張立明，馬 立，曹 鋮

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司超高壓公司，湖北 宜昌 443002）

球頭掛環(huán)是一種一端為球形一端為環(huán)形所構(gòu)成的連接金具，是輸電線路的重要受力組件之一[1-3]，主要用于連接導線絕緣子串和桿塔掛點[4-6]。球頭掛環(huán)具有截面變化，其截面突變處容易受到應力集中，極易在振動載荷下發(fā)生疲勞裂紋[7-10]。研究表明，球頭掛環(huán)的斷裂是導致輸電線路掉線故障的主要原因之一[11-15]。球頭掛環(huán)斷裂的原因可能是制造過程中的原始缺陷、不合理的安裝工藝[16-19]、長期運行后的腐蝕和磨損，以及惡劣氣候下承受過大的動載荷等[20-24]。

本文通過運行經(jīng)驗與實驗論證，分析了該500 kV線路球頭掛環(huán)斷裂原因，并提出了解決同類問題的方案以及預防措施。

1 故障概述

2021 年1 月，某500 kV 線路B 相故障跳閘，重合不成功?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)該線路322 號桿塔的中相絕緣子球頭斷裂，導線掉落在桿塔瓶口處，4 根子導線不同程度受損，如圖1 所示。中相導線具體受損情況為：1號子導線斷鋁股12 股，鋼芯無損傷，截面積損傷占總導電部分截面積22.2%；2 號子導線斷鋁股15 股，鋼芯無損傷，截面積損傷占總導電部分截面積27.7%；3號子導線斷鋁股5 股，鋼芯無損傷，截面積損傷占總導電部分截面積9.2%；4 號子導線斷鋁股7 股，鋼芯無損傷，截面積損傷占總導電部分截面積12.9%，如圖2 所示。

圖1 該500 kV 線路322 號桿塔中相掉串

圖2 322 號桿塔中相4 根子導線不同程度受損

2 故障原因分析

2.1 故障原因排查分析

由故障錄波信息可以看出，故障發(fā)生時間與調(diào)度通知時間相同，B 相發(fā)生故障，故障阻抗角大于70°，表現(xiàn)為金屬性接地。綜合考慮該500 kV 線路322 號故障區(qū)段的地理特征、現(xiàn)場天氣特征、故障期間的現(xiàn)場大風天氣氣象情況等，結(jié)合故障錄波信息、絕緣子掉串信息等，排除線路發(fā)生其他故障的可能性。

2.2 故障原因具體分析

2.2.1 現(xiàn)場風速換算

該市氣象局氣象站觀測該地區(qū)最大風速為26.2 m/s，達到10 級風力標準，因本次故障點地形屬埡口，風速因地形變化較大，氣象觀測站距離故障點存在地形、高度等各方面差異。本次計算風速取值根據(jù)現(xiàn)場實測最大風速換算所得，現(xiàn)場測風儀測得的風速達到21.28 m/s，測量點位于距桿塔下方地面17 m，不等高懸點架空線的懸鏈線和架空線的平均高度示意圖分別如圖3 和圖4 所示。

圖3 不等高懸點架空線的懸鏈線

圖4 架空線的平均高度

式中：h 為高差；β 為高差角；γ 為比載；l 為檔距；hcp為架空線平均高度；fm為最大弧垂；σ0為最低點處的軸向應力。

根據(jù)式（1）求小號側(cè)導線平均高度為

折算至導線平均高速風速為

大號側(cè)導線平均高度為

折算至導線平均高速風速為

式中：H0為測量點位于距桿塔下方地面的距離；V0為現(xiàn)場測風儀測得的風速。

巡視人員到達該500 kV 線路322 號桿塔故障現(xiàn)場后，現(xiàn)場測風儀測得的風速達到21.28 m/s，人站立較困難。氣象站與掛點存在240 m 高差，經(jīng)換算，實際風速已超過最大設計風速27 m/s?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)絕緣子球頭斷裂，球頭掛環(huán)斷裂痕跡、球頭掛環(huán)與絕緣子鋼帽在風力作用下的擠壓痕跡如圖5 所示，W 銷未見明顯變形。

圖5 該500 kV 線路322 號桿塔中相球頭斷裂

2.2.2 試驗與分析

通過對球頭掛環(huán)進行斷面分析、尺寸測量、硬度試驗、強度換算、光譜分析及金相組織檢查等操作，從該球頭掛環(huán)的成分判斷，其鋼材牌號為45 號鋼，根據(jù)標準GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》，45 號鋼的伸長率為16%以上，因此該球頭掛環(huán)的選材符合標準DL/T 759—2009《連接金具》第5.1.1 條，“鋼及合金鋼的伸長率應不低于12%”。該球頭掛環(huán)的直徑為19.70 mm，型號為QP16，連接標記為20，依據(jù)GB/T 4056—2008《絕緣子串元件的球窩連接尺寸》，其直徑要求的范圍為19.70~21.00 mm，即該球頭掛環(huán)的直徑滿足QP16的要求。根據(jù)該球頭掛環(huán)的硬度值換算得到的抗拉強度和實測截面積計算，其標稱破壞載荷為209 kN，滿足QP16 規(guī)定的標稱破壞載荷（160 kN），如圖6 所示。從斷口分析來看，該球頭掛環(huán)斷面中約存在1/3 面積陳舊性缺陷，因此，該球頭掛環(huán)斷裂原因為掛環(huán)在運行中存在擺動受阻的情況，導致掛環(huán)表面產(chǎn)生裂紋，裂紋使掛環(huán)的承載截面減少，從而斷裂。

圖6 球頭掛環(huán)斷裂前運行工況下的安裝圖

2.2.3 球頭掛環(huán)強度計算

1）球頭掛環(huán)安全系數(shù)。年平工況下，球頭掛環(huán)垂直荷載計算

球頭掛環(huán)安全系數(shù)

最大荷載工況（覆冰工況），垂直荷載計算

球頭掛環(huán)安全系數(shù)

式中：G串為絕緣子串荷載；G線為導線荷載；T額為球頭掛環(huán)額定荷載。根據(jù)規(guī)程要求，現(xiàn)場金具使用情況滿足設計要求。

2）剩余強度估算。160 kN 絕緣子球頭軸向額定抗拉強度為160 kN，根據(jù)球頭掛環(huán)斷裂情況估算，剩余連接部分，可承受軸向抗拉強度為額定強度抗拉強度的70.8%。

剩余連接部分可承受軸向抗拉強度

3）實際工況下的荷載。實際工況下，絕緣子球頭的腳球在絕緣子帽窩的轉(zhuǎn)動是有限度的，如圖7 所示，根據(jù)GB/T 4056—2008《絕緣子串元件的球窩連接尺寸》，連接標記為20 的絕緣子球頭在帽窩中的傾斜角應不大于9°。若傾斜角β 大于9°，腳徑則受憋于圖中的A 點，也是本次故障點從絕緣子球頭斷裂的原因。

圖7 實際工況下絕緣子球頭與帽窩連接圖

根據(jù)現(xiàn)場實測風速及風速換算，橫向作用力為

式中：L大為大號側(cè)水平檔距；G大為大號側(cè)導線風荷載；L小為小號側(cè)水平檔距；G小為小號側(cè)導線風荷載；G串為絕緣子串風荷載；G風為金具所受橫向作用力。

絕緣子球頭受彎計算，絕緣子球頭未受損時

絕緣子球頭受彎計算，現(xiàn)場絕緣子球頭受損時

式中：P 為球徑可承受荷載；W 為受彎截面系數(shù)；Mmax為160 kN 絕緣子球頭所承受彎矩；σ彎為160 kN 絕緣子球頭的受彎抗拉強度；d 為160 kN 絕緣子球頭斷裂處直徑；h 為帽窩與絕緣子球頭連接處長度。

未受損絕緣子球徑承受橫向作用力大于38.2 kN時，可能發(fā)生球徑斷裂事故。

現(xiàn)場受損絕緣子球徑承受橫向作用力大于20.351kN時，可能發(fā)生球徑斷裂事故。

根據(jù)本次估算，受損絕緣子球徑承受橫向作用力達到31.53 kN，大于可承受最大橫向作用力，因此發(fā)生斷裂事故。

2.3 故障原因分析結(jié)論

本次故障斷裂的金具為球頭掛環(huán)，是絕緣子串橫擔側(cè)第二個連接金具，上端與直角掛板金具相連，下端與絕緣子鋼帽相連。根據(jù)現(xiàn)場的情況，初步分析球頭掛環(huán)斷裂的原因為：該500 kV 輸電線路322 號桿塔中相掛點結(jié)構(gòu)為掛板加球頭掛環(huán)形式，掛板受塔材限制不能順線路擺動，導致球頭掛環(huán)僅能在橫線路方向活動，球頭掛環(huán)的自由度受到限制。在大風作用下導線只能橫向活動，容易造成應力集中和受到順線路方向剪切力的沖擊，現(xiàn)場觀測到導線在風的作用下，在順線路方向前后擺動，此外，從斷裂痕跡來看，有近1/3 截面存在原始缺陷，球頭掛環(huán)承載能力下降至113.28 kN，安全系數(shù)為5.03。在大風作用下，該500 kV 輸電線路322 號桿塔導線橫向擺動和絕緣子串順線路方向擺動，球頭掛環(huán)受到橫向和順線路方向力的反復擠壓和剪切沖擊，最終疲勞斷裂。

綜上所述，該500 kV 線路322 號桿塔中相掉串故障因桿塔臨近長江，在局部超設計大風天氣作用下，線路導線和絕緣子串在順線路、橫線路方向頻繁擺動，且球頭掛環(huán)存在原始缺陷，球頭掛環(huán)受到反復擠壓和剪切沖擊而疲勞斷裂，導致絕緣子串及導線脫落至桿塔瓶口處，造成導線永久性接地故障。

3 結(jié)束語

通過對本次故障的分析，發(fā)現(xiàn)以下問題。

1）輸電線路微地形區(qū)域的大風區(qū)域區(qū)段數(shù)據(jù)不全，人工劃定的大風區(qū)域存在一定的局限性，大風區(qū)域范圍難以準確地確定，劃分不準確。

2）球頭球窩連接方式等隱蔽性金具的檢測缺乏針對性技術(shù)手段。

根據(jù)本次故障暴露的問題提出以下建議。

1）全面開展類似隱患排查工作，利用無人機等立體巡檢手段，建立巡檢照片數(shù)據(jù)庫，強化運檢質(zhì)量的管理。

2）加強同批次金具抽檢及更換工作。

3）加強此類“UB 掛板+球頭掛環(huán)”連接方式，以及大高差、大檔距地段、局部大風區(qū)域金具荷載校核、評估，對安全系數(shù)偏低的桿塔金具更換為自由度更大的金具，以及雙串改造。