王鵬宇，白耀鵬，王元君

（1.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；2.國網(wǎng)山西省電力公司，山西 太原 030001；3.西山煤電（集團(tuán)）山西清洗科技有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

耐張線夾用來將導(dǎo)線（包括避雷線）固定在非直線桿塔的絕緣子串上，亦用作固定拉線桿塔的拉線，將導(dǎo)線或避雷線固定在非直線桿塔的耐張絕緣子串上，同時(shí)也要承受電氣負(fù)荷，其對(duì)高壓輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行起著非常重要的作用[1]。液壓型耐張線夾由鋁套管和鋼錨構(gòu)成，作為主要承力部件的鋼錨一旦斷裂，將會(huì)造成導(dǎo)線斷裂、跳閘等惡性事故[2]。引起鋼錨斷裂的原因包括：加工制造引起的質(zhì)量不合格[3]，雨雪滲入鋁套管發(fā)生化學(xué)腐蝕[4]，壓接質(zhì)量不合格[5]等。

1 耐張線夾斷裂情況

某220 kV某輸電線路線121號(hào)至120號(hào)桿塔L3相上子線耐張線夾發(fā)生斷裂。該線路導(dǎo)線型號(hào)為2×JLHA2/G1A-400/50型鋼芯鋁合金絞線，耐張線夾型號(hào)NY-400/50A，是液壓型耐張II型線夾。為了方便特征描述，對(duì)試樣的6個(gè)壓接面進(jìn)行編號(hào)，如圖1所示。

圖1 壓接面編號(hào)示意

2 斷裂耐張線夾試驗(yàn)分析

因?yàn)殇撳^的斷裂位置在鋁套管內(nèi)部，為了保留原始斷裂形貌，避免損傷缺陷源，本文按照從宏觀檢查到材質(zhì)檢測(cè)，再到內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢測(cè)；先無損試驗(yàn)后破壞性試驗(yàn)的順序進(jìn)行試驗(yàn)分析。

2.1 斷裂耐張線夾宏觀檢查及尺寸測(cè)量

2.1.1 鋁套管宏觀檢查

送樣的耐張線夾全長約610 mm，且向一側(cè)彎曲，最大彎曲量為18 mm，變形量為2.95%，不符合標(biāo)準(zhǔn)[6]對(duì)于壓接后耐張線夾外觀質(zhì)量的要求。耐張線夾導(dǎo)線出線口嚴(yán)重變形，鋁線管與導(dǎo)流板之間的夾角為135°。在鋁套管外表面有多處刮擦、凹坑，在合模位置有多處飛邊。

2.1.2 斷裂耐張線夾鋁套管壓模質(zhì)量檢查

NY-400/50A耐張線夾鋁管壓接后對(duì)邊距的最大允許尺寸為47.50 mm[5]。用精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺檢查鋁套管靠近拉環(huán)側(cè)壓模和靠近管口壓模對(duì)邊距，結(jié)果都符合規(guī)程要求。

鋁套管表面出現(xiàn)兩處鼓包，從鋁套管表面壓印痕看，兩處鼓包的形成是因?yàn)橄噜弮赡Ｎ粗丿B；同時(shí)觀察到，鋁套管壓接表面壓印尺寸長短、深淺不一致。很明顯，壓接鋁套管選用的上下模具不匹配，這也是造成鋁套管彎曲變形的重要原因。

2.1.3 斷裂耐張線夾鋼錨宏觀檢查

按照設(shè)計(jì)圖紙要求，該耐張線夾的鋼錨應(yīng)該有3個(gè)環(huán)箍，如圖2所示；斷裂鋼錨如圖3所示，鋼錨斷裂位置為鋼錨第2環(huán)箍和第3環(huán)箍之間，距鋼錨拉環(huán)邊緣293 mm。環(huán)箍斷裂面有3側(cè)呈現(xiàn)較為整齊的6邊形，有擠壓損傷，斷口呈45°角。

圖2 NY-400/50A鋼錨設(shè)計(jì)圖（mm）

圖3 斷裂鋼錨外觀

2.2 數(shù)字化射線照相檢測(cè)

為了研究其內(nèi)部壓接的狀況，在實(shí)施破壞試驗(yàn)之前先采用數(shù)字化射線照相檢測(cè)技術(shù)DR（digital radiography）對(duì)事故斷裂送樣耐張線夾進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)鋁管實(shí)際壓接部位與鋼錨凹槽錯(cuò)位，鋼錨凹槽有2個(gè)未壓接，且壓接區(qū)存在空隙。

2.3 解剖檢查分析

2.3.1 解剖復(fù)原

將耐張線夾解剖開，并將鋼錨對(duì)接復(fù)原發(fā)現(xiàn)，鋼錨壓接管末端處的斷口與耐張線夾內(nèi)部殘留的鋼錨斷口完全吻合，鋼錨兩處凹槽未被壓接，如圖4所示。對(duì)照NY-400/50A鋼錨設(shè)計(jì)圖可以發(fā)現(xiàn)，鋼錨的一個(gè)環(huán)箍和凹槽被擠壓損傷。

圖4 耐張線夾解剖復(fù)原

2.3.2 斷口微觀分析

在體式顯微鏡下觀察鋼錨壓接管末端斷口和鋼錨管口側(cè)斷口。在圖5a中，鋼錨壓接管末端斷口大致分兩個(gè)區(qū)域，A區(qū)域是裂紋源區(qū)，B區(qū)域是裂紋瞬斷區(qū)。首先，A區(qū)域處于鋼錨受損區(qū)，受損部位往往是裂紋開始產(chǎn)生的部位；其次，觀察斷口裂紋形貌發(fā)現(xiàn)，放射條紋在A區(qū)域收斂，因此判定該區(qū)域?yàn)榱鸭y源區(qū)。B區(qū)域中的裂紋呈現(xiàn)放射狀花樣，因此是裂紋瞬斷區(qū)。在圖5b中，鋼錨管口側(cè)斷口也分為兩個(gè)區(qū)域，位置與鋼錨壓接管末端斷口區(qū)域相對(duì)應(yīng)。

2.4 鋼錨材料試驗(yàn)分析

2.4.1 直讀光譜分析

對(duì)鋼錨取樣進(jìn)行直讀光譜分析，檢測(cè)結(jié)果符合GB/T700—2006標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Q235B的要求。

圖5 鋼錨鋼錨壓接管末端和鋼管側(cè)斷口整體形貌

表1 耐張線夾鋼錨試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.4.2 硬度性能檢測(cè)

對(duì)鋼錨取樣進(jìn)行布氏硬度性能檢測(cè)，5個(gè)測(cè)點(diǎn)的硬度值均小于157 HBW，試驗(yàn)結(jié)果表明鋼錨硬度值符合DL/T 757—2009《耐張線夾》標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4.3 拉伸性能檢測(cè)

對(duì)鋼錨取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果符合GB/T700—2006標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Q235B的要求，具體如表1所示。

3 耐張線夾有限元分析

按照?qǐng)D2所示，進(jìn)行NY-400/50A三維建模。在不考慮導(dǎo)線股線間的分層應(yīng)力的情況下[7]，對(duì)耐張線夾建模時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理：7根鋼芯絲作為一個(gè)圓柱體，其截面積等于7根鋼芯絲之和，對(duì)鋁絞線也進(jìn)行類似處理。建立2個(gè)模型，模型一是鋼錨凹槽壓接緊實(shí)且鋼錨沒有損傷的耐張線夾模型；模型二是鋼錨凹槽未被壓接且鋼錨壓接管末端有1個(gè)寬1 mm、深度為2 mm的裂紋。

在導(dǎo)線遠(yuǎn)端施加固定約束，在鋼錨遠(yuǎn)端施加鋼芯鋁絞線的平均運(yùn)行張力（平均運(yùn)行張力等于鋼芯鋁合金絞線額定抗拉力的25%）。由靜力學(xué)分析可知，模型一中鋼錨口附近的鋼芯是應(yīng)力集中部位，如圖6a所示。該處最大范式（mises）等效應(yīng)力為 259.37 MPa，根據(jù) GB/T 3428—2002《鋼芯鋁絞線用鍍鋅鋼絲》的規(guī)定，直徑為3.07 mm的鋼芯的1%抗拉強(qiáng)度為1 100 MPa。有限元分析可知，耐張線夾在鋼錨凹槽壓接緊實(shí)且鋼錨完好的情況下，耐張線夾在導(dǎo)線運(yùn)行張力作用下，耐張線夾的受力狀況處于安全水平。

保持上述相同的位移邊界條件和張力載荷不變，模型二鋼錨口附近的鋼芯應(yīng)力迅速上升至940 MPa，增加了2.5倍，但是仍小于鋼芯1%的抗拉強(qiáng)度。而模型二的最大Mises等效應(yīng)力位于鋼錨損傷處，最大應(yīng)力為999.72 MPa，如圖6b所示。由2.4.3可知，鋼錨的抗拉強(qiáng)度極限為460 MPa，有限元分析可知模型二中鋼錨損傷處的應(yīng)力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋼錨的抗拉強(qiáng)度極限。

圖6 模型應(yīng)力云圖

4 耐張線夾斷裂原因分析

a）宏觀分析表明斷口位于鋼錨壓接管末端，外表面存在明顯的壓接變形損傷；體視顯微鏡下斷口形貌表明裂紋源位于壓接變形損傷最嚴(yán)重處。由此判斷該變形損傷是由鋼錨套管與鋼芯壓接時(shí)造成的。

b）DR檢測(cè)發(fā)現(xiàn)鋼錨兩處凹槽未被壓接且壓接區(qū)域未被壓實(shí)，解剖后的宏觀檢測(cè)結(jié)果與DR檢測(cè)結(jié)果一致。

c）有限元分析可知，鋼錨凹槽未被壓接且鋼錨壓接管末端有裂紋時(shí)，鋼錨口鋼芯附近的應(yīng)力會(huì)比壓接質(zhì)量良好的耐張線夾增大2.5倍；而鋼錨壓接管末端的裂紋處的應(yīng)力最大，應(yīng)力值是鋼錨極限抗拉強(qiáng)度的2倍。

鋼錨斷裂原因?yàn)殇撳^與鋼絞線壓接時(shí)，在鋼錨壓接管末端產(chǎn)生較大變形和損傷，并在此處形成裂紋源，另外，鋼錨凹槽未被壓接導(dǎo)致；在不壓接區(qū)，原本由鋁套管和鋼錨套管共同承擔(dān)的導(dǎo)線張力全部由鋼錨套管承擔(dān)，在張力的作用下裂紋源處形成很大的應(yīng)力集中，逐步擴(kuò)展，最后導(dǎo)致鋼錨斷裂。

5 結(jié)束語

a）建議在鋼錨壓接過程中，質(zhì)檢人員現(xiàn)場(chǎng)對(duì)壓接過程的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行拍照留存和記錄，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓接工藝、工序及壓接質(zhì)量全過程管控。

b）建議對(duì)壓接后的耐張線夾嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程進(jìn)行壓接質(zhì)量檢查，并按比例抽取耐張線夾進(jìn)行射線檢測(cè)，對(duì)質(zhì)量檢測(cè)不合格的耐張線夾嚴(yán)禁投入運(yùn)行，并且進(jìn)行更換處理。

c）有限元方法是一種高效的數(shù)值計(jì)算方法。有限元法將在輸電線路的故障分析中發(fā)揮重要的作用，可以模擬各種試驗(yàn)方案，減少試驗(yàn)時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，有效提高產(chǎn)品可靠性，保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。