輸電導線破損特征及誘發因素

溫晨飛，周 超，李 林，趙澤中

（華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 100096）

0 引言

輸電線路是電力傳輸的重要組成部分，其安穩運行是電力工業發展的前提和基礎。近年來，受到極端天氣的影響，如臺風、冬雨和雷暴等天氣，導致輸電線路導線破損事件頻繁發生，嚴重影響線路的運行與維護工作。

在輸電線路故障中，由導線破損造成的股線斷裂危害最為典型。例如：500 kV湖南船星Ⅰ線在巡檢時發現，其中一根子導線在懸垂線夾出口處鋁股線全部斷裂；500 kV荊門—宜興線巡檢時發現，導線在懸垂線夾處發生嚴重破損；500 kV梧州某線在巡檢時發現，其中一根子導線在線夾處全部斷裂；四川某220 kV線路在檢查時發現，其中一根子導線在線夾處全部斷裂[1-4]，導線的斷裂給人們造成了嚴重的經濟損失，帶來了嚴重危害。

正是因為導線長期在野外工作，由于氣候環境的差異性，導線會受到受極端天氣的影響，例如臺風、冬雨和雷暴等天氣。針對導線破損的不同因素，國內外專家學者，針對于輸電線路在不同工況下，不同金具處，進行了非常多的研究。但導線的破損模式進行識別和分析是一個復雜的工程問題，如有沖擊載荷造成的導線機械損傷；長期振動造成的疲勞損傷；安裝過程造成的損傷和運行過程的腐蝕破壞等。往往針對某一處破損導線的研究，都要重新經過復雜的實驗驗證與理論分析，無法有效迅速的給出導線斷裂誘因的判斷。

因此，對導線破損事故進行更準確的破損誘因的判斷以及對線路運行安全維護給出更合理的預測，本文將根據導線破損報告，對導線破損模式與破損特征進行系統的分類，并依據國內外學者的導線破損機理分析，得出導線破損模式相應的破損機理。

1 微動損傷的破損特征與破損誘因

1.1 微動損傷的破損特征

微動損傷中的微動是指在接觸構件之間的接觸表面上位移幅值很小的（微米量級的）、反復的相對滑動。當這種出相運動對構件表面造成機械損傷時，稱這種機械損傷為微動損傷。根據微動損傷的不同特征，可將為微動損傷分為微動磨損，微動疲勞，微動腐蝕3種[5]。

懸垂線夾附近是導線出現微動損傷的多發部位，且股線的磨損現象嚴重，因此以懸垂線夾附近的導線為對象，例舉說明微動磨損破損特征。

1.1.1 微動磨損

根據國網安徽電力公司項目中王熙所做的導線疲勞實驗數據[6]，導線之間存在著不同的磨損斑貌（圖1）。由于懸垂線夾對導線的固定作用，使得靠近線夾不同位置處，導線的力學特性是不同，導致接觸面磨損的形貌特征也各不相同，根據磨損形貌特征將磨損區分成微動粘著區、微動滑移區和微動混合區3種。

圖1 股間磨損形貌圖[6]

（1）微動粘著區一般位于線夾壓板下方的股線，導線受到壓板與線夾的作用，受到很大的擠壓力，導線接觸表面發生塑性變形，出現明顯的壓痕。該區域內不存在磨損或磨損較輕，股線的表面無明顯裂紋，只存在少量微裂紋。

（2）微動混合區在導線和線夾最后接觸點位置到壓板之間，導線表面存在明顯的壓痕。股線的表面存在微動磨損痕跡，并含有大量深度和長度都比較大的裂紋。

（3）微動滑移區在導線與線夾接觸點以外的區域，導線受到較小的徑向擠壓，無明顯的塑性變形。導線表面存在明顯的微動磨損痕跡，有塊狀物體剝落，且有大量微裂紋產生[5]。

1.1.2 微動疲勞

導線的微動疲勞是疲勞與股線微動磨損共同作用的一個過程，股線的微動磨損誘發了股線表面產生大量的微裂紋，微動疲勞使得股線表面的微裂紋進一步擴展，最終導致股線斷裂。

根據Azevedo等人所做架空導線疲勞試驗[7]，得到的股線疲勞斷口形貌示意圖如圖2所示。斷口形貌可分為3類，分別是平面斷口、V形斷口和45°斜斷口。當導線受到的振幅小于0.9 mm時，股線主要受軸向張力影響，受剪切應力作用相對較小，股線疲勞裂紋的擴展方向與股線的軸向垂直,在交變應力的作用下發生脆性斷裂，從而形成平面斷口；當導線的振幅超過1.3 mm時，股線受到剪切應力影響較大，裂紋沿著與應力軸成45°角的方向延伸，形成45°斜斷口。股線在受到張拉載荷時，由于表層金屬比心部金屬變形大，從而導致股線在軸心方向上的表層金屬產生附加壓應力，在心部形成附加拉應力，而當附加拉應力較大時，使得變形區內中心區域的平均正應力變為拉伸應力，使得中心產生裂紋。又因為在軸向上心部比外層的金屬流動速度快，所以裂紋成V形，最終形成V形斷口[8]。

圖2 股線疲勞斷口形貌[9]

1.1.3 微動腐蝕

微動腐蝕是指導線在大氣中受水分、化學氣體和鹽類物質等侵蝕性介質的影響下發生化學反應，導致股線的表面脆化，股線的外表面存在明顯的腐蝕痕跡（圖3）。當其表面的脆化層脫落時，腐蝕碎屑會夾存于線股之間，加劇導線之間的微動磨損，使其抗拉強度大幅度降低，造成股線斷裂，嚴重縮短了股線的使用壽命。

圖3 股線外表面腐蝕示意[7]

1.2 微動損傷的破損誘因

1.2.1 導線振動實驗

針對KE（導線上部與線夾最后接觸點位置）和LPC（距線夾出口89 mm處）之間的導線建立如圖4所示的實驗平臺，拆除被測股線兩側的鋁股，在被測股線的上端和左右兩端布置應變片，監測導線在不同振幅、不同軸向張力下，被測股線的應力變化。研究結果表明，當導線受靜載荷或動載荷時，股線所受的應力隨軸向張力和振幅的增大而增大，在KE和LPC之間的股線應力先減小后增大，在約束端導線所受的應力最大。

圖4 試驗平臺總體結構布置示意

導線的振幅不僅影響導線危險截面的位置，而且對股線疲勞斷口的形貌特征也有一定作用。對股線斷口形貌進行研究，結果表明：導線的振幅小于0.9 mm時，由于股線的振幅較小，股線受到的剪切力相對較小，股線裂紋的擴展方向與導線軸向垂直，為平面斷口，平面斷口主要出現在外層股線；導線的振幅大于1.3 mm時，在剪切力的作用下股線疲勞裂紋擴展的方向與股線的軸向方向呈一定角度，股線的斷口主要為V形斷口和45°斜斷口。

經過試驗表明，導線的振幅和軸向張力對導線應力的影響較大，導線的振幅和軸向張力越大，導線所受的應力越大；越靠近導線的約束端，導線所受的應力越大，在線夾附近出現應力集中現象，KE和LPC之間的導線應力隨位置的變化較為明顯，處于導線的微動混合區，最易誘發裂紋的產生和擴展。并且有大量的實驗表明，股線的斷裂位置位于KE和LPC之間[10]。

1.2.2 有限元分析

馬行馳以ACSR—720/50型架空輸電線為研究對象，運用ANASYS軟件構建架空導線的幾何模型對有限元模型進行適當處理，確立了模型求解的邊界條件，進行相應的數值模擬[11]。黃欲成以大跨越導線為例，考慮到股線泊松比的影響，提出大跨越股線軸向張力計算方法，通過耦合同層和相鄰層節點模擬各層股線之間的接觸邊界條件，重點研究張力作用下導線鋼芯和鋁股的空間應力分布規律[12]。趙新澤建立了通用的絞制線鄰層線股間的微動接觸模型，分析接觸壓力、軸端拉力、摩擦系數等微動參數對接觸區應力分布的影響[13]。秦力建立了導線的實體模型，模擬分析了導線在實際運行過程中受到拉力、剪力和彎矩以及線夾擠壓力時外層股線與線夾接觸部位的應力分布情況[14]。趙美云以LGJ系列鋼芯鋁絞線為主，考慮到導線在野外長期受到微風振動的作用，易引起導線的疲勞斷股和磨損，建立了導線接觸有限元模型，進行導線在不同靜張力下和微風振動條件下的動態力學分析[15]。Sebastien Lalonde和Raynald Guilbault提出了一種中間有限元建模方法，結合梁接觸算法模擬了股線之間的接觸，分析導線的彎曲載荷、軸向張力和摩擦因數[16]。

仿真結果表明，導線在軸向張力的作用下，鋼芯承受了約60%的張力，鋁股共同承擔了40%的張力；鋁股的等效應力和切應力由外層向內層逐漸增大，越靠近懸掛點股線所受邊界約束的影響越大，股線受到的應力越大；相鄰股線的軸向應力峰值呈現相位差，股線截面的最大應力值位于鄰層股線的接觸位置；線股間的接觸區域呈橢圓狀，當載荷較小時接觸區主要發生彈性變形，綜合應力及法向接觸應力從中間向邊緣遞減，隨著載荷的增加，接觸區域由彈性變形轉變為塑性變形，接觸區邊緣出現比中心帶更大的應力集中；而滑移區主要分布在接觸應力較小的接觸區域，表層組織呈片狀滑移、剝落[11-15]。

2 過載斷裂破損特征與破損誘因

2.1 過載斷裂的破損特征

過載斷裂是指當導線受到過高的軸向張力，股線發生塑性變形，橫截面減小應力增大，最終發生脆性斷裂[17]。該破損模式一般發生在耐張線夾處，且當導線處于覆冰與積雪狀態下時，因耐張線夾收到的機械荷重增加，最終導線與金具之間連接部位發生失效斷裂[18]。

通過對比胡加瑞、周立波、李陽林[18-20]等人對實際耐張線夾破損的分析報告，得出導線過載斷裂破損特征（圖5）。

圖5 過載斷裂斷口形貌特征[16，19]

（1）股線頸縮斷口的宏觀形貌是完整的杯狀應力錐，在應力錐的邊緣位置出現缺口，缺口指向股線表面的壓痕部位，股線發生過載斷裂取決于導線的軸向張力。當股線的軸向張力過大，股線發生塑性變形，橫截面減小、應力增大，最終發生脆性斷裂。

（2）當過載斷裂發生在耐張線夾內時，斷口出現韌窩狀特征，無疲勞條紋并可以看到冰糖狀斷口。該破損模式的產生的原因是其壓接位置存在明顯偏差，如鋼錨凹槽存在欠壓，線股與耐張線夾之間連接不能承受，覆冰狀態下需要提供的張力，導致耐張線夾的提前斷裂。

2.2 過載斷裂的破損誘因

根據應偉國[21]對金華某新建220 kV線路中不同壓接尺寸耐張管壓接進行的復制對比實驗，可得耐張線夾與導線連接處出現破損斷裂時，是由于安裝不符合標準、使得耐張線夾握力不足，導致部分金屬材料代替提供握力，最終連接處出現破損，當發生過壓時就會對線夾產生剪切損傷。而經過長期的運行、導線常年振動，以及導線絞制形成的交變力和微風震動波傳遞至耐張鋁管剪切損傷處時，將會加深損傷處的裂紋擴展，最終導致線夾與導線連接處斷裂。

3 腐蝕斷裂破損特征與破損誘因

3.1 腐蝕斷裂的破損特征

化學腐蝕造成的導線斷股多發生在耐張線夾處。因為耐張線夾作為輸電導線與的連接部位，在其安裝過程中，如果發生欠壓情況，耐張線夾會因為鋼芯—鋼錨、鋁股—鋁管連接處存在空隙，導致腐蝕性液體進入線夾內部，進而導致鋼錨、導線發生腐蝕，而導致線夾處溫度升高，連續溫度波動最終導致線股疲勞。按照北京市電力公司的檢修記錄，某年度6條線路的耐張線夾均存在過熱問題（溫度為52～307℃），而次年16條線路的耐張線夾也出現發熱問題，溫度為43～150℃[22]。

山東電網某220 kV線路耐張線夾實際發生斷裂案例，該斷口處能夠看到鋼芯絲表面氧化嚴重，在鋁管壓接處的鋁導線表面、鋁管與內部導線之間存在黑色的氧化腐蝕產物（圖6）：鋼錨口處斷口，呈現頸縮斷口特征；位于鋼錨內的斷口，斷口較齊平。剩余鋼芯延伸到鋁絞線中的部分沒有發生明顯氧化，說明殘留的鋼芯絲在斷裂時發生過瞬時高溫的情況。在顯微鏡下觀察試樣的微觀組織，其纖維組織特征基本消失（圖7）。以上特征說明在斷裂是在導線處于高溫條件下發生的，失效鋁線、鋼芯縱向金相組織纖維特征退化，鋼芯最大頸縮附近纖維特征消失，已發生再結晶。

圖6 斷裂的鋼芯絲[23]

圖7 失效鋼芯金相組織圖[23]

3.2 腐蝕斷裂的破損誘因

通過姚貴嬌、袁震、呂占杰等人[23-29]對多起實際運行線路中的股線斷裂分析報告，總結得出耐張線夾處線股發生腐蝕斷裂的主要原因，是由于鋁管與導線之間形成的氧化腐蝕產物，增大了接觸電阻，從而使得耐張線夾發熱。導線長時間處于環境波動的溫度下，所行成的交變應力使鋼芯絲表面萌生疲勞裂紋并逐漸擴展，當鋼芯的剩余截面不足以承受張力和發熱產生的熱應力時則發生瞬間斷裂。

根據山東電科院邵明星[26]對某220 kV線路耐張線夾破損斷裂進行的有限元仿真分析，可知應力集中位置為鋼錨與鋼芯連接處且鋼錨和鋼芯絲受拉應力，鋁管中鋁股未壓接的部分受壓應力。當溫度繼續升高時，作用于鋼芯絲的應力快速上升，鋼錨口附近的鋼芯絲為應力集中部位。當溫升較大時，由于鋁管與鋼錨、鋼芯絲的熱膨脹系數不同，產生的應力遠大于鋼芯鋁絞線張力在該部位的應力。對比腐蝕斷裂的破損特征，外層鋁導表面氧化腐蝕產物造成耐張線夾發熱，鋼錨口附近鋼芯絲的應力對溫度變化較敏感，在環境溫度頻繁波動下應力集中部位產生疲勞應力，當超過疲勞極限時則萌生疲勞裂紋、導致導線斷裂。

4 總結

為準確判斷破損誘因，本文根據眾多運行線路中導線破損報告總結歸納出導線破損模式及破損誘因：

（1）微動損傷造成的導線破損通常發生懸垂線夾的出口處。微動損傷是由于微動疲勞與股線微動磨損共同作用的一個過程，股線的微動磨損誘發了股線表面產生大量的微裂紋，微動疲勞使得股線表面的微裂紋進一步擴展，最終導致股線斷裂。因為導線受力不同導致裂紋擴展方向不同，最終導致在破損導線表面上可以觀察到3種不同的形貌特征，分別是平面斷口、V形斷口和45°斜斷口。

（2）過載斷裂造成的導線破損通常發生在耐張線夾處：當破損處為鋼股時，在斷口處可觀察到頸縮斷口；當破損處為導線與金具連接部位時，可觀察到鋼錨處冰糖型脆性斷口。通過實驗驗證，當導線與金具連接處因安裝施工造成連接處損傷或壓接未達到標準，該狀態下導線出現覆冰與積雪，耐張線夾與導線連接處所承受軸向張力增加，最終導線與金具之間連接部位不能提供額外張力、發生失效斷裂。

（3）腐蝕斷裂造成的導線破損一般發生在耐張線夾處。導線斷口多數情況下位于鋼錨口附近，斷面具有頸縮特征，斷口周圍可以看到發生瞬時高溫的痕跡且斷口附近殘留大量氧化物質。經過實驗驗證與有限元分析得出，由于鋁管與導線之間存在氧化產物導線發生腐蝕斷裂時耐張線夾發熱。當導線長時間處于波動溫度下，產生的交變應力將使鋼芯絲表面萌生疲勞裂紋并逐漸擴展，最終導線因剩余截面不足以承受張力而發生斷裂。