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16分，220 kV忻義線兩側(cè)主保護(hù)動作，重合復(fù)掉，A相故障。巡視發(fā)現(xiàn)116號塔中相橫擔(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，屬廟嶺梁山脈。115號—116號之間擋距為758 m，116號—117號之間擋距為401 m。115號及116號為直線塔，117號為耐張轉(zhuǎn)角塔。115號—116號之間有峽谷，高差197 m。115號呼高為26.7 m，116號呼高23.7 m，117號呼高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116號塔左相及右相上金具送至中國電力科學(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116號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 金相分析測試情況

中國電力科學(xué)研究院委托國家鋼鐵材料測試中心對220 kV忻義線116號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 成分分析測試情況

中國電力科學(xué)研究院委托國家鋼鐵材料測試中心對220 kV忻義線116號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號金具受力情況分析

通過計(jì)算對116號金具受力情況進(jìn)行分析，大風(fēng)時掛點(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

對忻義線116號金具從斷裂特點(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

金屬疲勞斷裂時具有以下特點(diǎn)：第一，斷裂時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)嗔眩坏诙?，引起疲勞斷裂的?yīng)力很低，常常低于靜載時的屈服強(qiáng)度；第三，疲勞斷裂能清楚地顯示出裂紋的發(fā)生、擴(kuò)展和最后斷裂三個組成部分。

忻義線116號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，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號塔處于大擋距、大高差、微地形等對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，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，掛板上會形成一個彎矩，導(dǎo)線自重或是風(fēng)向發(fā)生變化時，掛板又會受到一個反方向的彎矩，形成了“彎曲疲勞”的工況。長時間受到拉、彎交變力的作用，會在掛板處產(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—116號之間擋距為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21分開始刮風(fēng)，風(fēng)力逐步加大。22時左右風(fēng)力增大為7～8級，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)場使用風(fēng)速儀測量風(fēng)速達(dá)26 m/s，風(fēng)力達(dá)10級，屬狂風(fēng)。導(dǎo)線隨風(fēng)力頻繁擺動，擺幅最大時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號處于原平段家?guī)X柏林池村南，屬廟嶺梁山脈，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)場使用的檢測金具疲勞或裂紋的儀器，所以應(yīng)加強(qiáng)對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，確定是否對相關(guān)金具進(jìn)行重點(diǎn)檢測。

d）加強(qiáng)對三腿直角掛板ZS的抽樣拆裝檢查、檢測工作，準(zhǔn)確掌握其運(yùn)行狀況。

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