某330 kV輸電線路導線斷裂原因

周云飛,王晨山,李 軍,趙朝友

(1.甘肅電力科學研究院技術中心有限公司,蘭州 730070;2.國網甘肅省電力公司 電力科學研究院,蘭州 730070)

某330 kV輸電線路導線在鐵塔原T型線夾壓接點處斷開并自然垂落在主導線下方,“三變二”連接金具T型線夾和掛點側中相下子導線同樣搭落在連接點附近,導致整條線路發生故障,重合閘未啟動。斷裂導線為鋁包鋼芯鋁絞線。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了導線斷裂的原因,并提出了改進措施,以避免該類問題再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

斷裂導線的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知:導線由T型線夾壓接管向內部開始斷裂,最終分離為鐵塔側和線路側兩部分,導線斷口附近及壓接管內壁未涂抹導電脂;鐵塔側斷口中部為7根鍍鋅鋼線絞制成的鋼芯,兩層布置,中心為1根,外層為6根,7根鋼芯單絲的斷口均為帶有頸縮的杯錐狀塑性斷口;鋼芯外部有26根鋁線,兩層布置,內層為10根,外層為16根,斷口均有頸縮,其中6根鋁線斷口存在明顯的燒灼斷裂痕跡。

圖1 斷裂導線的宏觀形貌

線路側導線斷口的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知:線路側斷口鋼芯處整體呈黑色,具有明顯的燒灼氧化痕跡,鋁線被燒結、黏連在一起;線路側鋁線外部存在明顯的熔融態金屬鋁凝固痕跡。表明斷裂部位發熱嚴重,致使斷口表面金屬熔化。

圖2 線路側導線斷口的宏觀形貌

鐵塔側導線斷口的宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知:鐵塔側斷口附近鋁線表面存在明顯的燒灼痕跡,燒灼處鋁線直徑明顯縮小,說明該部位在運行過程中溫度明顯升高,致使材料強度下降,在張力的作用下,發生頸縮現象;鋼芯斷口表面發黑,呈高溫氧化狀態,表明斷口曾處于高溫環境下,表面金屬與空氣中的氧氣發生化學反應,生成了黑色氧化鐵。

圖3 鐵塔側導線斷口的宏觀形貌

壓接管的宏觀形貌如圖4所示。由圖4可知:線路側壓接管蓋板彎曲,壓接區域橫截面未形成正六邊形,相鄰被壓面之間存在較寬的圓弧面;蓋板內壁存在與鋁線絞制方向相同的溝槽,溝槽深度較淺、間距較寬,蓋板內壁壓痕與壓接管外部的壓接區域長度相對應,部分溝槽內存在燒灼痕跡,其燒灼程度明顯弱于線路側導線斷口,且壓接管線路側斷口端部也未見明顯燒灼痕跡。說明線路側斷口的嚴重燒損是脫離壓接管后發生的。

圖4 壓接管的宏觀形貌

1.2 化學成分分析

對壓接管蓋板及鐵塔側斷口處鋁線進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知:蓋板及鋁線的鋁元素含量滿足GB/T 17048—2017《架空絞線用硬鋁線》及DL/T 347—2010《T型線夾》的要求。

表1 壓接管蓋板及鐵塔側斷口處鋁線的化學成分分析結果 %

1.3 尺寸測量

對壓接管進行尺寸測量,結果如圖5所示。由圖5可知:壓接管外徑為32.00 mm,最小對邊距為28.60 mm。GB 50149—2010《電氣裝置安裝工程 母線裝置施工及驗收規范》要求,壓接管最大對邊距應不大于27.91 mm,該壓接管最小對邊距大于標準要求的最大值。說明壓接管塑性變形程度較小,管內壁與導線未緊密貼合。

圖5 壓接管的尺寸測量結果

1.4 拉伸試驗

在距離線路側斷口200 mm處截取3根長度約為300 mm的鋼芯,分別編號為試樣1～3,對試樣1～3進行拉伸試驗,結果如表2所示。由表2可知:鋼芯的抗拉強度滿足GB/T 17937—2009《電工用鋁包鋼線》的要求。

表2 鋼芯的拉伸試驗結果 MPa

1.5 金相檢驗

圖6為鐵塔側鋼芯斷口縱截面的顯微組織形貌。由圖6可知:鋼芯的組織為鐵素體+珠光體,未發現明顯的微觀缺陷及超標夾雜物,斷口附近晶粒因受到拉伸作用而呈纖維狀。說明斷口附近金屬在斷裂前受到較大的拉應力而發生塑性變形。

圖6 鐵塔側鋼芯斷口縱截面的顯微組織形貌

1.6 掃描電鏡(SEM)分析

鐵塔側鋼芯斷口的SEM形貌如圖7所示。由圖7可知:鋼芯單絲中部斷口呈杯錐狀,斷口底部的初始斷裂區呈韌性斷裂特征,視野內可見的韌窩基本為等軸韌窩;由中心向四周可見明顯的纖維區、放射區和剪切唇區[1]。斷口呈正向拉伸斷裂特征。

圖7 鐵塔側鋼芯斷口的SEM形貌

2 綜合分析

鐵塔側鋁線及鋼芯斷口具有明顯的頸縮等塑性變形區域,說明其為拉伸應力作用下的塑性斷口,并且鋁線表層存在燒灼痕跡,部分鋁線燒灼程度較嚴重,基本處于燒斷狀態,鋼芯斷口表面存在黑色氧化鐵。說明導線和壓接管在斷裂前局部溫度過高,使得外層鋁導線局部燒融,承受載荷的橫截面積變小。溫度升高導致導線的抗拉強度大幅下降,無法承載正常運行所需的張力,最終導致導線斷裂。

線路側導線斷口存在燒灼、熔化、黏連等痕跡,未見明顯塑性變形或者頸縮等正向拉伸斷口形貌,說明斷裂時線路側斷口曾經產生強烈的電弧放電,致使斷口部分金屬熔化。

壓接管內部靠鐵塔側導線位于未壓接區,在導線拉斷的瞬間會脫離壓接管,而線路側導線位于壓接區,在斷裂的瞬間,壓緊力使導線繼續與壓接管連接,斷裂后線夾在引流線的拉力、導線釋放張力時的慣性雙重作用下,蓋板因無法承受導線運動帶來的彎矩載荷而變形上翹,導致線路側導線同時脫出壓接管。壓接管壓接時塑性變形程度較小,管內壁與導線未能產生足夠的塑性變形而緊密貼合,部分區域管壁與導線未直接接觸,使得流通面積過小,接觸電阻增大。壓接管內壁及鐵塔側斷口附近導線表面燒灼痕跡較輕,而線路側導線斷口存在嚴重的電弧燒傷熔化痕跡,兩側斷口燒傷程度不一致,無法完全吻合,說明線路側斷口在斷裂后產生了較為嚴重的電弧放電。

T型線夾壓接部位內壁壓痕深度過淺、間距過大、外壁橫截面未形成正六邊形、圓弧過長、對邊距較大等,使得壓接區域變形程度較小,壓緊力不足,導致壓接管內壁與鋁線未充分接觸,使導流面積過小;壓模長度不足及管壁與導線接觸面積變小,導致導流面積過小。鋁線內部壓接部位未涂抹導電脂,導線與壓接管接觸電阻過大,在運行時接觸部位產生熱能,使局部溫度過高,鋁線表面燒灼受損。當線路載荷增大時,局部溫度進一步升高,導線的抗拉強度大幅下降,無法滿足張力需求,最終導致線夾內部導線被拉斷。

3 結論及建議

3.1 結論

壓接管的尺寸不滿足要求,導致其與鋁線的壓緊力不足、導流面積變小,且鋁線內部壓接部位未涂抹導電脂,在運行時接觸部位產生熱能,鋁線表面燒灼受損,導線的抗拉強度下降,在張力的作用下,導線最終發生斷裂。

3.2 建議

加強線路巡檢,采用紅外測溫儀等專業的測溫裝置對線夾、壓接管等重要部位進行測溫,實時了解設備金具連接部位的發熱情況,及時發現設備的異常缺陷。

加強安裝質量控制,按照施工規范清潔線夾內壁及導線表面,并涂抹導電脂,嚴格控制T型線夾壓接后壓接管的對邊距,以保證鋁線與壓接管充分接觸。

排查線路側斷口附近的其他導線是否存在放電點,避免斷裂導線放電時對其他導線造成隱形傷害。