下即發生嚴重的磨損失效，給輸電線路造成較大的安全隱患；而且連接金具更換麻煩，造成大量人力和財力的浪費，因此對輸電線路連接金具失效的研究十分有必要。

三、金具失效原因及分析方法

連接金具U 型環的失效主要由材料因素和工況兩方面決定，前者為內因，后者為外因。連接金具的失效總是從金具薄弱環節開始，而薄弱環節又是由上述兩個方面相互作用導致的。

（一）金具U 型環磨損

連接金具除了要承受導線、絕緣子或其他構件自身的質量等各種靜載荷外，還受微風振動、舞動、覆冰、次檔距振動、導線脫冰跳躍等因素影響。在大風情況下，導線背風面會產生較大的渦旋使導線產生一定幅度的位移。位移會帶動連接金具產生一定角度的晃動，從而使上下U 型環的接觸位置產生滑動導致黏著磨損，當在風沙環境下小粒徑的沙粒可能會進入接觸位置，在相對滑動的過程中，導致磨粒磨損。

（二）金具U 型環腐蝕

由于輸電線路所用U 型環絕大部分材質為Q235 表面鍍鋅。當連接金具用于惡劣工況條件下時，表面鍍鋅層在潮濕的環境中會受到酸性腐蝕，使表面鍍鋅層遭到破壞加速連接金具的失效。蝕金具的工作特點也會對其造成腐蝕，連接金具在運行條件下要承受較大的應力，應力使鍍鋅層表面的裂紋快速擴展。在酸雨氣氛中，擴展的裂紋會使腐蝕介質更易進入鍍鋅層，加快連接金具腐蝕速率。當連接金具由于風載或其他因素產生相對滑動時，在酸性環境下，會產生微動腐蝕，腐蝕和磨損交互作用，共同加速連接金具的失效進程。

（三）金具U 型環疲勞研究

金具的疲勞研究可以從以下三個方面進行：第一方面是傳統疲勞壽命研究，通過對連接金具進行疲勞試驗，對斷口宏觀形貌進行觀察，對于由疲勞導致的斷裂失效可在斷口上觀察到疲勞源、疲勞裂紋擴展區、瞬斷區三個典型的疲勞斷口特征，然后再對斷口部位進行金相組織觀察、掃描電鏡、成分分析等闡明疲勞裂紋萌生機理。此方法可較為精確地闡明連接金具疲勞失效原因，但耗費時間較長。第二方面是基于神經網絡等預測模型利用連接金具磨損數據構建連接金具疲勞壽命預測模型。第三方面是利用有限元軟件對連接金具進行疲勞壽命分析或對連接金具進行磨損量仿真，利用建立的磨損量仿真模型預測連接金具達到失效尺寸時所經過的時間。

上述三個方面可互相驗證，從而實現對連接金具疲勞研究的精確性與全面性。疲勞是裂紋在長期周期性交變應力下失穩擴展導致的失效或斷裂，而疲勞裂紋最易在工件內部組織缺陷處、應力集中區域和表面劃痕等位置產生。由此可知，連接金具疲勞失效的影響因素主要有表面質量、結構設計和風載荷。連接金具表面完整性和粗糙度對其疲勞壽命起著決定性作用，金具表面缺陷處在交變載荷下易產生疲勞源；連接金具不合理的結構設計和受載分布會導致其產生應力集中，給連接金具產生疲勞裂紋埋下隱患；風載荷會使連接金具單側受力不均勻，導致其發生擺動，當擺動達到一定程度后會在連接金具薄弱位置產生裂紋。

四、金具失效分析方法

第一，同一類別的金具由于本身制造工藝、規格不同導致形態多樣化，不同形態的同類金具的缺陷也具有多樣性；第二，同一類別的金具正常和缺陷形態差異較小。因此，要想實現對金具缺陷樣本的準確分類，必須對所提取的金具缺陷特征有很高的要求。傳統的金具巡檢主要通過人工檢修，耗時費力的同時檢修效率較低。目前，電力系統已經廣泛采用安全系數較高的直升機和無人機進行輸電線路上金具等重要部件的巡檢工作，但由于拍攝角度的多變性和金具所處背景的復雜性，必須利用目前魯棒性較強的圖像處理算法，并結合金具先驗知識處理其缺陷分類問題，通過對獲得的金具圖像的處理可以判斷出金具是否正常，以及產生何種缺陷隱患，這能夠很大程度地提高輸電線路自動化巡檢的效率。

失效總是從連接金具的薄弱環節開始的，失效金具的殘骸上必然會保留有關失效過程的有用信息。通過對失效殘骸的研究可查明失效的機理和過程，并對失效的原因做出判斷，從而可針對性地采取改進和預防措施。對連接金具進行失效分析可從宏觀和微觀兩個層面進行，由于材料的成分、組織和性能會決定其最終的使用性能，因此在對連接金具進行失效分析之前應查清其成分、加工工藝、工況環境等信息。宏觀分析，利用肉眼或放大鏡對失效金具進行全面觀察，尋找失效部位的有用信息進行拍照取證。微觀分析，在不影響失效金具原有形貌的前提下，對包含有失效信息的典型斷口進行取樣，對其斷口微觀形貌進行觀察。結合金相組織形態分析、化學成分分析、結構分析得出連接金具的失效形式與機理。

五、超高壓輸電線路金具失效預防措施

1.對連接金具進行無損檢測，避免在其缺陷位置由于應力集中而產生裂紋。

2.更換連接金具材質。由于連接金具U 型環大部分材質為Q235，其耐磨性較差，可采用耐磨性能較好的45Mn2 或35CrMo。

3.對連接金具進行表面改性處理。連接金具表面一般為鍍鋅層，而鋅耐腐蝕能力較弱，可通過對連接金具表面噴涂耐磨的高碳鋼、鍍鋁或鋁鋅合金、進行表面強化等來改善連接金具的耐磨性和耐腐蝕性。

4.改變連接金具接觸方式，目的是為增大其接觸面積，從而降低局部接觸應力。例如，用直角掛板替換U 型環，增大連接金具之間的接觸面積。

5.改變連接方式，避免某些部位磨損過度導致連接金具失效。例如，由環環連接改為環鏈連接。

6.為避免連接金具振動，可安裝防震錘。

7.對輸電線路安裝防舞裝置，例如間隔棒、防舞鞭、偏心重錘等，來防止輸電線路舞動，從而帶動連接金具產生微小滑動，使連接金具之間發生磨損。

8.提高對在役連接金具的檢查頻率。

六、結束語

社會對電能的需求量由于受到國民經濟增長的影響進行了大幅度快速試的提升，并且賦予了電力輸送領域全新的生機，也帶來了重大的挑戰。500kV 超高壓輸電線路作為電力系統的重要組成部分，其運行質量具有重要意義。本文結合某500kV 輸電線路金具失效原因及預防措施展開分析，以期促進500kV 超高壓輸電線路運行質量提升。