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        220 kV 地線連接金具斷裂事故分析

        2019-07-10 09:39:58汪立鋒談佳棟陳慶吟
        浙江電力 2019年6期
        關鍵詞:金具構架斷口

        汪立鋒,談佳棟,陳慶吟,張 成,錢 科,馮 強,水 濤

        (浙江華電器材檢測研究所有限公司,國家電力器材產品安全性能質量監(jiān)督檢驗中心,杭州 310015)

        0 引言

        電力連接金具是電力系統(tǒng)中連接和組合的重要裝置,是起到傳遞機械負荷、電氣負荷和某種防護作用的金屬附件[1],地線連接金具包括耐張線夾、U 型環(huán)、調整板、螺栓等,其主要作用是將地線與構架或鐵塔錨固和連接。連接金具在實際使用過程中受不同工況的影響,如磨損、短路、雷擊、覆冰、自身材料質量因素等,均會產生各種損傷及斷裂[2]。由于連接金具的失效斷裂機制復雜,該類金具的失效研究一直受到國內研究者的重視[1-6]。

        2018 年5 月20 日13:04,某變電站220 kV某Ⅰ回斷路器故障跳閘,派人員檢查線路后,發(fā)現(xiàn)該線路變電站構架側與終端塔側整條地線斷裂掉落,如圖1 所示。構架側斷裂的連接金具為4.8級螺栓,型號為M16×60,終端塔側斷裂的連接金具為U 型環(huán),型號為U-7,如圖2 所示。該事故引起全站的停電,使得該區(qū)域大面積停電,造成了不良的社會影響。

        圖1 斷裂導地線外觀

        基于此,對該220 kV 線路故障連接金具和地線失效部位通過宏觀觀察、化學成分分析、掃描電鏡以及能譜分析等方法確定斷裂的性質,分析連接金具失效原因,并提出改進建議,為預防此類故障的再次發(fā)生提供借鑒。

        1 試驗與分析

        1.1 宏觀分析

        掉落導地線型號為JL/G1A 70/40,由于是整條導地線斷裂,存在2 處斷裂點,如圖2 所示。第一處斷點為構架側4.8 級螺栓(圖2 中金具編號為2 號螺栓,以下同),實物如圖3 所示;第二處斷點為終端塔側2 只U 型環(huán)的連接處(圖2 中金具編號為4 號和5 號U 型環(huán),以下同),實物如圖5 所示。

        在第一斷裂處檢查螺栓外觀,該螺栓型號為M16×70,將直角掛板(圖2 中金具編號為1 號直角掛板,以下同)與鋼錨(圖2 中金具編號為3 號鋼錨,以下同)連接,2 號螺栓螺桿處已完全斷裂。螺栓斷口處有深黃色銹蝕,可見明顯的磨損痕跡,未見金屬熔融痕跡,實物如圖3 所示。3 號鋼錨和2 號螺栓連接處磨損嚴重,未見金屬熔融痕跡,實物如圖4 所示。該鋼錨原始直徑約為16.9 mm,磨損位置厚度僅為2.9 mm,磨損量達14.0 mm,磨損嚴重。

        圖2 地線金具連接示意

        第二斷裂點位于終端側4 號和5 號U 型環(huán)連接處,兩者連接位置均已斷裂,斷口尖端處均可見明顯的金屬熔融物,熔斷口周邊還粘附呈噴射狀的熔滴,如圖6 所示。按照U 型環(huán)尺寸,斷口處因高溫融化造成部分金屬缺失[3],說明該處金屬有受熱熔融現(xiàn)象。金屬熔融處上部可見明顯的磨損痕跡[4],4 號U 和5 號型環(huán)原始直徑約16.3 mm,磨損位置測量厚度約為8 mm,磨損量為8.3 mm 左右。終端塔與導線金具連接位置均能看到程度不一的金屬熔痕。

        圖3 構架側2 號4.8 級螺栓斷裂形貌

        圖4 構架側3 號鋼錨形貌

        圖5 終端塔側4 號、5 號U 型環(huán)斷裂形貌

        圖6 4 號U 型環(huán)噴射狀的熔滴現(xiàn)象

        觀察地線,在距10 號大號側(終端塔側)鋼錨位置的28 m 位置,地線表面存在1 處長度約為60 mm 的損傷痕跡,損傷表現(xiàn)為導線壓痕及導線表面金屬熔融物[3]。損傷類型主要包括機械碰撞和電擊,如圖7 所示。

        圖7 地線損傷位置

        1.2 化學成分

        對上述連接金具進行成分分析,測試結果如表1 所示,所測元素均符合Q235A 牌號要求,廠家提供的型號為Q235A。

        表1 線夾化學成分分析結果(質量分數(shù))%

        1.3 微觀斷口觀察

        掃描電鏡下對構架側2 號螺栓及終端塔側4號U 型環(huán)斷口進行觀測。圖8 為2 號螺栓斷口上側的微觀形貌,可見該區(qū)域覆蓋一層疏松狀氧化物,未見金屬熔融物。在2 號螺栓斷口尖端部位具有明顯粘著磨損特征[7],存在部分金屬從表面脫落,還存在嵌入的顆粒狀異物和粘屑,如圖9所示。

        對終端塔側4 號U 型環(huán)斷口微觀形貌進行觀測,發(fā)現(xiàn)斷口表面可見大小不一的顆粒狀熔珠。熔珠外表面比較平整,少量熔珠表面有氣孔,氣孔內壁比較平滑,無粗糙的紋跡,如圖10 所示。

        1.4 能譜分析

        圖8 2 號螺栓微觀形貌

        圖9 2 號螺栓尖端部位微觀形貌

        圖10 終端塔側4 號U 型環(huán)微觀形貌

        采用能譜儀對2 號螺栓銹蝕部位和4 號U型環(huán)金屬熔珠進行無標定性和半定量分析,結果見表2 和表3。圖11 能譜圖和表2 能譜分析結果顯示,2 號螺栓斷口以Fe 和O 元素為主,以及含有少量S,Cl,K,Ca 等元素。自然界的鋼鐵存在的環(huán)境以弱酸或中性為主,因此發(fā)生的腐蝕主要以吸氧腐蝕為主,吸氧腐蝕在陰極上的反應:

        陽極反應:

        表2 斷口能譜分析結果(2 號螺栓)%

        表3 斷口能譜分析結果(4 號U 型環(huán))%

        圖11 2 號螺栓銹蝕產物能譜圖

        圖12 能譜圖和表3 能譜分析結果顯示,4 號U 型環(huán)熔珠的主要元素是Fe,C 和O,鋼鐵在空氣中受高溫氧化主要形成的物質為Fe3O4,F(xiàn)e2O3和FeO,由于灼燒溫度和氧含量的不同,三者往往同時存在。理論上三者氧化物的氧含量分別為35%,30%和28.5%,樣品因為氧化程度的不同實際測量值會低于理論值,4 號U 型環(huán)熔珠能譜中氧含量為13.99%。結合4 號U 型環(huán)的宏觀分析結果,進一步驗證4 號U 型環(huán)不僅受到磨損侵蝕,而且受高溫影響。

        圖12 4 號U 型環(huán)熔珠能譜圖

        2 分析與討論

        宏觀檢查顯示:構架側的2 號螺栓和3 號鋼錨斷口表面存在明顯尺寸減小,為基體材料損失或者遷移所致,且通過電鏡觀察到的形貌為典型的粘著磨損。2 號螺栓磨損區(qū)域觀察到嵌入或覆蓋的異物,存在條帶狀的粘屑,經能譜分析主要成分為Fe 和O,與3 號鋼錨成分接近,說明2 號螺栓和3 號鋼錨存在物質遷移,即粘著磨損。粘著磨損是相對運動的物體接觸面發(fā)生了固體粘著,是材料從一個面轉移到另一個面的現(xiàn)象。同時2 號螺栓表面存在氧化產物,吸附S,Cl,K 及Ca 等元素,電鏡下未發(fā)現(xiàn)熔融痕跡,不存在短路或感應電流引起的金屬缺失,表明該處斷裂主要原因是由于粘著磨損造成的。

        同時構架側金具的連接順序為構架(鋼板)-直角掛板-螺栓-耐張線夾鋼錨,按照電力金具結構的特點,一般設計連接形式分為:球-窩系列;環(huán)-鏈系列;板-板系列[10]。其中構架側直角掛板與耐張線夾鋼錨的連接為板-環(huán)連接,不符合電力金具常規(guī)連接設計[11]。該方式的連接使得磨損始終朝一個方向進行,比常規(guī)連接磨損量更大。

        終端側的4 號和5 號U 型環(huán)斷口連接處存在金屬熔融物,周邊存在噴射狀的熔滴金屬,說明該處溫度瞬時升高。判斷為地線與母線接觸,電路發(fā)生短路,此時短路電流瞬間上升,在極短的時間內造成金屬融化的爆炸性電弧,并向四周噴射灼熱的熔滴[12]。通過觀察微觀形貌,熔珠表面存在氣孔,符合短路引起的熔珠特征,短路造成金屬熔珠由于氣體來不及排出會存留于熔痕內,且氣孔表面比較光滑。該金具連接處由于長時間的磨損及氧化是整條地線中電阻最大部位,當發(fā)生短路時,短路電流通過較高的接觸電阻而產生高溫,使4 號和5 號U 型環(huán)接觸點金屬融化而發(fā)生斷裂。

        該事故地線距終端側28 m 位置存在1 處損傷,主要特征為機械、金屬熔痕,表明該處受到過帶電體的碰撞。正常情況下地線與導線留有足夠的安全距離不存在接觸的可能,只有可能是地線一端斷裂后掉落到導線上造成的痕跡,因此終端塔側的金屬熔痕主要是由于地線碰觸到母線后短路所形成。

        3 結論及建議

        構架側的2 號螺栓和3 號鋼錨斷口主要是粘著磨損痕跡且銹蝕較為嚴重,表明該處斷裂的主要原因是由于長時間的磨損,且連接方式為板-環(huán)連接,加速磨損損耗最終造成斷裂,該處為第一斷點。

        構架側連接金具斷裂后, 地線搭接到下側220 kV 導線形成短路,使得終端塔材連接金具溫度瞬間升高,造成終端側的4 號和5 號U 型環(huán)連接處金屬融化而發(fā)生斷裂,該處為第二斷點。

        該事故的最終原因是因為不合理的連接方式造成金具過度磨損所致。為降低地線因連接金屬磨損而引起的事故,可采取以下改進措施:

        (1)改善其連接形式,改用環(huán)-鏈連接或環(huán)-環(huán)連接。

        (2)案例中所有連接金具材質均為Q235,該型號材料抗耐磨性較差??刹捎肣345B 或Q420等耐磨性較好的材料,可極大地改善其綜合性能[13]。

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