吉林省送變電工程有限公司 張國理

1 線路基本情況

某500kV 輸電線路項(xiàng)目處于我國中溫帶季風(fēng)氣候地理位置，極易受到強(qiáng)風(fēng)帶來的影響，導(dǎo)致其平均風(fēng)速大于5m/s。由于地形復(fù)雜，該地區(qū)風(fēng)速較大。在例行檢查中，可以發(fā)現(xiàn)線路的732號桿塔地線懸垂線夾的承重軸一側(cè)出現(xiàn)了輕微的斷裂，不過地線主體并沒有問題。深入剖析發(fā)現(xiàn)，這個(gè)桿塔位于丘陵地帶，高度為54m，地線懸垂線夾型號為XGU-2F 型，屬于G13型。進(jìn)一步判斷其他幾個(gè)桿塔的懸垂線夾也存在磨損情況，其中721號和736號塔的地線懸垂線夾磨損特別嚴(yán)重。具體來說，721號和736號塔的地線線夾承重軸初始直徑分別為16mm，但現(xiàn)在分別減小到14.6mm和13.4mm。721號塔的磨損斷面是8.578mm2，占總面積的4.27%。而736號塔的磨損斷面更大，達(dá)到了21.22mm2，占總面積的10%。

2 懸垂線夾承重軸磨損原因

2.1 外觀檢查

承重軸斷裂的地線懸垂線夾承重軸斷口分為兩個(gè)部分：其中某些斷口呈現(xiàn)出光亮狀態(tài)，表面結(jié)構(gòu)十分平滑，屬于長時(shí)間磨損而出現(xiàn)的陳舊斷口，占據(jù)整個(gè)斷口的80%面積。其他斷口則有著明顯的脆性斷裂特征，屬于瞬間斷裂情況。對斷口予以觀察發(fā)現(xiàn)，斷口上沒有肉眼可見的制造缺陷。

結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析，XGU-2F 型懸垂線夾本體及壓板均采用牌號不低于KT33-8的可鍛鑄鐵制造，這些材料在制造過程中經(jīng)過了嚴(yán)格的檢驗(yàn)和篩選，以確保其能夠承受破壞荷載不小于38.2kN 的壓力[1]。根據(jù)測量結(jié)果顯示，732號塔地線懸垂線夾掛板孔徑為18.8mm，需要負(fù)責(zé)人考慮到該裝置有著較長運(yùn)行時(shí)間，掛板必定會出現(xiàn)某種程度的磨損，能夠判定該掛板孔徑符合各項(xiàng)基本要求[2]。由于懸垂線夾存在長度、高度和質(zhì)量三個(gè)方面的尺寸問題，加之承重軸斷裂的狀況，因此需要對該型號的懸垂線夾進(jìn)行全面檢查和評估。最后，732號塔磨損的線線夾的外觀尺寸檢查結(jié)果見表1。

表1 外觀尺寸檢查結(jié)果

732號塔地線的懸垂線夾在電焊加工補(bǔ)強(qiáng)時(shí)經(jīng)過了嚴(yán)格的淬火和回火處理，這使得其表面留下了明顯的熱處理痕跡。不過在焊接加固的過程中，由于焊接電流和溫度控制不當(dāng)，線夾的掛孔也受到了輕微的影響，出現(xiàn)了變形和焊渣問題。若是掛孔內(nèi)壁并沒有根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)完成打磨處理，僅是借助雙手觸摸其內(nèi)壁，就能夠感受到凸起。這些凸起部位和承重軸斷裂部位有著高度一致，表示掛孔內(nèi)壁存在的凸起位置會增重懸垂線夾上原有承重軸的磨損情況。掛板磨損情況和承重軸進(jìn)行對比要更加輕，導(dǎo)致該問題的主要因素是掛板和承重軸所采用的施工材料不大相同。掛板通常是由碳素結(jié)構(gòu)鋼生產(chǎn)制作，但生產(chǎn)承重軸采用的是鑄鐵材料，硬度較低。由此可見，懸垂線夾存在一定的質(zhì)量問題，其掛孔內(nèi)壁的凸起部位可能對承重軸造成了影響，并且由于掛板和承重軸的材料不同，受到的磨損程度也不同。

2.2 材質(zhì)檢測

結(jié)合相關(guān)要求和標(biāo)準(zhǔn)，對使用材料KTH330制造的受損懸垂線夾本身的金相、材料功能或者是硬度實(shí)施檢測可知。金相檢測要求工作人員先打磨好受損懸垂線夾的表層結(jié)構(gòu)，再對金相組織做出嚴(yán)格檢測。由此可知，受損懸垂線夾內(nèi)部的金相組織通常呈現(xiàn)出的是鐵素體加團(tuán)絮狀石墨，滿足相關(guān)生產(chǎn)制作標(biāo)準(zhǔn)[3]。同時(shí)，還應(yīng)該檢測各種材料具有的抗拉伸功能，最終結(jié)果見表2，由此可知，該懸垂線夾的材料拉伸性能不符合上述標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2 拉伸性能測試結(jié)果

2.3 金相組織

對沒有存在顯著缺陷的螺栓全部切割之后，采取打磨拋光的措施，并用光學(xué)顯微鏡予以觀察。從中可以發(fā)現(xiàn)：護(hù)套部分的金相組織屬于先析α-Al和Al-Si 共晶組織，其中的Si 為片狀，分布于整個(gè)基體里面，因此屬于十分典型的金相組織，沒有任何異常狀況。然而一些尺寸偏大的孔洞有鑄造質(zhì)量不佳的情況，自然會對護(hù)套本身的力學(xué)性能造成影響，包括硬度、耐磨度等。

螺栓部位的金相組織一般為3層，最外層屬于腐蝕產(chǎn)物，導(dǎo)致里面的金屬已經(jīng)沒有任何組織。最里面的屬于基體層，組織包含鐵素體以及珠光體，滿足規(guī)定要求，且沒有任何異常。中間的部分為回火索氏體，通常只有35號鋼在受到高溫加熱后才會有該組織產(chǎn)生?；诼菟ū旧淼氖褂铆h(huán)境，通常不會有這類組織出現(xiàn)。因此可以推斷螺栓部分在懸垂線夾斷前必然受到了高溫處理，然而內(nèi)部組織卻沒有形成任何變化。參照固態(tài)相變規(guī)律可以得知，當(dāng)溫度高于500℃的時(shí)候，才有可能出現(xiàn)回火索氏體，所以螺栓的整個(gè)基體基本上沒有任何變化。

2.4 理化檢驗(yàn)

在研究中，經(jīng)過切割、打磨拋光護(hù)套和螺栓的部分可見沒有明顯缺陷的部分，使用ZEISS Axiovert 200型光學(xué)顯微鏡對其截面做出細(xì)致觀察。結(jié)果顯示，護(hù)套的金相組織呈現(xiàn)出典型的Al-Si 鑄造鋁合金特性，其內(nèi)部分布著均勻的片狀或棒狀共晶Si，這為護(hù)套的優(yōu)良性能提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。而螺栓磨損處的金相組織結(jié)構(gòu)則有著較為復(fù)雜的特征。

可以清晰地分為三層：最外側(cè)一層屬于腐蝕產(chǎn)物，接下來一層是符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的鐵素體+珠光體，而最內(nèi)側(cè)的一層則是回火索氏體。由此可知，螺栓在斷裂之前有很大概率經(jīng)歷了一段高溫過程。然而，值得注意的是，螺栓其他部位的金相組織并沒有呈現(xiàn)出任何變化，這表明這些部位在高溫狀態(tài)下仍舊維持著較高穩(wěn)定性。但讓人擔(dān)憂的是，這些部位存在大量且尺寸較大的孔洞，最大直徑甚至達(dá)到了300μm，這意味著鑄造質(zhì)量可能存在一定問題，會對護(hù)套的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。

3 運(yùn)行條件分析

3.1 架空地線張力受風(fēng)力的影響

對平斷面定位圖或者是施工現(xiàn)場的地理位置和氣象信息進(jìn)行分析可知，730號、732號塔各處部位的承重軸都有著明顯磨損，這兩座塔之間的檔距遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)范圍。而對于檔距更大的塔桿，金具順線路方向也呈現(xiàn)出嚴(yán)重磨損現(xiàn)象。詳細(xì)情況表現(xiàn)為：726號、729號塔光纜掛環(huán)極易受到縱向不平衡張力帶來的影響，導(dǎo)致其和光纜支架不斷摩擦，并產(chǎn)生巨大的磨損問題。尤其是726號、729號塔的兩側(cè)檔距比率高達(dá)2.83和7.33。有關(guān)金具磨損桿塔檔距的詳細(xì)信息，見表3。

表3 金具磨損桿塔檔距明細(xì)（單位：m）

732號塔的小號側(cè)與大號側(cè)之間的側(cè)檔距分別達(dá)到了驚人的740m 和459m，小號側(cè)原有的側(cè)檔距遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出大號側(cè)的1.61倍。在風(fēng)力因素帶來的影響下，小號側(cè)的導(dǎo)線所承受的水平荷載與大號側(cè)相比，其差異尤為顯著，這極易致使地線懸垂線夾原本的順線路方向會朝著小號側(cè)方向呈現(xiàn)偏移運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。若是風(fēng)力因素逐漸減弱，受到內(nèi)地線張力產(chǎn)生的影響，懸垂線夾自身的順線路方向必定會朝著大號側(cè)完成運(yùn)動(dòng)，該種循環(huán)往復(fù)情況會持續(xù)在732號塔中發(fā)生，不會呈現(xiàn)出明顯的振動(dòng)幅度。所以，該種運(yùn)動(dòng)自然會增加732號塔地線懸垂線夾承重軸的磨損程度。只要這兩種裝置出現(xiàn)任何磨損情況，其截面也會從原來的圓形逐漸變成橢圓形，并和線夾掛板之間的摩擦接觸從以往的“面對面”轉(zhuǎn)換成“點(diǎn)對點(diǎn)”，進(jìn)而發(fā)生應(yīng)力較為集中的問題，導(dǎo)致承重軸磨損速度不斷提升。

3.2 地形及氣象因素影響

這座732號塔位于山谷中的特殊地形中，形似“凹”字。這里地勢非常復(fù)雜，對風(fēng)的速度和方向有較大影響，形成了獨(dú)特的微氣象環(huán)境。當(dāng)強(qiáng)風(fēng)來臨時(shí)，地線的懸掛物會沿著線路方向運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)會導(dǎo)致懸掛物與船體的承重軸產(chǎn)生摩擦，長時(shí)間運(yùn)行會導(dǎo)致承重軸的受力截面減小，最終可能導(dǎo)致承重軸斷裂。

3.3 懸垂線夾荷載影響

該線路主要是利用GJ-100型地線，綜合荷載為19.77N/m。懸垂線夾的破壞荷載高出40kN，因此能夠獲得最終的最大垂直檔距為809m。將兩者進(jìn)行對比可知，732號塔的允許最大垂直檔距有著較高應(yīng)用率，但因?yàn)樵缫旬a(chǎn)生嚴(yán)重的磨損情況，所以應(yīng)該做好有效的檢測和維修，保障金具或者是桿塔都能夠順利運(yùn)行。金具磨損桿塔垂直檔距的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表4。

表4 金具磨損桿塔垂直檔距統(tǒng)計(jì)

3.4 斷裂過程及原因分析

732號塔地線懸垂線夾由于受多個(gè)因素影響，長期受微風(fēng)振動(dòng)、復(fù)雜地形及特殊氣象條件影響，缺陷區(qū)域連續(xù)發(fā)生多場大風(fēng)、暴雪天氣，最大風(fēng)力可達(dá)11級，對732塔懸垂線夾具的磨耗造成了更大的影響。長時(shí)間受風(fēng)作用，線夾擺動(dòng)頻率不斷上升，導(dǎo)致線夾承載軸長時(shí)間受到磨損，再加上局部瞬態(tài)強(qiáng)風(fēng)的出現(xiàn)，可能會使金具力學(xué)性能發(fā)生突變。因?yàn)槌休d軸已經(jīng)呈現(xiàn)巨大磨損情況和局部應(yīng)力超出預(yù)期問題，自然會致使承載軸單面產(chǎn)生斷裂。由此可知，地線懸垂線夾斷裂的原因主要有以下幾點(diǎn)。首先，可能是由于懸垂線夾的制造工藝和尺寸沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致其不夠堅(jiān)固；其次，在大檔距比的條件下，電線可能會長期處于縱向不平衡張力狀態(tài)，這也會影響懸垂線夾；再者，復(fù)雜地形下的微風(fēng)振動(dòng)也可能對懸垂線夾造成影響；最后，過大的垂直和水平荷載可能會導(dǎo)致懸垂線夾順線路擺動(dòng)，并逐漸磨損，最終導(dǎo)致斷裂。

4 結(jié)語

導(dǎo)致500kV 輸電線路地線懸垂線夾斷裂是由于在檢修過程中，未對地線表面的腐蝕進(jìn)行處理，形成了感應(yīng)電流回路。這個(gè)回路在電阻較大的螺栓銹蝕處產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致護(hù)套最終斷裂，造成掉串。為了避免類似故障發(fā)生，需要在設(shè)計(jì)規(guī)劃階段時(shí)充分調(diào)研微地形、微氣象區(qū)域，并采取避免出現(xiàn)大高差和垂直檔距較小的情況以及控制桿塔兩側(cè)檔距比不大于1.5等措施[4]。同時(shí)改進(jìn)懸垂線夾工藝，增加耐腐蝕性和耐磨性等。通過這些措施可以提高輸電線路的可靠性，減少故障的發(fā)生。