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        220 kV線路U型掛環(huán)斷裂故障分析①

        2021-05-16 14:33:02曹先慧
        礦冶工程 2021年2期
        關(guān)鍵詞:金具絕緣子斷口

        黃 蓉,謝 億,馮 超,王 軍,曹先慧

        (1.湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司,湖南 長(zhǎng)沙410004;2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院,湖南 長(zhǎng)沙410007)

        U型掛環(huán)和線夾鋼錨是電力輸電線路上的通用金具。U型掛環(huán)常用于架空電力線路和變電站聯(lián)結(jié)絕緣子或鋼絞線與桿塔的固定;線夾鋼錨用來(lái)將導(dǎo)線(包括避雷線)固定在非直線桿塔的絕緣子串上,也用來(lái)固定拉線桿塔的導(dǎo)線。因此其對(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[1-4]。

        在電力線路中電力金具是關(guān)系到線路安全運(yùn)行的重要部件,金具的失效或損壞將導(dǎo)致線路的破壞和斷電,因此,金具必須具有很高的可靠性[5-6]。

        1 故障概況

        近期電網(wǎng)某供電公司運(yùn)維的220 kV某線路B相故障跳閘,故障巡視發(fā)現(xiàn)牽引站終端塔左側(cè)架空地線連接金具發(fā)熱燒傷,導(dǎo)致架空地線脫落到導(dǎo)線上跳閘,右側(cè)架空地線與鐵塔連接處在高鐵經(jīng)過時(shí)有發(fā)熱紅點(diǎn)。

        終端塔塔型DJC31A-21,前側(cè)檔距63 m,地線型號(hào)XGJ-100,耐張線夾型號(hào)NY-100G,U型掛環(huán)型號(hào)U-10,鋼錨和掛環(huán)材質(zhì)均為Q235A,該線路于2009年11月份投運(yùn)。

        2 斷裂故障分析

        2.1 宏觀檢查

        故障處U型掛環(huán)和鋼錨表面均未明顯銹蝕,U型掛環(huán)在底部已完全斷開,斷口部位磨損痕跡明顯,并有高溫變色痕跡,見圖1和圖2。鋼錨與U型掛環(huán)接觸處內(nèi)側(cè)磨損減薄嚴(yán)重,整個(gè)鋼錨鋼環(huán)均有高溫變色,見圖3。

        圖1 U型掛環(huán)斷口形貌

        圖3 線夾鋼錨磨損和高溫變色形貌

        2.2 金相分析

        用電火花線切割的方法對(duì)U型掛環(huán)斷裂處和遠(yuǎn)離斷口處取樣進(jìn)行金相組織分析,發(fā)現(xiàn)斷口附近金相組織異常,為過熱魏氏體組織[7],見圖4;而對(duì)遠(yuǎn)離斷口組織為鐵素體和珠光體,屬于正常的Q235A鍛造組織,見圖5。

        2.3 化學(xué)成分分析

        對(duì)U型掛環(huán)和線夾鋼錨進(jìn)行化學(xué)成分分析,檢測(cè)結(jié)果詳見表1。由表1可知,2種金具的化學(xué)成分均符合GB/T 700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》[8]標(biāo)準(zhǔn)要求。

        圖4 斷口附近金相組織

        圖5 遠(yuǎn)離斷口金相組織

        表1 金具化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%

        2.4 硬度檢測(cè)

        對(duì)U型掛環(huán)斷口附近異常組織和遠(yuǎn)離斷裂的正常組織進(jìn)行維氏硬度檢測(cè),硬度檢測(cè)取樣方法參見文獻(xiàn)[9]。測(cè)得斷口異常組織、遠(yuǎn)離斷口正常組織的平均硬度分別為130.6HV和114.2HV,斷口附近異常組織顯微硬度較正常組織高。

        2.5 金具載荷計(jì)算

        依據(jù)故障發(fā)生單位提供的地線檔距、放線應(yīng)力等數(shù)據(jù),采用有限元軟件Midascivil 8.65對(duì)該地線進(jìn)行了仿真力學(xué)模擬計(jì)算,受力云圖如圖6所示。U型掛環(huán)與地線鋼錨處的應(yīng)力最大,軸向拉力為21.2 kN。

        2.6 掃描電鏡分析

        采用掃描電鏡分析U型掛環(huán)磨損表面的形貌[8-9],取樣位置見圖3,U型掛環(huán)磨損表面的形貌見圖7。磨損表面呈現(xiàn)顯著的黏著磨損特征,高倍下發(fā)現(xiàn),磨損表面存在裂紋特征。表面呈現(xiàn)出球狀金屬塊被擦傷的特征,這是金屬快速熔融后快速凝固形成的球狀金屬,在隨后的磨損過程中被擦傷。

        圖6 設(shè)計(jì)竣工工況作用下拉索單元內(nèi)力(高懸掛點(diǎn)21.2 kN)

        圖7 U型掛環(huán)磨損形貌

        3 故障原因分析

        U型掛環(huán)和線夾鋼錨成分正常,遠(yuǎn)離斷口處的顯微組織為Q235A典型鐵素體加珠光體,說(shuō)明金具本身的質(zhì)量合格。

        U型掛環(huán)和線夾鋼錨在接觸受力處發(fā)生失效,斷口有高溫變色,金相顯微組織檢測(cè)發(fā)現(xiàn)斷口附近組織異常,與遠(yuǎn)離斷口的顯微組織明顯不同,且該處的維氏硬度比正常組織的維氏硬度高,說(shuō)明該部位存在高溫,其溫度超過了鐵碳FeC相圖AC1轉(zhuǎn)變溫度(727℃)。同時(shí),故障巡視時(shí)發(fā)現(xiàn)右側(cè)同部位存在發(fā)熱紅點(diǎn),確定該處有電流導(dǎo)致的發(fā)熱,進(jìn)一步佐證該處存在高溫。另外據(jù)牽引站提供數(shù)據(jù),無(wú)高鐵通過時(shí)該架空地線接地引下線電流大小約為70 A,高鐵通過時(shí),地電位抬升,該部位的電流應(yīng)該會(huì)瞬間增大,地線鋼錨與鐵塔掛環(huán)接觸處的溫度會(huì)進(jìn)一步升高。

        同時(shí),U型掛環(huán)與地線鋼錨屬于活動(dòng)連接,力學(xué)分析該處的軸向拉力達(dá)到21.2 kN,日常運(yùn)行中U型掛環(huán)和鋼錨接觸點(diǎn)會(huì)發(fā)生碰磨。U型掛環(huán)和鋼錨材料均為Q235A,常溫下該材料可以適應(yīng)磨損工況,但在高溫環(huán)境下,其材料的強(qiáng)度及硬度均會(huì)下降,且溫度越高性能惡化越嚴(yán)重,接觸部位的磨損也越多。該線路從2009年投入運(yùn)行以來(lái)已經(jīng)超過10年,長(zhǎng)期運(yùn)行最終導(dǎo)致接觸部位磨損斷裂失效。

        4 隱患排查

        4.1 排查情況

        對(duì)湖南省高鐵、地鐵牽引站在相近工況條件下使用U型掛環(huán)和線夾鋼錨的供電線路共192條進(jìn)行了排查,其中220 kV線路56條。排查具體情況如下:存在隱患的線路共116條,其中220 kV線路38條。

        4.2 治理建議

        針對(duì)存在的兩類隱患情況:架空地線與站內(nèi)地網(wǎng)直接短接、終端塔地網(wǎng)與站內(nèi)地網(wǎng)相連,分別提出治理建議。

        4.2.1 架空地線與站內(nèi)地網(wǎng)直接短接

        全省共有114條線路存在架空地線與站內(nèi)地網(wǎng)直接短接的情況,其中有38條220 kV線路。經(jīng)查有7條線路存在地線金具燒蝕情況,建議對(duì)存在燒蝕情況的地線進(jìn)行更換,更換時(shí)在金具連接部位加裝多根預(yù)絞絲進(jìn)行分流,提高金具連接部位導(dǎo)流能力。該方案通過降低通過金具的電流來(lái)降低金具電腐蝕發(fā)生的概率。

        架空地線與站內(nèi)地網(wǎng)直接短接有3種類型,分別為絕緣子間隙短接75條、通過接地引下線接地網(wǎng)23條和架空地線未經(jīng)絕緣子接門架16條。

        1)針對(duì)絕緣子間隙短接的情況,建議與鐵路部門協(xié)商,拆除短接裝置恢復(fù)放電間隙,保證絕緣子的有效絕緣。

        2)針對(duì)通過接地引下線接地網(wǎng)的情況,建議與鐵路部門協(xié)商,拆除接地引下線,使地線通過地線絕緣子接地。

        3)針對(duì)架空地線未經(jīng)過絕緣子接門架的情況,建議在地線和門架之間加裝帶間隙地線絕緣子。

        4.2.2 終端塔地網(wǎng)與站內(nèi)地網(wǎng)相連

        全省共有19條線路存在終端塔地網(wǎng)與站內(nèi)地網(wǎng)相連的情況,其中9條220 kV線路。在終端塔地網(wǎng)與站內(nèi)地網(wǎng)相連的線路中,有17條線路同時(shí)存在架空地線與站內(nèi)地網(wǎng)直接短接的情況。

        終端塔地網(wǎng)與站內(nèi)地網(wǎng)相連時(shí),建議對(duì)相關(guān)線路接地進(jìn)行開挖,斷開終端塔與牽引站地網(wǎng)的連接。針對(duì)其中同時(shí)存在架空地線與站內(nèi)地網(wǎng)直接短接的情況,還需根據(jù)短接方式對(duì)牽引站門架與地線連接處采取相應(yīng)措施,切斷地線與站內(nèi)地網(wǎng)的直接連接。

        5 結(jié)論及建議

        U型掛環(huán)和線夾鋼錨的材質(zhì)、金相、硬度等性能指標(biāo)均合格,其斷裂的主要原因是高鐵運(yùn)行經(jīng)過時(shí)地線存在電流通過,U型掛環(huán)與線夾鋼錨接觸不良發(fā)熱進(jìn)而發(fā)生高溫磨損,長(zhǎng)期運(yùn)行后最終導(dǎo)致斷裂失效。因此建議:①對(duì)全省高鐵、地鐵牽引站在相近工況條件下使用U型掛環(huán)和線夾鋼錨的供電線路進(jìn)行隱患排查,針對(duì)性的治理存在隱患的線路。②對(duì)全省高鐵、地鐵牽引站線路終端塔地線其他金具進(jìn)行排查,并針對(duì)性治理。③在U型掛環(huán)與線夾鋼錨連接處加裝引流線,利于過流,避免因接觸不良引起發(fā)熱而導(dǎo)致高溫磨損。

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