柴志華，張樹林，蔚澤廷

（忻州供電公司，山西 忻州 034000）

1 故障及線路情況

2011年4月2 9日23時(shí)16分，220 kV忻義線兩側(cè)主保護(hù)動(dòng)作，重合復(fù)掉，A相故障。巡視發(fā)現(xiàn)116號(hào)塔中相橫擔(dān)側(cè)掛點(diǎn)處三腿直角掛板斷裂，絕緣子串及導(dǎo)線懸吊在線路型避雷器上，導(dǎo)線下子線嚴(yán)重?fù)p壞。

220kV忻義線于1999年11月投運(yùn)，運(yùn)行接近12a。線路全長(zhǎng)95.744 km，導(dǎo)線采用垂直排列布置的兩分裂LGJX-300/40導(dǎo)線。116號(hào)處于原平市段家堡柏林池村南，地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°34′25.1″、北緯38°58′31.29″，山地地形，海拔1 691m，屬?gòu)R嶺梁山脈。115號(hào)—116號(hào)之間擋距為758 m，116號(hào)—117號(hào)之間擋距為401 m。115號(hào)及116號(hào)為直線塔，117號(hào)為耐張轉(zhuǎn)角塔。115號(hào)—116號(hào)之間有峽谷，高差197 m。115號(hào)呼高為26.7 m，116號(hào)呼高23.7 m，117號(hào)呼高15.5 m。

2 金具試驗(yàn)情況

為全方位查找金具斷裂的根本原因，首先從斷裂金具本體情況進(jìn)行了分析。

2.1 金具破壞載荷試驗(yàn)情況

故障發(fā)生后將現(xiàn)場(chǎng)116號(hào)塔左相及右相上金具送至中國(guó)電力科學(xué)研究院導(dǎo)線與金具研究室進(jìn)行了破壞載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)情況見表1。

表1 金具破壞載荷試驗(yàn)

從金具破壞載荷試驗(yàn)結(jié)果可以看出，現(xiàn)場(chǎng)116號(hào)左相取回的三腿直角掛板ZS-7破壞載荷為65.30 kN，不滿足≥70 kN的載荷要求，試驗(yàn)不合格，其余試件破壞載荷均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 金相分析測(cè)試情況

中國(guó)電力科學(xué)研究院委托國(guó)家鋼鐵材料測(cè)試中心對(duì)220 kV忻義線116號(hào)左相及中相的三腿直角掛板ZS-7金具進(jìn)行了金相分析，檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 金相組織檢驗(yàn)結(jié)果

從金相分析中可以看出，三腿直角掛板ZS-7金具的金相組織確為鐵素體及填充在鐵素體周圍空中中的珠光體組成，符合相關(guān)要求。

2.3 成分分析測(cè)試情況

中國(guó)電力科學(xué)研究院委托國(guó)家鋼鐵材料測(cè)試中心對(duì)220 kV忻義線116號(hào)左相及中相的三腿直角掛板ZS-7金具進(jìn)行了成分分析，檢查結(jié)果見表3。

通過材料成分分析的結(jié)果可知ZS-7材料相關(guān)成分滿足GB/T 700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》關(guān)于Q235B相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[1]。

表3 三腿直角掛板ZS-7組成成分分析檢驗(yàn)結(jié)果

3 116號(hào)金具受力情況分析

通過計(jì)算對(duì)116號(hào)金具受力情況進(jìn)行分析，大風(fēng)時(shí)掛點(diǎn)處導(dǎo)線金具三腿直角掛板ZS-7最大破壞荷重為7 t，金具的安全系數(shù)為2.5，經(jīng)過對(duì)導(dǎo)線垂直荷載和水平荷載的計(jì)算，得出掛點(diǎn)處綜合荷載在最大風(fēng)的情況下為2.136 9 t，因此該金具滿足最大允許荷重為2.8 t的設(shè)計(jì)要求。

4 金具斷裂原因分析

對(duì)忻義線116號(hào)金具從斷裂特點(diǎn)、連接方式、氣象條件、運(yùn)行環(huán)境等原因進(jìn)行了斷裂分析。

4.1 金具疲勞斷裂

金屬疲勞斷裂時(shí)具有以下特點(diǎn)：第一，斷裂時(shí)無明顯的宏觀塑性變形，斷裂前沒有明顯的預(yù)兆，而是突然地?cái)嗔?；第二，引起疲勞斷裂的?yīng)力很低，常常低于靜載時(shí)的屈服強(qiáng)度；第三，疲勞斷裂能清楚地顯示出裂紋的發(fā)生、擴(kuò)展和最后斷裂三個(gè)組成部分。

忻義線116號(hào)斷裂的金具均符合以上特點(diǎn)，斷口較為平整，無明顯縮頸現(xiàn)象，具有明顯的邊緣裂紋源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)及最后斷裂區(qū)，源區(qū)顏色較深，擴(kuò)展區(qū)域有多處臺(tái)階。最后斷裂區(qū)顏色發(fā)亮，占總斷面面積較大，屬于典型的金屬疲勞斷裂。斷裂過程如下：ZS-7三腿直角掛板采用Q235B牌號(hào)的碳素結(jié)構(gòu)鋼加工而成，其金相組織為鐵素體及填充在鐵素體周圍空隙中的珠光體組成。珠光體強(qiáng)度較高，硬度適中，塑性和韌性較好；鐵素體的強(qiáng)度、硬度不高，但具有良好的塑性與韌性。掛板的塑性變形首先發(fā)生在外力作用的最大應(yīng)力處（即彎曲部位），珠光體網(wǎng)狀層失去約束鐵素體晶格滑動(dòng)而產(chǎn)生塑性滑移，經(jīng)過頻繁的滑移，產(chǎn)生極小裂紋并逐步擴(kuò)展，受力截面逐步減小，受到大風(fēng)沖擊時(shí)，掛板發(fā)生突然斷裂。

4.2 金具連接方式不合理

該塔采用U型掛板UB-7、三腿直角掛板ZS-7、球頭掛環(huán)QP-7、絕緣子串的連接方式。這種連接方式使用金具較多，使連接點(diǎn)增多，磨擦點(diǎn)及受損點(diǎn)增多，容易形成隱患，特別是三腿直角掛板ZS-7相對(duì)U型掛板UB-7而言，連接部位接觸面積較小，強(qiáng)度明顯下降。

116號(hào)塔處于大擋距、大高差、微地形等對(duì)金具受力不利的條件下，加之故障段常年有基本垂直于線路的大風(fēng)，金具長(zhǎng)期受到變化的風(fēng)載，其所受的載荷在一定范圍內(nèi)變化，處于典型的“拉—拉疲勞”工況。因?yàn)槿戎苯菕彀錤S-7受力截面為4點(diǎn)受力，在風(fēng)偏擺動(dòng)過程中存在某點(diǎn)承載力變大的情況，所處工況更為嚴(yán)酷。當(dāng)垂直于線路的大風(fēng)吹過時(shí)，導(dǎo)線及絕緣子串向背風(fēng)側(cè)偏移，在此過程中由于金具摩擦力及風(fēng)壓力的綜合作用，掛板上會(huì)形成一個(gè)彎矩，導(dǎo)線自重或是風(fēng)向發(fā)生變化時(shí)，掛板又會(huì)受到一個(gè)反方向的彎矩，形成了“彎曲疲勞”的工況。長(zhǎng)時(shí)間受到拉、彎交變力的作用，會(huì)在掛板處產(chǎn)生微小裂紋。

4.3 大檔距未采用雙聯(lián)雙掛點(diǎn)的連接方式

115號(hào)—116號(hào)之間擋距為758 m，高差為105 m，屬于大擋距、大高差，又處于風(fēng)口，為保障安全，應(yīng)采用雙聯(lián)雙掛點(diǎn)的連接方式。但設(shè)計(jì)部門未對(duì)該處進(jìn)行特殊考慮。

4.4 設(shè)備遭受了強(qiáng)風(fēng)的襲擊

根據(jù)中央氣象臺(tái)天氣預(yù)報(bào)，2011年4月29日左右山西將出現(xiàn)大風(fēng)揚(yáng)沙天氣，局部地區(qū)可能出現(xiàn)強(qiáng)沙塵天氣。

根據(jù)寧武氣象站資料，4月29日13時(shí)21分開始刮風(fēng)，風(fēng)力逐步加大。22時(shí)左右風(fēng)力增大為7～8級(jí)，據(jù)柏林池村民反映該風(fēng)力為歷史罕見。

4月30日凌晨5時(shí)33分，巡視人員到達(dá)故障點(diǎn)后，在大風(fēng)作用下，基本無法原地直身站立，現(xiàn)場(chǎng)使用風(fēng)速儀測(cè)量風(fēng)速達(dá)26 m/s，風(fēng)力達(dá)10級(jí)，屬狂風(fēng)。導(dǎo)線隨風(fēng)力頻繁擺動(dòng)，擺幅最大時(shí)7 m左右，最終造成金具斷裂。

4.5 設(shè)備運(yùn)行環(huán)境惡劣

220 kV忻義線116號(hào)處于原平段家?guī)X柏林池村南，屬?gòu)R嶺梁山脈，山上終年大風(fēng)不斷。

220 kV忻義線在該處基本呈南北走向，大號(hào)側(cè)跨越一條東西走向的大溝，為典型的兩山夾一谷風(fēng)口地形，易形成擴(kuò)大效應(yīng)，風(fēng)力比其他地段較大，運(yùn)行環(huán)境惡劣。

5 防止掛點(diǎn)金具斷裂的針對(duì)性措施

a）新建或改建線路連接金具不采用U型掛板UB+三腿直角掛板ZS的結(jié)構(gòu)組合，宜采用加強(qiáng)型U型環(huán)組結(jié)構(gòu)。

b）在大擋距、大高差、兩側(cè)擋距懸殊以及位于風(fēng)口的線段采用加強(qiáng)型金具。

c）由于沒有適合現(xiàn)場(chǎng)使用的檢測(cè)金具疲勞或裂紋的儀器，所以應(yīng)加強(qiáng)對(duì)金具連接部位磨損情況的檢查，通過磨損程度的統(tǒng)計(jì)分析，確定是否對(duì)相關(guān)金具進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)。

d）加強(qiáng)對(duì)三腿直角掛板ZS的抽樣拆裝檢查、檢測(cè)工作，準(zhǔn)確掌握其運(yùn)行狀況。

e）對(duì)于運(yùn)行線路，更換大擋距、大高差、兩側(cè)擋距懸殊、位于風(fēng)口線段的ZS三腿直角掛板以及運(yùn)行15 a以上的ZS三腿直角掛板。

［1］ 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì).GB/T700—2006 碳素結(jié)構(gòu)鋼［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006：1-6.