220kV線路耐張線夾斷裂原因分析及建議探究

鄭松

（廣州電力工程監理有限公司，廣東廣州，510000）

0 前言

隨著中國電網建設快速發展，輸電電壓等級逐步提高，因此對輸電線路使用的耐張線夾的各種性能要求日益提升。耐張線夾(Strain clamp)是高壓輸電電網中重要的電力金具，其主要作用是固定避雷器、輸電導線到非直線桿塔耐張絕緣子串，實現線路轉角、導線接續以及高線線路終端輔助減震、連接和保護作用。有效避免空中鳥類、凝露、冰柱雪塊、污穢等物體搭接到桿塔上，造成閃絡、觸電等事故；同時也可以安裝在變電站等電氣設備上，防止鹽霧、酸雨等化學氣體對變壓器等電氣設施造成侵蝕。耐張線夾一旦失效，將會導致線路中斷，引發重大安全事故。很多電力企業和研究機構通過不同試驗手段和監測方法，對線夾損傷機理進行深入研究，研究表明由于線夾本身制造質量不合格，容易造成壓接差；線夾疲勞、老化導致一些電解質液滲入到線夾內部，形成內部腐蝕，電阻值迅速增加，引起局部溫升過高，加速性能退化；交變電流能夠誘導金屬材料加速腐蝕，同時交變電流通過引起也容易引起局部溫度過高；另外由于施工缺陷或惡劣環境也容易造成線夾失效。由于長期腐蝕和發熱影響，一旦積累至臨界值容易造成線夾高溫燒損斷裂或爆裂、電弧放電，導致線夾斷裂失效[1]。

1 220kV線路耐張線夾斷裂原因分析

1.1 耐張線夾腐蝕環境和狀態分析

耐張線夾金屬材料由于長期暴露在自然環境（海水、大氣、硫化物、酸、堿、鹽）中，金屬材料表面與水氣、氧氣、二氧化硫、硫化氫等腐蝕介質產生化學、電化學等作用，造成金屬材料原子產生氧化失去電子而引起金屬腐蝕的一種現象。耐張線夾發生金屬腐蝕后，其機械屈服強度、抗拉強度、延伸率導電性等一些基礎性能會出現衰減現象，這種腐蝕達到一定臨界狀態后，會造成金屬材料出現裂紋、穿孔、斷裂等。耐張線夾金屬材料一般為鋁質和鐵質，鋁材表面容易產生氧化物膜層，該膜層質硬且致密，能夠形成良好的保護基體，而鐵材料表面氧化物松散，具有很強的吸水性，容易加速氧化腐蝕。金屬材料電化學腐蝕具有極強的原電池效應，由于金屬元素、雜質、表面附著物等存在，化學反應過程金屬材料表面為陽極產生氧化反應，腐蝕介質為陰極發生還原反應，會產生電流而加速金屬材料的腐蝕。另外研究發現，溫度會促進金屬材料的腐蝕，因為溫度升高時，增加了大氣環境中氧氣擴散的系數，引起溶解氧加速遷移到腐蝕介質形成原電池結構陰極表面，形成去極化；溫度升高大大提高了電解質溶液的導電性并降低溶液濃度，引起腐蝕電流不斷增大；促使原電池效應去極化作用，從而加速金屬腐蝕。再有自然環境中由于雨水具有弱酸特性，特別環境下會呈現極強的酸性，在這種狀態下容易溶解大氣中的二氧化碳、硫氮氧化物而形成酸性物質，進一步降低雨水PH值形成酸雨(PH＜5.6)。研究發現酸雨PH值越小，金屬腐蝕電流越大，越容易造成金屬腐蝕。另外，由于雨水中含有F-、 Cl-、 K+、Na+等離子，也會加速金屬腐蝕[2]。

由于耐張線夾與鋼芯鋁絞線按照壓接工藝形成結合面，結合部位和線纜鋼芯之間有縫隙，雨水等電解質溶液會滲入到耐張線夾內部引發內部縫隙腐蝕和幾百-幾千安培的交變電流腐蝕，這兩種腐蝕對耐張于線夾極具破壞性。

1.2 NY-400型耐張線夾斷面分析

通過對NY-400型耐張線鋁管斷裂面分析，如圖1所示。發現斷裂位置為鋁管中部鋼錨口端面附近，斷口兩側出現頸縮變形現象，在鋼錨口的端面和鋁管內壁出現鋁飛濺熔化痕跡，絞線鋼芯絲在鋼錨口附近斷裂，鋼芯絲表面氧化嚴重[3]。

圖1 斷面實物圖

割除鋼錨外鋁管，發現存在分段壓接痕跡。進一步沿縱向割開鋼錨繼續檢查，發現鋼錨內鋼芯絲無斷股，壓接比較緊密，存在明顯高溫氧化燒損及腐蝕現象。由外向內其內部宏觀形態為殘余干結區、白色腐蝕區和黑色沉積區。在干結區內側，線夾內面和各層鋁線股間存在大量白色塊狀（粉末）狀腐蝕物，耐張線夾端頭為內部腐蝕。由于高溫燒損，鋼錨與鋁導線間隙處鋼芯絲沒有進一步作顯微組織分析。

1.3 微觀形貌及成分分析

對耐張線夾端口局部顯微放大，鋼芯鋁絞線上延伸到端口1 cm處，附著大量焦黑（或黃色）堆積物質，堆積物呈絲網狀(塊狀)分布,可判斷相對耐張線夾，因持續軸向應力作用，鋼芯鋁絞線存在滑移現象，如圖2所示。

圖2 局部顯微圖

利用能譜儀(EDS)進行掃描并對斷面部位化學成分進行檢測，EDS掃描發現，S,P元素呈現掃描線上中間位置，出現中部向兩邊降低波峰，說明長片狀物質是含硫、含磷化合物，堆積物是保護材料并出現干結現象。Si、O元素在掃描線上為明顯的兩個富含氧的Si化合物峰，說明空氣中灰塵在端口處出現沉積現象。在堆積物主要包含Fe,Al,C,O,Si,S,P,Zn等元素，其中Al、C、 O、 S、 Si元素較多。隨機取樣斷裂處的微觀組織金相檢驗，金相組織形貌如圖3所示。鋼芯絲外是鍍鋅層，鍍鋅層局部有脫落現象微觀組織中存在孔洞，鋼基體金相組織是珠光體+鐵元素，無明顯氣孔、裂紋以及夾雜物等異常組織[4]。

圖3 微觀組織金相檢驗圖

2 耐張線夾結構失效機理分析

基于以上分析，耐張線夾結構失效機理為耐張線夾機構長期處于自然環境中，且長期處于高負載、高應力作用下出現老化疲勞，沿耐張線夾端口酸性雨水長期滲入線夾內部，形成電化學液體腐蝕狀態，造成線夾端口腐蝕，線夾機構存在高頻次大電流（交變電流），在交變電磁場作用下，造成線夾內部加速腐蝕。在由于金屬表面氧化物電阻值大，導電性差，產生局部高溫且無法消散，在高溫作用下電介質處于熱擊穿狀態，電離引起電弧放電，加速了線夾內部腐蝕。高溫及電弧放電造成端口密封材料老化并迅速不完全燃燒，形成煙霧沿鋁線縫隙向耐張線夾內部擴散，出現黑色沉積層。長期深度腐蝕積累效應達到某一臨界值時造成線夾斷裂失效。

3 結論

近幾年，國內220kV及以上高壓輸電線路耐張線夾因安裝缺陷、內部腐蝕等引起的斷裂事故。由于環境因素、高溫、電化學腐蝕、交變電流作用等容易造成耐張線夾發熱并加速腐蝕， 溫度升高造成交變應力，使線路鋼芯絲表面產生疲勞裂紋，并在積累效應作用下逐步擴散發展，當在機械應力和熱應力達到某臨界值時，造成耐張線夾失效并瞬間斷裂。所以，結合無人機、DR工業射線圖像缺陷識別等技術，加強線路巡檢，確保高壓輸電線路運行安全。