陳 浩，田 峰，張 濤，謝利明，孫云飛

（1.內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)高電壓與絕緣技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010020）

0 引言

懸式絕緣子一般由絕緣件（如瓷件、玻璃件）和金屬附件（如鋼腳、鐵帽、法蘭等）用膠合劑膠合或接卸卡裝而成，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且制造成本低，在電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。作為高壓輸電線路的重要設(shè)備之一，懸式絕緣子主要承擔(dān)懸掛導(dǎo)線和對(duì)鐵塔絕緣的重要任務(wù)[1-2]。輸電線路中懸式絕緣子是并聯(lián)運(yùn)行的，任何一片絕緣子出現(xiàn)問題都會(huì)造成輸電線路故障，甚至長(zhǎng)時(shí)間停電事故，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文以某110 kV 輸電線路懸式絕緣子為例，對(duì)其斷裂原因進(jìn)行分析，以避免同類型絕緣子失效問題再次發(fā)生。

1 設(shè)備概況

某110 kV輸電線路在導(dǎo)線架設(shè)完成后，耐張段輸電鐵塔相繼發(fā)生兩起因懸式絕緣子鋼腳脫落引發(fā)的掉串事故。該線路位于丘陵溝壑山區(qū)，地勢(shì)起伏不大，坡度平緩。事故發(fā)生在冬季，氣溫較低，風(fēng)速穩(wěn)定均勻，風(fēng)力等級(jí)在1—3級(jí)。鋼腳斷裂的懸式絕緣子為高壓側(cè)的第一片絕緣子，型號(hào)為U100BP/146D，鋼腳直徑為12 mm，材質(zhì)為45號(hào)鋼，其表面采用熱浸鍍鋅防腐工藝處理。為找出懸式絕緣子鋼腳斷裂原因，對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)分析。

2 理化檢驗(yàn)

2.1 宏觀檢驗(yàn)

對(duì)鋼腳斷裂的懸式絕緣子進(jìn)行宏觀形貌檢查，發(fā)現(xiàn)懸式絕緣子鋼腳沿著球頭與桿部結(jié)合部位斷裂，鋼腳與鋼帽不存在明顯偏心現(xiàn)象。斷面內(nèi)疲勞源、疲勞擴(kuò)展區(qū)及瞬斷區(qū)清晰可見，擴(kuò)展區(qū)具有明顯的疲勞弧線，除瞬斷區(qū)外，斷口平坦無塑性變形，斷面粗糙，色澤為亮灰色，未見明顯腐蝕損傷，整個(gè)斷口宏觀形貌符合典型的疲勞斷裂特征（如圖1 所示）。

圖1 鋼腳斷口的懸式絕緣子宏觀形貌Fig.1 The macro morphology of suspension insulator with broken steel foot

2.2 金相分析

對(duì)斷裂的鋼腳取樣進(jìn)行顯微組織分析，發(fā)現(xiàn)鋼腳的金相組織為鐵素體+回火索氏體，未見過熱、過燒組織及夾雜物，且無明顯塑性變形（如圖2所示）。

圖2 斷裂的鋼腳金相組織Fig.2 Metallographic structure of broken steel foot

2.3 化學(xué)成分檢測(cè)

對(duì)斷裂的懸式絕緣子鋼腳取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見表1。結(jié)果表明，鋼腳化學(xué)成分中各元素含量滿足GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)45號(hào)鋼的化學(xué)成分要求。

表1 懸式絕緣子鋼腳各化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Test result of chemical composition mass fraction of steel foot of suspension insulator %

2.4 斷口分析

利用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)懸式絕緣子的鋼腳斷口進(jìn)行檢測(cè)（如圖3 所示）。可以看出，鋼腳斷口擴(kuò)展區(qū)可見大量疲勞條帶，且不同區(qū)域的疲勞條帶方向不同，具有典型的疲勞斷裂特征；瞬斷區(qū)可以觀察到大量等軸韌窩，屬于韌性斷裂。

圖3 懸式絕緣子鋼腳斷口SEM形貌Fig.3 The SEM morphology of fracture surface of suspension insulator with broken steel foot

2.5 有限元分析

通過實(shí)際測(cè)量懸式絕緣子各部位尺寸，并對(duì)鋼帽和傘裙進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，利用三維造型軟件構(gòu)建相應(yīng)的幾何模型（如圖4所示）。為準(zhǔn)確模擬分析懸式絕緣子鋼腳在導(dǎo)線風(fēng)偏舞動(dòng)時(shí)的受力狀態(tài)，在分析模型中對(duì)懸式絕緣子鋼帽施加固定約束，對(duì)鋼腳球頭施加彎曲載荷和軸向拉伸載荷，模型采用網(wǎng)格四面體單元，節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)量分別為40 673 和12 499個(gè)[3]。圖5為懸式絕緣子鋼腳的應(yīng)力分布云圖，可以看出，導(dǎo)線在大風(fēng)天氣下隨風(fēng)擺動(dòng)時(shí)，整個(gè)鋼腳最大應(yīng)力出現(xiàn)在球頭與桿部的結(jié)合部位，與鋼腳實(shí)際斷裂位置一致[4-5]。

圖4 懸式絕緣子幾何模型Fig.4 The Geometrical model for suspension insulator with broken steel foot

圖5 懸式絕緣子鋼腳的應(yīng)力分布云圖Fig.5 The stress distribution map for the suspension insulator with broken steel foot

2.6 硬度檢測(cè)

對(duì)懸式絕緣子斷裂的鋼腳取樣進(jìn)行硬度檢測(cè)，鋼腳布氏硬度值在145～153，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 699—2015中對(duì)退火供貨狀態(tài)的45 號(hào)鋼的硬度要求為≤197，因此其硬度值滿足使用要求。

3 斷裂原因分析

斷裂的懸式絕緣子鋼腳化學(xué)成分及布氏硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，因此排除了因材質(zhì)錯(cuò)用導(dǎo)致鋼腳斷裂的可能。此外，鋼腳金相組織未發(fā)生拉長(zhǎng)變形，且未見過熱、過燒等異常組織，說明熱加工工藝對(duì)鋼腳的斷裂影響較小。

平坦開闊的地形及穩(wěn)定緩慢的微風(fēng)對(duì)導(dǎo)線的微振起促進(jìn)作用?，F(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，該線路位于丘陵溝壑山區(qū)，地形相對(duì)平緩，對(duì)氣流的擾亂作用較小。該事故發(fā)生在冬季，事發(fā)當(dāng)天風(fēng)速在5 m/s 左右，在這樣的風(fēng)速及地形條件下導(dǎo)線極易發(fā)生微風(fēng)振動(dòng)。此外，在輸電線路導(dǎo)線架設(shè)完成后，因天氣原因未在第一時(shí)間安裝防震錘等金屬附件，因此無法有效減少或消除導(dǎo)線振動(dòng)的影響[6-9]。

高壓側(cè)第一片懸式絕緣子直接與導(dǎo)線線夾相連，一旦導(dǎo)線發(fā)生振動(dòng)，該處作為振動(dòng)的起始點(diǎn)，振幅高、應(yīng)力大，服役條件相對(duì)其他部位惡劣。同時(shí)，懸式絕緣子鋼腳的球頭與桿部的結(jié)合處屬于變截面區(qū)域，在外力作用下極易形成應(yīng)力集中。當(dāng)導(dǎo)線發(fā)生微振時(shí)，懸式絕緣子鋼腳處將產(chǎn)生與導(dǎo)線微振周期相同的循環(huán)應(yīng)力，且沿著應(yīng)力集中效應(yīng)明顯的鋼腳球頭與桿部結(jié)合部位開裂，并以疲勞的形式不斷擴(kuò)展。此外，線路架設(shè)地區(qū)冬季氣溫極低且晝夜溫差較大，造成導(dǎo)線的張力升高，振動(dòng)頻率加快，也在一定程度上加劇了懸式絕緣子鋼腳的疲勞損傷及斷裂進(jìn)程[10-16]。

4 建議

針對(duì)本次懸式絕緣子鋼腳斷裂故障，提出以下建議。

首先，基建過程中輸電線路導(dǎo)線架設(shè)完成后，在第一時(shí)間應(yīng)安裝防震錘等金屬附件，防止導(dǎo)線發(fā)生微風(fēng)振動(dòng)；其次，冬季施工應(yīng)充分考慮氣溫低及溫差大的特點(diǎn)，避免因?qū)Ь€張力過高引發(fā)微風(fēng)振動(dòng)；再次，因懸式絕緣子鋼腳斷裂于碗頭內(nèi)且尺寸細(xì)小，比較隱蔽，在常規(guī)線路巡視時(shí)不易發(fā)現(xiàn)，建議加強(qiáng)該輸電線路的巡視力度及登檢頻次，必要時(shí)可進(jìn)行磁粉無損探傷，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)更換處理；最后，新更換的懸式絕緣子鋼腳應(yīng)開展化學(xué)成分及金相組織檢測(cè)，以確保鋼腳的質(zhì)量，避免質(zhì)量不合格的懸式絕緣子投入電網(wǎng)使用。