姚貴嬌 陳作新 陸桂來 李成濤

架空輸電線路耐張線夾銹蝕及改造研究

姚貴嬌 陳作新 陸桂來 李成濤

（南京電力金具設(shè)計(jì)研究院有限公司，南京 211599）

架空輸電線路中導(dǎo)線大多裸露在大氣中，部分架空線路中耐張線夾上揚(yáng)，含有腐蝕性元素的雨水介質(zhì)會(huì)通過導(dǎo)線線股間的縫隙進(jìn)入耐張線夾鋁管空腔部位，耐張線夾鋼錨端鋁管壓接緊密，腐蝕性介質(zhì)很難排出，長期積聚在中空的鋁管內(nèi)部形成腐蝕環(huán)境，耐張線夾鋁管空腔鋼錨和鋼芯銹蝕會(huì)導(dǎo)致斷線事故。新設(shè)計(jì)雙注脂孔式耐張線夾，鋁管空腔部位設(shè)計(jì)注脂孔和排氣孔，易于注脂操作，更易于油脂注滿，耐張線夾引流板設(shè)計(jì)為雙板式，可增大線夾過電流面積、減小電阻，電氣性能優(yōu)于單板接觸式，新設(shè)計(jì)雙注脂孔式耐張線夾在性能上更加安全、穩(wěn)定、可靠。

鋼芯銹蝕；斷線；雙注脂孔；有限元分析；雙板開叉式

0 引言

目前，電力傳輸多以架空線路為主，我國的架空輸電導(dǎo)線主要采用JL/G1A系列鋼芯鋁絞線。近年來，架空輸電線路中多次出現(xiàn)耐張線夾[1]鋁管空腔鋼錨和鋼芯銹蝕導(dǎo)致的斷線事故，部分事故表現(xiàn)為導(dǎo)線鋼芯銹蝕斷裂導(dǎo)致導(dǎo)線從耐張線夾處脫落掉線，如圖1、圖2所示；部分事故表現(xiàn)為在X光探測(cè)中發(fā)現(xiàn)耐張線夾鋁管壓接區(qū)域鋼芯斷裂，如圖3所示；部分事故表現(xiàn)為耐張線夾鋁管不壓區(qū)域進(jìn)水后結(jié)冰鼓脹開裂等情況[2]，如圖4所示。

圖1 鋼芯銹蝕斷裂、鋁管脫落

圖2 鋼芯銹蝕斷裂、鋁管斷裂

圖3 鋼錨銹蝕、鋁管發(fā)熱

圖4 耐張線夾鼓脹開裂

1 耐張線夾銹蝕原因

目前在運(yùn)的架空輸電線路導(dǎo)線大多裸露在大氣中，輸電線路長，許多處于地形復(fù)雜處且工作在惡劣的大自然環(huán)境和各種小氣候環(huán)境中。隨著全球變暖，自然災(zāi)害越來越頻繁，雨天較多，有些為酸雨，且沿海地區(qū)空氣中含有鹽分，有些特殊線路長期經(jīng)受山間雨霧和陰濕天氣影響。對(duì)發(fā)生故障的耐張線夾內(nèi)部銹蝕鋼芯表面進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)主要為O、Fe、Zn、Al元素，還出現(xiàn)了S、Cl、P等元素，證明腐蝕性產(chǎn)物存在。部分架空線路中耐張線夾上揚(yáng)，含有腐蝕性元素的雨水介質(zhì)會(huì)通過導(dǎo)線線股間的縫隙進(jìn)入耐張線夾鋁管空腔部位，耐張線夾鋼錨端鋁管壓接緊密，腐蝕性介質(zhì)很難排出，長期積聚在中空的鋁管內(nèi)部形成腐蝕環(huán)境，腐蝕性介質(zhì)會(huì)和鋁管空腔部位鋼錨和鋼芯發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或電化學(xué)反應(yīng)。鋼絲的裸露表面大都以均勻腐蝕為主，其中部分鋼絲在表面腐蝕到一定程度時(shí)，在張應(yīng)力作用下首先產(chǎn)生拉伸斷裂，部分鋼絲則較晚發(fā)生斷裂[3]。鋁管內(nèi)所有鋼制件表面的嚴(yán)重腐蝕特征及斷裂鋼絲的斷口表明，鋼芯鋼絲的先后斷裂過程持續(xù)了較長時(shí)間。鋼芯線斷裂導(dǎo)致外包鋁管在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生超載滑脫。

對(duì)發(fā)生故障的導(dǎo)線及耐張線夾進(jìn)行金相組織分析發(fā)現(xiàn)，鋼芯斷裂部位鐵素體明顯增大增粗，表明該部位曾受到較長時(shí)間加熱（溫度低于540℃）[4]，導(dǎo)致鐵素體生長，鐵素體的增多會(huì)導(dǎo)致材料屈服強(qiáng)度降低。鋼絲外壁鍍鋅層由根部向斷口方向逐漸變薄至消失，同時(shí)斷口因過載拉伸出現(xiàn)頸縮直至斷裂特征，斷口的斷面與拉力方向呈45°，且斜斷面平整、規(guī)則，在斷口處可見沿軸向由斷口向內(nèi)部擴(kuò)展的腐蝕裂紋，深約50mm，氧化層較厚約450mm。

對(duì)鋼錨壓接出口處金相組織進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，與斷裂鋼芯相鄰的鋼錨處也曾受到較長時(shí)間加熱，導(dǎo)致晶粒變大，晶粒有輕微形變特征。鋼芯斷裂部位的鋼錨外壁腐蝕嚴(yán)重，腐蝕坑最深約400mm，且被腐蝕出圓弧狀，可見腐蝕裂紋，裂紋深約350mm，氧化層厚700mm；鋼錨內(nèi)壁無明顯腐蝕。金相組織圖如圖5所示。

圖5 金相組織圖

2 改造方案

根據(jù)對(duì)耐張線夾腐蝕原因的分析，擬設(shè)計(jì)新型耐張線夾，重點(diǎn)研究抵抗線夾空腔進(jìn)水措施，從而解決鋼錨壓接部位和鋼錨壓接出口處鋼芯因接觸腐蝕性元素而產(chǎn)生銹蝕的問題。

耐張線夾上揚(yáng)時(shí)，由于水可通過導(dǎo)線線股之間的間隙進(jìn)入耐張線夾空腔，導(dǎo)線線徑越大（股數(shù)越多），水越容易進(jìn)入，導(dǎo)線線徑越?。ü蓴?shù)越少），水越不易進(jìn)入。耐張線夾鋁管（鋼錨端）壓接密實(shí)，上揚(yáng)耐張線夾進(jìn)水后，水存于空腔內(nèi)無法流出。新型耐張線夾考慮鋁管空腔部位注脂防止雨水等進(jìn)入引起鋼芯與鋼錨銹蝕，設(shè)計(jì)非壓接式注脂孔，為便于運(yùn)維時(shí)補(bǔ)充施工漏充或長期運(yùn)行后缺失的油脂，注脂孔設(shè)計(jì)在非壓接區(qū)，可根據(jù)運(yùn)維情況打開或密封。注脂孔密封采用螺紋結(jié)構(gòu)，要求注脂孔在導(dǎo)線最大運(yùn)行張力時(shí)不發(fā)生永久變形，以免螺釘無法松緊，所以要對(duì)鋁管進(jìn)行拉力校核。

對(duì)新型耐張線夾開展理論應(yīng)力計(jì)算、有限元仿真分析和鋁管拉力校核試驗(yàn)。導(dǎo)線JL/G1A—400/50配套標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)耐張線夾鋁管外徑為45mm，內(nèi)徑為29.5mm。銹蝕改造方案設(shè)計(jì)耐張線夾鋁管在空腔部位加工注脂孔和排氣孔，注脂孔與排氣孔結(jié)構(gòu)相同，簡稱為雙注脂孔耐張線夾。截面未加工孔的鋁管在受軸向拉伸時(shí)，在鋁管截面上的應(yīng)力均勻分布。如果在鋁管上加工圓孔，沿圓孔直徑的鋁管橫截面上應(yīng)力分布將發(fā)生變化，圓孔附近的應(yīng)力將急劇增高，而最大應(yīng)力發(fā)生在孔邊，隨著到孔邊的距離逐漸增加，應(yīng)力逐漸減小并趨于均勻?？紤]應(yīng)力集中后，耐張線夾在最大運(yùn)行張力時(shí)注脂孔與排氣孔不發(fā)生永久變形，否則注脂孔和排氣孔變形后螺釘無法緊固封堵，且存在滲水后銹蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 耐張鋁管的理論計(jì)算分析

耐張線夾鋁管的材料牌號(hào)為1 050A[6]，抗拉強(qiáng)度按60～80MPa計(jì)算，屈服強(qiáng)度為40MPa。耐張鋁管一般需承受鋁線額定拉斷力的40%即25.6kN且注脂孔不產(chǎn)生永久變形。標(biāo)準(zhǔn)耐張線夾鋁管外徑45mm、內(nèi)徑29.5mm，承受25.6kN時(shí)，加工孔后鋁管的名義平均應(yīng)力為31.45MPa，考慮應(yīng)力集中系數(shù)后，管徑45mm鋁管的理論計(jì)算注脂孔邊最大應(yīng)力為65.73MPa，此最大應(yīng)力高于鋁管屈服強(qiáng)度40MPa，注脂孔產(chǎn)生變形。考慮增大耐張線夾鋁管管徑來降低注脂孔邊最大應(yīng)力，按照上述內(nèi)容提到的應(yīng)力公式，理論計(jì)算鋁管承受25.6kN時(shí)，管徑需達(dá)到55mm才能滿足注脂孔邊最大應(yīng)力小于40MPa的要求。導(dǎo)線JL/G1A—400/50 新設(shè)計(jì)配套非標(biāo)準(zhǔn)耐張線夾鋁管管徑55mm，鋁管加工注脂孔后的名義平均應(yīng)力為16.63MPa，考慮應(yīng)力集中系數(shù)后，理論計(jì)算注脂孔邊最大應(yīng)力為35.56MPa，低于鋁管屈服強(qiáng)度40MPa，注脂孔不變形。適用導(dǎo)線JL/G1A—400/50耐張線夾不同管徑鋁管的理論應(yīng)力計(jì)算值見表1。

表1 鋁管外徑45mm和55mm的理論應(yīng)力計(jì)算值

2.2 耐張鋁管的有限元仿真分析

現(xiàn)對(duì)加工注脂孔后的標(biāo)準(zhǔn)耐張線夾45mm管徑鋁管和新設(shè)計(jì)耐張線夾55mm管徑鋁管，施加鋁線額定拉斷力的40%即25.6kN載荷情況下進(jìn)行有限元仿真分析，鋁管受力分析示意圖如圖6所示，鋁管應(yīng)力分布如圖7和圖8所示。

由仿真結(jié)果可知，45mm管徑鋁管理論計(jì)算最大應(yīng)力值為65.73MPa，仿真分析的應(yīng)力最大值在注脂孔邊為66.21MPa；55mm管徑鋁管理論計(jì)算最大應(yīng)力值為35.56MPa，仿真分析的應(yīng)力最大值為37.26MPa，也位于注脂孔邊。兩種管徑鋁管理論計(jì)算最大應(yīng)力與仿真分析最大應(yīng)力的結(jié)果基本一致。

2.3 耐張鋁管的拉力試驗(yàn)

加工導(dǎo)線JL/G1A—400/50用常規(guī)耐張管徑鋁管和新設(shè)計(jì)雙注脂孔耐張管徑鋁管試件，進(jìn)行拉力試驗(yàn)[7]，要求實(shí)際注脂孔變形時(shí)載荷需超過鋁線額定拉斷力的40%。

耐張線夾外徑45mm鋁管注脂孔變形時(shí)載荷為23.0kN，未達(dá)到導(dǎo)線JL/G1A—400/50鋁線額定拉斷力的40%即25.6kN，不滿足要求。增大耐張管外徑至55mm，鋁管的變形力為50.1kN，超過25.6kN，滿足要求。鋁管試件實(shí)際載荷見表2。

表2 鋁管試件實(shí)際載荷

2.4 導(dǎo)線配套新耐張線夾設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

匹配導(dǎo)線JL/G1A—400/50參數(shù)，鋼7/3.07，鋁54/3.07，鋼截面積為51.82mm2，鋁截面積為399.73mm2，導(dǎo)線外徑為27.63mm，計(jì)算拉斷力為123.4kN。該導(dǎo)線配套新耐張線夾設(shè)計(jì)雙注脂孔，注脂孔布置于鋁管不壓區(qū)，距鋁管兩邊壓接部位各35mm，雙孔設(shè)計(jì)更易于注脂操作，保證鋁管空腔油脂充滿，同時(shí)方便觀察。注脂孔用螺紋處涂抹耐高溫防水軟膠的螺釘封堵，封堵效果好。引流板采取雙板設(shè)計(jì)[8]，鋼錨采用原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。新設(shè)計(jì)耐張線夾樣圖如圖9所示。

圖9 新設(shè)計(jì)耐張線夾樣圖

針對(duì)新設(shè)計(jì)耐張線夾開展系列試驗(yàn)[9]：電阻溫升試驗(yàn)、握力試驗(yàn)、注脂對(duì)比試驗(yàn)、注脂孔封堵效果對(duì)比試驗(yàn)等，并制定新耐張線夾的壓接工藝[10]。

新設(shè)計(jì)耐張線夾電阻小于等長參考導(dǎo)線電阻，線夾溫升值低于導(dǎo)線溫升值；耐張線夾實(shí)際拉斷力高于導(dǎo)線規(guī)定握力值；耐張線夾注脂孔和排氣孔同時(shí)敞開未封堵較耐張線夾排氣孔封堵更易于注脂操作，且更易于保證鋁管空腔油脂充滿，同時(shí)方便觀察，油脂充滿能有效防止耐張線夾腐蝕；雙注脂孔采用螺釘緊固，并在螺紋處涂耐高溫防水軟膠，可有效防止油脂滲出，電網(wǎng)運(yùn)行中，兩孔非壓接，方便運(yùn)維過程中進(jìn)行補(bǔ)脂操作；耐張線夾壓后鋼管涂富鋅漆，在同等高溫與同等酸性溶液環(huán)境中，涂富鋅漆可以有效延緩試件腐蝕。

3 結(jié)論

架空線路中耐張線夾上揚(yáng)布置引發(fā)鋁管空腔進(jìn)水，導(dǎo)致鋼芯與鋼錨銹蝕。防止進(jìn)水措施為在耐張線夾鋁管空腔內(nèi)填充油脂，現(xiàn)有注脂式耐張線夾為單注脂孔，注脂孔布置于鋁管壓接部位，注脂不便同時(shí)也不便于觀察，注脂后用封頭封堵壓接，單注脂孔壓后部分線夾存在滲脂現(xiàn)象。

新設(shè)計(jì)雙注脂孔式線夾便于注脂充滿且易于觀察，導(dǎo)線最大運(yùn)張力下注脂孔不變形，方便松擰螺釘、便于運(yùn)維檢查油脂填充情況及補(bǔ)充注脂。螺釘螺紋處涂抹耐高溫防水軟膠封堵，封堵效果好，可有效防止油脂滲出。

新設(shè)計(jì)雙注脂孔式耐張線夾在性能上更加安全、穩(wěn)定、可靠，已在某試驗(yàn)基地模擬掛網(wǎng)運(yùn)行。

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Research on corrosion and renovation of strain clamps in overhead transmission lines

YAO Guijiao CHEN Zuoxin LU Guilai LI Chengtao

(Nanjing Electric Power Fittings Design and Research Institute Co., Ltd, Nanjing 211599)

Most conductors in overhead transmission lines are exposed to the atmosphere and some tension clamps are uplifted, then the rainwater medium containing corrosive elements enters the aluminum tube cavity of the strain clamps through the gaps between the conductor strands. Due to the tight crimping of the aluminum tube at the anchor end, the corrosive medium is difficult to discharge. It accumulates inside the hollow aluminum tube for a long time then forms a corrosive environment where the steel anchor and steel core corrodes and eventually leads to a conductor breakage accident. The newly designed double-grease-hole strain clamp adds grease-injection holes and vent holes in the aluminum tube cavity, which is easy for grease-injection operations and easier to fill up with grease. Furthermore, the strain clamp adopts a double-plate type guide plate, which can increase the over-current area and reduce the resistance so that its electrical performance is better than that of single-plate type. In conclusion, the newly designed double-grease-hole strain clamp is safer, more stable and more reliable in performance.

steel core corrosion; conductor breakage; double-grease-hole; finite element analysis; double-plate split type

2022-09-09

2022-09-29

姚貴嬌（1984—），女，遼寧省撫順市人，本科，高級(jí)工程師，主要從事電力金具設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究工作。