某輸電線路地線金具斷裂分析

葉建鋒，周學明，沈祎儂

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.湖北方源東力電力科學研究有限公司，湖北 武漢 430077）

0 引言

架空地線為輸電線路的重要部分，雖然其不傳輸電力，但地線斷裂后仍然會造成線路跳閘［1-3］。

架空地線失效一般包括雷擊［4］、鋼絞線腐蝕斷裂［5-12］、鋼絞線鋼錨處壓接質量不良導致鋼絞線從鋼錨中抽出［13-24］，連接鋼絞線及鐵塔之間的金具斷裂［25-27］等情況。

1 概況

某220 kV輸電線路改造工程投運于2020年6月，共有6基新立的桿塔，導線采用2×JL/G1A-630/45鋼芯鋁絞線，雙根地線，其中一根為JLB35-120鋁包鋼絞線，另一根為36芯OPGW光纜。

2021年1月，線路發(fā)生故障，經(jīng)線路運維單位現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)該地線某基鐵塔上的U型掛環(huán)斷裂，導致地線跌落至地面，如圖1所示。

圖1 斷裂U型掛環(huán)在鐵塔上的位置Fig.1 The position of the broken U-RING on the tower

2 試驗與分析

根據(jù)設計文件，該地線的連接方式為使用型號NY-120BG1的耐張線夾壓接地線，然后使用U-10型號的U型掛環(huán)將耐張線夾直接與鐵塔橫擔連接。

2.1 試驗計劃

根據(jù)故障情況和樣品制定表1所示的試驗計劃。

表1 試驗計劃Table 1 Test plans

2.2 外觀檢查

對U型掛環(huán)及鋼錨進行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)U型掛環(huán)內側面和鋼錨的側面均存在明顯的磨損痕跡，但U型掛環(huán)的內凹面和鋼錨的內凹面未見磨損痕跡，如圖2-圖3所示。

圖2 斷裂U型掛環(huán)磨損痕跡Fig.2 Wear marks of broken U-RING

圖3 鋼錨磨損痕跡Fig.3 Wear marks on the steel anchor

從圖2-圖3的磨損痕跡可以判斷，U型掛環(huán)的內側面與鋼錨的外側相互接觸，而U型掛環(huán)的內凹面與鋼錨的內凹面未發(fā)生接觸，這與正常情況下環(huán)-環(huán)連接金具的接觸部位不符。

2.3 尺寸測量

將斷裂U型掛環(huán)U-10拼接后對其尺寸進行測量，結果如表2所示，另外，根據(jù)與斷裂U型掛環(huán)相連接的鋼錨型號（NY-120BG1）查閱資料得到鋼錨的尺寸如表3所示。

表2 U型掛環(huán)尺寸測量結果Table 2 Measuring result of U-RING

表3 鋼錨尺寸Table 3 Size of steel anchor

根據(jù)標準《GB/T 2315-2017電力金具標稱破壞載荷系列及連接型式尺寸》5.3.1規(guī)定，對于直徑大于等于18 mm的環(huán)環(huán)連接時，一個環(huán)的開口寬度應比另一個環(huán)的直徑大4 mm，而根據(jù)實測結果，斷裂U型掛環(huán)的開口寬度僅比與之相連的鋼錨直徑大1.73 mm，可見斷裂U型掛環(huán)與鋼錨的尺寸不匹配。

2.4 光譜分析

對斷裂U型掛環(huán)進行光譜分析，結果如表4所示。

表4 光譜分析結果Table 4 Spectral analysis results

從光譜分析結果可見，U型掛環(huán)的材質牌號與Q235B相符。

2.5 金相分析

對斷裂U型掛環(huán)進行金相分析，結果如圖4-圖5所示。

從圖4-圖5可見，該鋼材內部無明顯夾雜物，組織為鐵素體+珠光體，為鍛造件金相組織，且鋼材表面無脫碳層。

圖4 U型掛環(huán)芯部金相組織Fig.4 Metallographic structure of U-RING core

圖5 U型掛環(huán)邊沿金相組織Fig.5 Metallographic structure of the edge of U-RING

2.6 拉力試驗

使用線切割機將斷裂的U型掛環(huán)取樣進行拉力試驗，結果如表5所示。

表5 拉力試驗結果Table 5 Tensile test results

從表5可見，U型掛環(huán)的力學性能滿足標準《GB/T 700-2006碳素結構鋼》要求。

而根據(jù)《GB/T 2315-2017電力金具標稱破壞載荷系列及連接型式尺寸》，U-10型U型掛環(huán)的材料抗拉強度要求≥500 MPa，且d=16 mm，雖然斷裂U型掛環(huán)的抗拉強度為462 MPa，比標準GB/T 2315-2017低7.6%，但斷裂U型掛環(huán)的d=17.94 mm，其承載截面積比標準GB/T 2315-2017高25.7%，因此總體而言，斷裂U型掛環(huán)的承載能力能滿足標準GB/T 2315-2017的要求。

2.7 斷口分析

對斷裂U型掛環(huán)的斷面進行宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)斷裂起源于U型掛環(huán)的內側面，終止于外側面，且斷面無銹蝕，如圖6所示。

圖6 U型掛環(huán)斷面宏觀圖Fig.6 Macrograph of section of U-RING

為進一步確認U型掛環(huán)是否存在原始缺陷，使用掃描電鏡對斷裂起源部位進行形貌觀察和能譜分析，結果如圖7和表6所示。

圖7 斷裂起源部位形貌Fig.7 Morphology of the origin of fracture

表6 斷裂起源部位能譜分析結果Table 6 Results of energy spectrum analysis of fault origin site

從掃描電鏡分析結果可見，斷裂起源部位的形貌與芯部一致，均為韌性斷口，且起源部位無鋅元素，表明U型掛環(huán)鍍鋅前該部位無缺陷。

3 斷裂原因綜合分析

從光譜分析、拉力試驗和金相分析結果表明U型掛環(huán)的材質為Q235B，制造工藝為鍛造，符合《電力工程設計手冊》對U型掛環(huán)的選材及加工工藝要求。

從斷口分析結果表明，U型掛環(huán)的斷裂起源部位無原始制造缺陷，斷口性質為韌性斷裂。

從尺寸測量結果表明，U型掛環(huán)的尺寸和鋼錨尺寸不匹配，U型掛環(huán)的開口寬度偏小，導致在受拉力的情況下，鋼錨與U型掛環(huán)內側面緊密貼合，無法靈活轉動，從鋼錨和U型掛環(huán)的磨損痕跡中也驗證了這種情況。

最后，由于鋼錨與鐵塔橫擔之間只有一個U型掛環(huán)作為過渡，當鋼錨與U型掛環(huán)之間轉動不暢時，地線上下擺動的載荷無法通過金具間的轉動來抵消，從而使載荷直接傳遞到U型掛環(huán)上，使U型掛環(huán)與鐵塔橫擔發(fā)生碰撞，當擺動載荷在單位面積上所產(chǎn)生的沖擊功大于U型掛環(huán)的沖擊韌性時，U型掛環(huán)便發(fā)生斷裂。

4 建議

1）將該線路其他地線與鐵塔橫擔連接的U型掛環(huán)更換為開口寬度滿足標準要求的U型掛環(huán)。

2）對其他線路進行排查，若發(fā)現(xiàn)地線鋼錨與鐵塔橫擔之間僅有一個U型掛環(huán)進行過渡的情況，則需查閱其設計資料，檢查是否存在U型掛環(huán)與鋼錨尺寸不匹配的情況。

3）對于以后將要建設的工程，做好設計的審查工作［28-34］，建議采用《國家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設計》，避免地線鋼錨與鐵塔橫擔之間僅用一個金具進行過渡。