畢虎才，董勇軍，冀晉川

（國網山西省電力公司電力科學研究院，山西太原030001）

電網線路金具斷裂及預防

畢虎才，董勇軍，冀晉川

（國網山西省電力公司電力科學研究院，山西太原030001）

通過近兩次電網金具斷裂的對比分析，研究了金具斷裂的主要影響因素，總結了金具的不同失效模式，并以此為基礎提出具體的金具失效預防措施，對于進一步提高電網金具的安全穩(wěn)定運行具有重要的意義。

電網；連接金具；斷裂；預防

0 引言

電力金具作為電網系統(tǒng)中連接懸吊絕緣子串和其他部件的常規(guī)有效連接裝置，在電網安全穩(wěn)定運行中起著重要的作用。2008年12月3日山西朔州220 kV向方線金具和2011年4月29日忻州220 kV忻義線116號桿塔金具的斷裂，給電網的安全運行帶來極大的隱患。通過近兩次電網金具斷裂的對比分析，研究了金具斷裂的主要影響因素，總結了金具的不同失效模式，并提出具體的預防措施。

1 金具分類及使用現(xiàn)狀

連接金具根據使用條件和結構特點，分為三大類[1]：球—窩系列連接金具，該類為專用金具，與球窩型結構的懸式絕緣子配套使用，包括各種球頭掛環(huán)、碗頭掛板等，該類金具的優(yōu)點是沒有方向性，撓性大，可轉動，裝卸方便；環(huán)—鏈系列連接金具，該類為通用金具，結構簡單，轉動靈活，不受方向限制，受力條件好，包括U型掛環(huán)、直角環(huán)、延長環(huán)、U型螺絲等；板—板系列連接金具，該類為通用金具，包括平行掛板、直角掛板、U型掛板、聯(lián)板、牽引板、調整板等。

目前山西電網掛網運行的金具大部分服役10 a左右，選型設計按照國家標準“電力金具”GB2314—2000～GB2345—2000選用，金具經熱浸鍍鋅處理，強度安全系數(shù)運行情況不小于2.5；《金具手冊》標準要求ZS-7掛板單板厚度應為6mm，ZS-7型掛板基本參數(shù)見表1；該掛板由于連接方向互成直角，因此變換靈活，但是在運行中主要承受機械載荷，長時間使用容易產生斷裂，直接導致絕緣掉串，從而導致線路斷線。

表1 ZS-7型掛板基本參數(shù)

國家標準對于各種連接金具的結構型式、材料、工藝、標稱載荷、連接型式等均有相應規(guī)定[2]。連接金具承受機械載荷，應有足夠的機械強度、耐磨性和耐腐蝕性。

2 電網金具失效的主要影響因素

引起電網金具失效的因素可歸納為兩個方面，即金具材料因素和環(huán)境因素。前者為內因，包括金屬材料品質及加工工藝方面的各種因素；后者為外因，包括受載條件、時間、溫度及環(huán)境介質等因素。

連接金具的失效總是發(fā)生在某些特定的部位，這些部位就是金具的薄弱環(huán)節(jié)。連接金具承受機械載荷，長年在大氣中運行，受大風、溫差、覆冰、雨水等惡劣氣象環(huán)境的影響，使導線不停振動引起附加應力，長時間、周期性的振動在金具的主要受力點產生交變的彎曲應力[3]。在一定幅度的擾動應力作用下，帶微缺陷金具進入了疲勞的發(fā)展過程。金具發(fā)生疲勞破壞，要經歷裂紋起始（或萌生）、裂紋穩(wěn)定擴展和裂紋失穩(wěn)擴展（斷裂）3個階段。疲勞裂紋的產生一方面取決于載荷水平（與金具擺動受阻情況直接相關），另一方面還依賴于風振擺動次數(shù)。

斷裂誘因包括設計、制造和安裝階段缺陷。產品制造時本身帶有嚴重制造缺陷，一般表現(xiàn)為投運1～3 a發(fā)生斷裂。

2.1 設計原因

設計上的原因包括結構的合理性、材料的合理性、可能承受的過載環(huán)境考慮不足；另外由于對部件的使用條件、應力狀態(tài)、破壞形式還不了解，造成設計不合理，使部件損壞。忻義線116號桿塔金具塔采用UB-7掛板、ZS-7掛板、QP-7球頭掛環(huán)、絕緣子串的連接方式。此類金具連接磨擦點多，容易形成隱患，該類金具考慮采用雙聯(lián)雙掛點的連接方式來提高強度。

2.2 材料原因

選擇材料方面的原因包括設計或使用中錯用鋼材，或所用材料組織性能不均勻造成失效[4]，或者原材料制造時產生的缺陷，如疏松、空洞、縮孔、夾雜、裂紋等所導致的失效。忻義線116號桿塔金具厚度要求應為6mm，而實測為5mm，在一定程度上削弱了材料的承載能力。

2.3 環(huán)境條件

使用中客觀條件造成的失效，包括應力集中、磨損導致的強度不足、現(xiàn)場環(huán)境的氧化、冰凍脆性、大風等。忻義線116號桿塔金具斷裂當天風力大約為7～8級，伴隨有強沙塵天氣，導線隨風力頻繁擺動，擺幅最大時7m左右，最終造成金具的斷裂；該斷裂過程為大檔距線路金具在大風區(qū)域高頻擺動下萌生疲勞裂紋、裂紋擴展直至最終發(fā)生斷裂。由于金具擺動受阻影響不同、長期風振擺動作用不同，線路上個別金具在運行15～20 a左右發(fā)生疲勞斷裂。

在實際的失效分析中，部件的損壞很少由于單一原因作用，而往往是多種因素共同作用所造成的。

3 電網金具失效的主要形式

失效總是從金具最薄弱環(huán)節(jié)開始，失效金具殘骸上必然會保留有失效過程的信息[5]。通過對失效殘骸的研究，可查明失效機理和過程，并對失效原因做出判斷，從而可針對性地采取改進和預防措施，避免同類失效再發(fā)生，達到改進電網金具質量、延長使用壽命、提高服役安全性和可靠性的目的。電網金具失效的形式主要包括：腐蝕失效、磨損失效、疲勞失效、應力腐蝕開裂等。

3.1 腐蝕失效

腐蝕是金具在使用中遇到的一種早期失效形式，它可引發(fā)應力腐蝕開裂、氫脆、疲勞腐蝕、磨蝕等其他失效形式[6]。連接金具用碳鋼最普遍的腐蝕類型為點腐蝕和全面腐蝕（均勻腐蝕）。金具表面上的點腐蝕表示鈍性開始破壞，稍微增加環(huán)境的腐蝕性就會產生全面腐蝕或均勻腐蝕。在潮濕水分和構成可溶性污染物灰塵顆粒的環(huán)境中，容易造成連接金具的銹蝕。

3.2 磨損失效

連接金具最常見的失效類型之一為磨損。磨損經常出現(xiàn)于連接金具的薄弱環(huán)節(jié)，即受力點。磨損的宏觀特征為金具連接處出現(xiàn)明顯減薄。金具受力點在長時間、周期性的相對運動、變動的機械載荷和環(huán)境因素的共同作用下導致了磨損。

以連接金具U型螺絲為例。U型螺絲用于直線桿塔懸垂絕緣子串、避雷線懸垂組合，作為桿塔橫擔的首件，出現(xiàn)磨損的情況較為普遍。某輸變電公司在山區(qū)500 kV線路檢修中發(fā)現(xiàn)架空地線U型螺絲出現(xiàn)大量嚴重磨損[7]，其磨損點正是其主要受力點和薄弱環(huán)節(jié)。

3.3 疲勞失效

在長時間、變動負荷作用下，金具的薄弱環(huán)節(jié)，即金具與其他零件連接處易發(fā)生疲勞斷裂。疲勞斷裂會在斷口上留下特征。斷口按斷裂過程分為三個區(qū)域[8]：疲勞源區(qū)、疲勞裂紋擴展區(qū)和瞬時破斷區(qū)。裂紋源為應力集中區(qū)域，金屬表面及內部的夾雜物、剪切滑移、晶界裂紋、位錯空洞等缺陷在疲勞應力的作用下形成裂紋源，并擴展成疲勞源區(qū)。裂紋擴展區(qū)的典型特征是呈現(xiàn)清晰的貝紋狀或海灘波紋狀的疲勞條紋，此區(qū)是判斷疲勞破壞性質的最重要的區(qū)域。疲勞條紋弧線的內側方向是疲勞源所在位置，外側凸出方向為疲勞裂紋的擴展方向。當裂紋擴展到臨界尺寸，余下截面不足以承擔原有負荷時發(fā)生瞬時破斷，形成瞬時破斷區(qū)。

朔州220 kV向方線金具和忻義線116號桿塔金具都是在較高動應力作用下的疲勞斷裂；忻義線116號桿塔金具ZS-7型掛板斷裂，從斷裂面上看，斷口較平整，無明顯頸縮現(xiàn)象，呈典型的脆性斷裂特征。斷口分3個區(qū)，除邊緣局部的裂紋源區(qū)外，疲勞擴展區(qū)約占斷裂面的1/4，源區(qū)發(fā)黑發(fā)暗，以弧形結尾。擴展區(qū)域有多處臺階，顯示疲勞裂紋擴展有多源、受力方向多有變化。終斷區(qū)占整個斷裂面的3/4，斷面粗糙、發(fā)亮，呈顆粒狀，斷口脆性較大。裂源從雙腿圓弧最大位置起，為多個源點，從斷面的裂源側面看，有多個臺階，從斷面發(fā)展看，中部最大的臺階為最先起源點。斷口宏觀分析表明，掛環(huán)斷裂面具有在較高動應力作用下的疲勞斷裂特征。

3.4 應力腐蝕開裂

金具的薄弱環(huán)節(jié)在拉應力和腐蝕環(huán)境的共同作用下會發(fā)生應力腐蝕開裂。應力腐蝕開裂是一種極為隱蔽的腐蝕形式，往往事先沒有明顯預兆，因此會造成災難性的事故。一般為鍛鋼及鑄鐵件的連接金具，對工業(yè)污染的大氣環(huán)境及潮濕的海洋大氣環(huán)境比較敏感，在SO2、酸雨、濃霧、潮濕空氣等因素的作用下易導致氧化腐蝕，如果金具上有拉應力存在，應力腐蝕開裂難以避免。

應力腐蝕開裂呈脆性斷裂，斷口的宏觀特征是裂紋源及擴展區(qū)因介質的腐蝕作用而呈黑色或灰黑色。突然脆斷區(qū)的斷口常有放射花樣或人字紋[5]。

4 金具斷裂的預防措施

目前還沒有很好的方法對運行線路金具進行監(jiān)測，為防止類似事件發(fā)生，只能通過金具的出廠驗收、安裝過程來進行預防和檢查。但是在實際運行中處于復雜的工況，受到微氣象、導線舞動、風偏等的影響，受力情況復雜，容易產生復雜交變載荷下的失效斷裂。

a）對重要線路和高電壓等級線路金具在出廠前要求廠家進行表面探傷和抗拉試驗，并委托第三方檢驗機構按批次和數(shù)量抽檢。開展新建桿塔和其他受監(jiān)部件安裝前的理化檢驗、無損檢測和其他質量驗收工作，對金具從外觀、尺寸、結構、機械性能、顯微組織等方面抽檢，避免次品進入基建現(xiàn)場。

b）加強線路施工部門金具安裝前的檢查，特別是金具在施工過程中要受到較大的施工載荷，個別金具可能發(fā)生裂紋，安裝時防止產生大的裝配偏差，使金具擺動轉動靈活，降低疲勞載荷。在線路投運前要再進行一次認真登檢。

c）對已經發(fā)生金具腐蝕和有裂紋的線路，要結合現(xiàn)場微氣象條件及環(huán)境，及時安排停電進行登桿普查。根據檢查情況適當更換薄弱的金具，重點是強風區(qū)、風振區(qū)、覆冰區(qū)的線路。

d）加強15 a以上運行年限的線路金具檢查，對已運行20 a的重要線路，應根據資金情況對受力大的重要鑄造金具進行更換，也可對金具進行抽樣檢查后確定更換方案。

e）目前使用金具時只考慮破壞載荷，不考慮疲勞問題，建議根據現(xiàn)場實際情況，對線路上載荷較大位置的金具進行疲勞壽命校核。

f）組織金具生產廠家、設計單位、施工單位、運行單位、檢驗檢測單位，進一步對該連接方式的合理性和可靠性進行研究，提出改進方案。

［1］董吉諤.電力金具手冊［M］.北京：中國電力出版社，2001：161-163.

［2］國家能源局.DL/T 759—2009連接金具［S］.北京：中國標準出版社，2009：20-25.

［3］肖海東，楊暘，高虹亮，等.500 kV架空地線耐磨金具的研究［J］.水電能源科學，2010，28（6）：118-120.

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［6］陳南平，顧守仁，沈萬慈.機械零件失效分析［M］.北京：清華大學出版社，1988：69-85.

［7］吳國宏.電力金具凍裂原因分析及預防措施［J］.電力建設，2007，28（2）：73-74.

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Fracture of Hardwares in Grid Transm ission Lines and the Preventing M easures

BIHu-cai，DONG Yong-jun，JI Jin-chuan
（State Grid Shanxi Electric Power Research Institute，Taiyuan，Shanxi 030001，China）

According to the analysisand contrastof two fracture faultsofgrid hardware,this paper studied themain factors affecting the hardware fracture，and summarized various invalidationmodes ofhardware fitting.Preventingmeasureswere put forward accordingly，which ismeaningful for improving the safety and stabilization ofgrid hardware.

grid；hardware fittings；fracture；preventing

TM752

B

1671-0320（2014）01-0022-03

2013-09-27，

2013-11-18

畢虎才（1978-），男，山西五寨人，2001年畢業(yè)于太原理工大學金相專業(yè)，高級工程師，從事電力系統(tǒng)金屬部件材料性能分析及理化探傷工作；

董勇軍（1965-），男，山西忻州人，1987年畢業(yè)于武漢水利電力大學金屬材料及熱處理專業(yè)，高級工程師，山西電力技術院A級專家，從事電力系統(tǒng)金屬部件材料性能分析及理化探傷工作；

冀晉川（1963-），男，山西太原人，1984年畢業(yè)于武漢水利電力學院金屬專業(yè)，高級工程師，山西省無損檢測考委，從事電力系統(tǒng)金屬部件材料性能分析及理化探傷工作。