220 kV線路U型掛環(huán)斷裂故障分析①

黃 蓉，謝 億，馮 超，王 軍，曹先慧

（1.湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司，湖南 長沙410004；2.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙410007）

U型掛環(huán)和線夾鋼錨是電力輸電線路上的通用金具。U型掛環(huán)常用于架空電力線路和變電站聯(lián)結(jié)絕緣子或鋼絞線與桿塔的固定；線夾鋼錨用來將導(dǎo)線（包括避雷線）固定在非直線桿塔的絕緣子串上，也用來固定拉線桿塔的導(dǎo)線。因此其對高壓輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著非常重要的作用［1－4］。

在電力線路中電力金具是關(guān)系到線路安全運(yùn)行的重要部件，金具的失效或損壞將導(dǎo)致線路的破壞和斷電，因此，金具必須具有很高的可靠性［5－6］。

1 故障概況

近期電網(wǎng)某供電公司運(yùn)維的220 kV某線路B相故障跳閘，故障巡視發(fā)現(xiàn)牽引站終端塔左側(cè)架空地線連接金具發(fā)熱燒傷，導(dǎo)致架空地線脫落到導(dǎo)線上跳閘，右側(cè)架空地線與鐵塔連接處在高鐵經(jīng)過時(shí)有發(fā)熱紅點(diǎn)。

終端塔塔型DJC31A－21，前側(cè)檔距63 m，地線型號XGJ－100，耐張線夾型號NY－100G，U型掛環(huán)型號U－10，鋼錨和掛環(huán)材質(zhì)均為Q235A，該線路于2009年11月份投運(yùn)。

2 斷裂故障分析

2.1 宏觀檢查

故障處U型掛環(huán)和鋼錨表面均未明顯銹蝕，U型掛環(huán)在底部已完全斷開，斷口部位磨損痕跡明顯，并有高溫變色痕跡，見圖1和圖2。鋼錨與U型掛環(huán)接觸處內(nèi)側(cè)磨損減薄嚴(yán)重，整個(gè)鋼錨鋼環(huán)均有高溫變色，見圖3。

圖1 U型掛環(huán)斷口形貌

圖3 線夾鋼錨磨損和高溫變色形貌

2.2 金相分析

用電火花線切割的方法對U型掛環(huán)斷裂處和遠(yuǎn)離斷口處取樣進(jìn)行金相組織分析，發(fā)現(xiàn)斷口附近金相組織異常，為過熱魏氏體組織［7］，見圖4；而對遠(yuǎn)離斷口組織為鐵素體和珠光體，屬于正常的Q235A鍛造組織，見圖5。

2.3 化學(xué)成分分析

對U型掛環(huán)和線夾鋼錨進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢測結(jié)果詳見表1。由表1可知，2種金具的化學(xué)成分均符合GB／T 700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》［8］標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 斷口附近金相組織

圖5 遠(yuǎn)離斷口金相組織

表1 金具化學(xué)成分檢測結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）／%

2.4 硬度檢測

對U型掛環(huán)斷口附近異常組織和遠(yuǎn)離斷裂的正常組織進(jìn)行維氏硬度檢測，硬度檢測取樣方法參見文獻(xiàn)［9］。測得斷口異常組織、遠(yuǎn)離斷口正常組織的平均硬度分別為130.6HV和114.2HV，斷口附近異常組織顯微硬度較正常組織高。

2.5 金具載荷計(jì)算

依據(jù)故障發(fā)生單位提供的地線檔距、放線應(yīng)力等數(shù)據(jù)，采用有限元軟件Midascivil 8.65對該地線進(jìn)行了仿真力學(xué)模擬計(jì)算，受力云圖如圖6所示。U型掛環(huán)與地線鋼錨處的應(yīng)力最大，軸向拉力為21.2 kN。

2.6 掃描電鏡分析

采用掃描電鏡分析U型掛環(huán)磨損表面的形貌［8－9］，取樣位置見圖3，U型掛環(huán)磨損表面的形貌見圖7。磨損表面呈現(xiàn)顯著的黏著磨損特征，高倍下發(fā)現(xiàn)，磨損表面存在裂紋特征。表面呈現(xiàn)出球狀金屬塊被擦傷的特征，這是金屬快速熔融后快速凝固形成的球狀金屬，在隨后的磨損過程中被擦傷。

圖6 設(shè)計(jì)竣工工況作用下拉索單元內(nèi)力（高懸掛點(diǎn)21.2 kN）

圖7 U型掛環(huán)磨損形貌

3 故障原因分析

U型掛環(huán)和線夾鋼錨成分正常，遠(yuǎn)離斷口處的顯微組織為Q235A典型鐵素體加珠光體，說明金具本身的質(zhì)量合格。

U型掛環(huán)和線夾鋼錨在接觸受力處發(fā)生失效，斷口有高溫變色，金相顯微組織檢測發(fā)現(xiàn)斷口附近組織異常，與遠(yuǎn)離斷口的顯微組織明顯不同，且該處的維氏硬度比正常組織的維氏硬度高，說明該部位存在高溫，其溫度超過了鐵碳FeC相圖AC1轉(zhuǎn)變溫度（727℃）。同時(shí)，故障巡視時(shí)發(fā)現(xiàn)右側(cè)同部位存在發(fā)熱紅點(diǎn)，確定該處有電流導(dǎo)致的發(fā)熱，進(jìn)一步佐證該處存在高溫。另外據(jù)牽引站提供數(shù)據(jù)，無高鐵通過時(shí)該架空地線接地引下線電流大小約為70 A，高鐵通過時(shí)，地電位抬升，該部位的電流應(yīng)該會瞬間增大，地線鋼錨與鐵塔掛環(huán)接觸處的溫度會進(jìn)一步升高。

同時(shí)，U型掛環(huán)與地線鋼錨屬于活動(dòng)連接，力學(xué)分析該處的軸向拉力達(dá)到21.2 kN，日常運(yùn)行中U型掛環(huán)和鋼錨接觸點(diǎn)會發(fā)生碰磨。U型掛環(huán)和鋼錨材料均為Q235A，常溫下該材料可以適應(yīng)磨損工況，但在高溫環(huán)境下，其材料的強(qiáng)度及硬度均會下降，且溫度越高性能惡化越嚴(yán)重，接觸部位的磨損也越多。該線路從2009年投入運(yùn)行以來已經(jīng)超過10年，長期運(yùn)行最終導(dǎo)致接觸部位磨損斷裂失效。

4 隱患排查

4.1 排查情況

對湖南省高鐵、地鐵牽引站在相近工況條件下使用U型掛環(huán)和線夾鋼錨的供電線路共192條進(jìn)行了排查，其中220 kV線路56條。排查具體情況如下：存在隱患的線路共116條，其中220 kV線路38條。

4.2 治理建議

針對存在的兩類隱患情況：架空地線與站內(nèi)地網(wǎng)直接短接、終端塔地網(wǎng)與站內(nèi)地網(wǎng)相連，分別提出治理建議。

4.2.1 架空地線與站內(nèi)地網(wǎng)直接短接

全省共有114條線路存在架空地線與站內(nèi)地網(wǎng)直接短接的情況，其中有38條220 kV線路。經(jīng)查有7條線路存在地線金具燒蝕情況，建議對存在燒蝕情況的地線進(jìn)行更換，更換時(shí)在金具連接部位加裝多根預(yù)絞絲進(jìn)行分流，提高金具連接部位導(dǎo)流能力。該方案通過降低通過金具的電流來降低金具電腐蝕發(fā)生的概率。

架空地線與站內(nèi)地網(wǎng)直接短接有3種類型，分別為絕緣子間隙短接75條、通過接地引下線接地網(wǎng)23條和架空地線未經(jīng)絕緣子接門架16條。

1）針對絕緣子間隙短接的情況，建議與鐵路部門協(xié)商，拆除短接裝置恢復(fù)放電間隙，保證絕緣子的有效絕緣。

2）針對通過接地引下線接地網(wǎng)的情況，建議與鐵路部門協(xié)商，拆除接地引下線，使地線通過地線絕緣子接地。

3）針對架空地線未經(jīng)過絕緣子接門架的情況，建議在地線和門架之間加裝帶間隙地線絕緣子。

4.2.2 終端塔地網(wǎng)與站內(nèi)地網(wǎng)相連

全省共有19條線路存在終端塔地網(wǎng)與站內(nèi)地網(wǎng)相連的情況，其中9條220 kV線路。在終端塔地網(wǎng)與站內(nèi)地網(wǎng)相連的線路中，有17條線路同時(shí)存在架空地線與站內(nèi)地網(wǎng)直接短接的情況。

終端塔地網(wǎng)與站內(nèi)地網(wǎng)相連時(shí)，建議對相關(guān)線路接地進(jìn)行開挖，斷開終端塔與牽引站地網(wǎng)的連接。針對其中同時(shí)存在架空地線與站內(nèi)地網(wǎng)直接短接的情況，還需根據(jù)短接方式對牽引站門架與地線連接處采取相應(yīng)措施，切斷地線與站內(nèi)地網(wǎng)的直接連接。

5 結(jié)論及建議

U型掛環(huán)和線夾鋼錨的材質(zhì)、金相、硬度等性能指標(biāo)均合格，其斷裂的主要原因是高鐵運(yùn)行經(jīng)過時(shí)地線存在電流通過，U型掛環(huán)與線夾鋼錨接觸不良發(fā)熱進(jìn)而發(fā)生高溫磨損，長期運(yùn)行后最終導(dǎo)致斷裂失效。因此建議：①對全省高鐵、地鐵牽引站在相近工況條件下使用U型掛環(huán)和線夾鋼錨的供電線路進(jìn)行隱患排查，針對性的治理存在隱患的線路。②對全省高鐵、地鐵牽引站線路終端塔地線其他金具進(jìn)行排查，并針對性治理。③在U型掛環(huán)與線夾鋼錨連接處加裝引流線，利于過流，避免因接觸不良引起發(fā)熱而導(dǎo)致高溫磨損。