某500 k V輸電線路球頭掛環斷裂原因分析

田 澤，潘 星，熊 宇，葉建鋒

（1.國網湖北省電力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

球頭掛環是輸電線路關鍵受力部件之一，在架空輸電線路中主要用于導線絕緣子串與桿塔掛點的連接，球頭掛環的球頭、球腳與桿部連接處存在明顯截面變化，截面突變處不僅應力集中水平很高，而且在振動載荷下極易產生疲勞裂紋［1-10］。相關研究表明，球頭掛環斷裂是引發線路掉線故障的最主要原因之一［11-18］。球頭掛環斷裂的原因主要有球頭掛環制造過程產生原始缺陷導致斷裂、安裝工藝不合理導致金具卡澀和受力不合理、惡劣氣候下受到過大的動載荷［19-28］和長期運行后腐蝕和磨損導致開裂［29-32］。本文通過對斷裂的球頭掛環進行尺寸檢查、硬度檢驗、光譜分析、金相分析和斷口分析，總結了球頭掛環斷裂的原因，并提出了檢測球頭掛環缺陷的手段和避免同類故障發生的建議。

1 試驗與分析

1.1 現場分析

球頭掛環斷裂故障線路為某500 kV超高壓輸電線路，于2002年4月22日正式投運，線路全長161.444 km，設計最大風速27 m/s，故障段始于313號桿塔，止于324號桿塔，故障點為一回322號，桿塔型號為ZB3-39，絕緣子采用單串28片，導線型號為4×LGJ-400/50，球頭掛環型號為QP16，與之配合使用的金具掛點側為UB掛板，導線側為絕緣子碗頭鋼帽。

故障發生于2020年01月12日，故障當天現場天氣情況為晴天，氣溫在0℃～13℃，氣象局風速觀測數據為26.2 m/s，達到10級標準，巡檢人員現場風速測量數據為21.28 m/s。依據湖北電網2019年版舞動區域分布圖，該區域為I級舞動區，此前未觀測到線路舞動的情況。

故障發生后，現場檢查發現，322號桿塔的中相絕緣子串球頭掛環斷裂，導線掉落在桿塔瓶口處，導線掉落情況如圖1-圖2所示。

圖1 斷裂球頭掛環懸掛點Fig.1 Suspension point of broken ball-eye

圖2 斷裂球頭掛環絕緣子Fig.2 Insulator string of broken ball-eye

登塔檢查發現，中相導線絕緣子串懸掛點連接形式為：直角掛板—球頭掛環—絕緣子鋼帽。掛板受懸掛點附近鐵塔鋼結構（如圖1紅圈所示）的限制，不能沿橫線路方向（即垂直于線路方向）自由擺動，只能在順線路方向（即平行于線路方向）上活動，導致球頭掛環受限制，當導線沿橫線路方向舞動幅度較大時，金具會與鋼構架發生碰撞，產生較大沖擊載荷。

通過現場檢查發現，該連接形式的球頭掛環擺動幅度受限，當導線受到舞動載荷而擺動幅度較大時，球頭受到的來自絕緣子串的載荷無法通過自由擺動釋放，在球頭掛環內產生很大的沖擊載荷。這點可以從球頭和碗頭結合（如圖3）處擠壓痕跡得到驗證。

圖3 球頭掛環斷口形貌Fig.3 Fracture morphology of broken ball-eye

1.2 宏觀檢查

斷裂的球頭掛環型號為QP16，斷裂位置為球頭和桿部連接位置，球頭掛環（如圖4）圓環上方有明顯的擠壓變形痕跡，球頭與碗頭接觸面有約3/5的面積磨損，其中兩個位置磨損嚴重，未磨損部位應為碗頭的開口方向（碗頭開口處球頭和碗頭無接觸，如圖5）。

圖4 斷裂的球頭掛環Fig.4 Macromorphology of broken ball-eye

圖5 球頭和碗頭連接示意圖Fig.5 Connection form of ball head and bowl head

對球頭磨損最嚴重的位置和其他位置進行鍍鋅層測量，發現2個磨損最嚴重位置的鍍鋅層厚度分別為4.3μm和10.7μm，磨損次嚴重位置的鍍鋅層厚度為25.3μm和40.3μm，其他未磨損位置的鍍鋅層厚度為90.1μm至110μm之間，未磨損處鍍層厚度滿足產品標準的要求，磨損處鍍層厚度減薄明顯。

球頭磨損最嚴重的兩處對稱分布于未磨損部位兩側，且磨損程度基本接近，表明球頭在這兩點連線的方向受力平衡，且球頭和碗頭相互運動未收到嚴重阻礙，說明球頭在1點和2點連線方向自由度足夠。碗頭為一端開口的結構，當球頭以1點和2點連線為軸線擺動且運動受到阻礙時，將會在球頭變截面處產生較大的沖擊載荷，磨損次嚴重部位存在明顯擠壓變形痕跡，說明該部位曾受到過較大沖擊載荷。

從斷口宏觀形貌可以看出，陳舊斷口處有4處順線方向的剪切唇，證明球頭掛環變徑處曾經受到較大載荷導致產生瞬時塑性開裂。

1.3 尺寸檢查

對球桿和球頭的直徑進行測量，球桿的平均直徑為19.42 mm，球頭的平均直徑為39.70 mm。

根據《GB/T 4056-2008絕緣子串元件的球窩連接尺寸》判斷，該球頭掛環的連接標記為20。

使用20的通止規對球頭進行通止規檢查，檢查結果均合格，說明球頭的連接尺寸標準要求。

使用20的通止規對與球頭相連接的絕緣子球窩進行檢查，球窩的尺寸也標準要求。

1.4 光譜分析

對斷裂的球頭掛環進行光譜分析，分析結果如表1所示，其化學成分滿足標準《GB/T 699-2015優質碳素結構鋼》對45號鋼的要求。

表1 球頭掛環光譜分析結果Table 1 Spectral analysis results of ball head hanging ring

1.5 硬度測量和強度換算

由于球頭掛環無法進行拉力試驗取樣，本文通過硬度和強度換算法對球頭掛環的力學性能進行校核。

對斷裂的球頭掛環進行硬度測量，實測硬度值為197 HBW、196 HBW、197 HBW，根據標準《GB/T 1172-1999黑色金屬硬度及強度換算值》換算后，該球頭掛環材料的抗拉強度為686 MPa，滿足標準《GB/T 699-2015優質碳素結構鋼》對45號鋼抗拉強度≥600 MPa的要求。

按照標準《GB/T 699-2015優質碳素結構鋼》規定，45號鋼的抗拉強度下限值為600 MPa，屈服強度≥355 MPa，伸長率≥16%。結合球頭掛環桿部實測桿徑（均值：19.42 mm），45號鋼球頭掛環的設計破壞載荷為≥177.7 kN，而QP16的標稱破壞載荷為160 kN，因此選用45號鋼能滿足QP16的要求；45號鋼伸長率為≥16%，也符合標準《DL/T 759-2009連接金具》第5.1.1條，“鋼及合金鋼的伸長率應不低于12%”的要求。

綜上所述，該球頭掛環的選材滿足要求。

1.6 金相分析

對斷裂的球頭掛環進行金相分析，如圖6所示。腐蝕前未見非金屬夾雜物，腐蝕后的金相組織為珠光體+鐵素體，未見鑄造組織，表面有約200μm的部分脫碳層（即珠光體含量比中心部位少的組織）。

圖6 斷裂球頭掛環金相組織和脫碳層Fig.6 Metallographic structure and decarburization layer of broken ball-eye

對同批次另一新的球頭掛環（型號同樣為QP16）進行了金相分析，如圖7所示，發現斷裂球頭掛環和新的球頭掛環金相組織基本相同。

圖7 同批次未斷裂球頭掛環金相組織和脫碳層Fig.7 Metallographic structure and decarburization layer of unbroken ball-eye with same lot

從金相組織可以判斷，該球頭掛環的制造方法為鍛造，滿足《電力工程設計手冊架空輸電線路設計（2019年版）》對球頭掛環制造方法的要求。

1.7 斷口分析

對圖8-圖9中區域1～區域4進行能譜分析面掃描（其中區域1、2為“快速開裂區域”，區域3、4為“最終瞬間斷裂區域”），發現區域1、2表面鋅含量（質量百分比）分別為32.52%和39.77%，鐵含量分別為6.42%和8.13%；而區域3、4表面鋅含量分別0.28%和0.48%，鐵含量分別為85.52%和73.51%，能譜分析記錄詳見表2，可見快速開裂區域存在大量鋅元素。

表2 球頭掛環能譜分析結果Table 2 Energy spectrum analysis result of ball head hanging ring

圖8 斷口微觀形貌及能譜分析區Fig.8 Fracture morphology and energy spectrum analysis area of broken ball-eye

圖9 斷口能譜分析區域Fig.9 Fracture morphology and energy spectrum analysis area of broken ball-eye

2 斷裂原因綜合分析

光譜分析、硬度測量和金相分析結果表明，球頭掛環的選材、材料性能和制造方法均符合標準要求，金相組織中未見超標的非金屬夾雜物，說明球頭掛環在生產過程中未出現家族性的制造缺陷，制造過程滿足要求。

尺寸測量和通止規檢查結果表明球頭掛環、與球頭掛環連接的絕緣子球窩尺寸均符合標準要求，球頭和球窩接觸面存在明顯磨損痕跡，鍍鋅層減薄明顯，說明球頭和球窩配合處未見明顯卡澀現象，這說明球頭掛環開裂不是因為球頭和球窩活動受阻導致。

由于橫擔懸掛點處塔材對金具擺動的限制作用，當線路舞動幅度較大時，可能與塔材產生撞擊，產生很大的沖擊載荷。

斷面能譜分析結果顯示，陳舊性損傷區域中的快速開裂區域存在大量鋅元素，損傷區出現鋅元素的原因可能有兩種：

1）球頭掛環鍍鋅前即存在加工缺陷，鍍鋅時鋅滲入缺陷內部；

2）球頭掛環運行后開裂，球頭掛環和碗頭磨損產生的氧化鋅的懸濁液滲入斷口區，由于球頭和球窩接觸點位于斷裂區的下方，所以氧化鋅和水形成的懸濁液不會向上移動進入裂紋中，因此該可能性可以排除。

綜上所述，球頭掛環斷裂的原因為：球頭掛環在制造過程中產生偶發性裂紋缺陷，形成原始缺陷，鋅液在熱鍍鋅過程中進入裂紋缺陷中。安裝運行后，在某次較大、且速度較快的載荷作用下產生局部開裂，形成剪切唇斷面，隨后局部斷裂區在運行載荷作用下緩慢擴展，形成疲勞擴展區，最后較大載荷作用下瞬間斷。

3 結語

1）建議廠家對重要的金具鍍鋅前進行100%磁粉檢測。

2）建議在入網抽檢階段，對球頭掛環進行磁粉檢測，重點檢測球頭和球桿連接位置。

3）建議對重要線路和工況復雜惡劣的線路，結合停電檢修計劃，不定期更換部分舊的金具串，對其性能和表面缺陷進行檢測，檢查其力學性能是否惡化及表面是否產生初期裂紋。