架空电力线路连接金具的失效分析方法探讨

程 明，安 戈，刘 超

(1.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300384；2.国网天津市电力公司经济技术研究院，天津 300171；3.国网天津市电力公司城东供电分公司，天津 300000)

1 连接金具的用途及分类

在架空电力线路及配电装置中，连接金具主要用于支持、固定和接续裸导线、导体及将绝缘子连接成串，用于保护导线和绝缘体，如将悬式绝缘子组装成串后悬挂在杆塔上。此外，直线杆塔用的悬垂线夹及非直线杆塔用的耐张线夹与绝缘子串的连接，以及其他拉线杆塔的拉线金具与杆塔的锚固，也都需要用到连接金具。

根据连接金具的使用条件和结构特点，可将其分为3大类：

(1)球-窝系列。为专用金具，它与球窝型结构的悬式绝缘子配套使用，包括各种球头挂环、碗头挂板等。其优点是没有方向性、挠性大、可转动、装卸方便；

(2)环-链系列。为通用金具，其结构简单，转动灵活，不受方向限制，受力条件好，包括U型挂环、直角环、延长环、U型螺丝等；

(3)板-板系列。为通用金具，包括平行、直角、U型挂板，联板，牵引板，调整板等。

由于连接金具需要承受机械载荷，国家标准对各种连接金具的结构型式、材料、工艺、标称载荷、连接型式等均作出了相应规定，要求其有足够的机械强度、耐磨性和耐腐蚀性。

2 连接金具的薄弱环节

连接金具的薄弱环节与其用途、服役条件密不可分，且失效总是从连接金具的薄弱环节开始。因此，将连接金具的薄弱环节加以分析和总结，对失效分析研究极为重要。

连接金具承受机械载荷，服役条件为气候复杂、污秽度不一的大气环境。架空电力线路长年在大气中运行，受大风、温差、覆冰、雨水等恶劣气象的影响，导线不停振动并引起附加应力，使连接金具的受力点受到交变的弯曲应力，进而导致连接金具疲劳磨损甚至断裂。

对各类连接金具而言，受力点通常出现在金具与其他金具或零件的连接处，承受变化的机械载荷，因此金具受力点(金具连接处)即为薄弱环节。

3 连接金具的典型失效类型

引起连接金具失效的因素可分为2个方面，即金具材料因素和环境因素。前者为内因，包括金属材料品质及加工工艺方面的各种因素；后者为外因，包括受载条件、时间、湿度和环境介质等因素。失效的连接金具上必然会保留有失效过程的信息，通过分析这些信息可查明失效机理及原因，并由此总结出连接金具失效的典型类型。

3.1 腐蚀失效

连接金具在使用中早期的失效类型是腐蚀，它可引发应力腐蚀开裂、氢脆、疲劳腐蚀、磨蚀等其他失效形式。连接金具的材质为碳钢时，主要的腐蚀类型为点腐蚀和全面腐蚀(即均匀腐蚀)。当连接金具表面上出现点腐蚀时，表示金属钝性开始遭到破坏；一旦腐蚀加强，就会产生全面腐蚀。连接金具的材质为可锻铸铁和球墨铸铁时，主要的腐蚀类型为冲刷腐蚀。大气环境不同，对连接金属的腐蚀性也不同。一般而言，大气环境对连接金属的腐蚀性顺序为：工业大气＞海洋大气＞农业大气。其中，工业大气对于连接金具的腐蚀危害最大，其主要污染物为灰尘。其原因为，连接金具表面上沉积的灰尘中含有碳和碳化物、金属氧化物和金属盐(主要是硫化物和氯化物)的颗粒和硫酸，这些污染物的共同作用造成了连接金具的锈蚀。

3.2 磨损失效

连接金具最常见的失效类型为磨损。磨损常出现于连接金具的薄弱环节，即受力点，其宏观特征为金具连接处出现明显减薄。

以连接金具U型螺丝为例。U型螺丝用于直线杆塔悬挂悬垂绝缘子串、避雷线悬垂组合，作为杆塔横担的首件，出现磨损的情况较为普遍。湖北省某输变电公司在山区500 kV输电线路维护检修中，发现架空地线U型螺丝出现大量严重磨损，磨损点为U型螺丝与直角环连接处，说明该部位是其主要受力点和薄弱环节。

3.3 疲劳失效

在长时间、变动负荷作用下，连接金具的薄弱环节易发生疲劳断裂。

疲劳断裂会在断口上留下特征。断口按断裂过程分为3个区域：疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时破断区。裂纹源为应力集中区域，由金属表面及内部的夹杂物、剪切滑移、晶界裂纹、位错空洞等缺陷在疲劳应力的作用下形成，并扩展成疲劳源区。裂纹扩展区呈现清晰的贝纹状、蛤壳状或海滩波纹状的疲劳条纹，此区是判断疲劳破坏性质最重要的区域。疲劳条纹弧线的内侧方向是疲劳源所在位置，外侧凸出方向为疲劳裂纹的扩展方向。当裂纹扩展到临界尺寸，使余下截面不足以承担原有负荷时，金属即发生瞬时破断，形成瞬时破断区。

天津某供电公司曾发生金具挂环紧固螺栓断裂事故。其断口为典型的疲劳断口，在低倍显微镜下可看见清晰的疲劳源区和圆弧状的疲劳条纹。

3.4 应力腐蚀开裂

在拉应力和腐蚀环境的共同作用下，金具的薄弱环节将发生应力腐蚀开裂。应力腐蚀开裂是一种极为隐蔽的腐蚀形式，往往没有明显预兆，因此会造成灾难性的事故。连接金具一般为锻钢及铸铁件，在SO2、酸雨、浓雾、潮湿空气等大气环境因素的作用下，易发生氧化腐蚀。倘若金具上再存在拉应力，那么就容易发生应力腐蚀开裂。

应力腐蚀开裂呈脆性断裂，其断口的宏观特征是：受介质的腐蚀作用，裂纹源及扩展区呈黑色或灰黑色，脆断区的断口常有放射花样或人字纹。

天津市某供电公司的连接金具U型挂环在使用2个月后发生断裂事故。断裂发生在U型环与耐张线夹钢锚连接处，U型环受拉应力。其断口为典型的应力腐蚀开裂断口，在低倍显微镜下，断口呈现出与裂纹扩展方向一致的放射状线条；裂纹源位于U型弯的内部，在扫描电镜下颜色发黑，材质疏松。

4 连接金具的失效分析步骤

4.1 连接金具背景资料收集

认真收集连接金具的出厂信息，尤其是金具设计图纸、质量证明书(材质报告单、原材检验单、机械性能试验报告)等资料。此外，还应收集连接金具的工作历史信息，包括受力情况、环境因素，尤其是温度变化及腐蚀性环境因素等信息。

4.2 失效金具初步检查

用肉眼对失效金具进行全面检查，寻找有用的证据和线索。尤其对失效部位(腐蚀表面、磨损表面、断裂表面和裂纹路径)要特别重视，应从不同角度进行拍照取证。

4.3 机械性能试验

一般通过机械性能试验(包括硬度、拉伸、冲击、弯曲等)来评价金具材料品质。在一定的破坏载荷作用下，要求连接金具不发生永久变形。由于低温、履冰等恶劣环境导致金具冻裂的情况时有发生，因此研究连接金具在这种恶劣环境条件下的机械性能，对分析金具冻裂的原因是必要的。

4.4 取样和宏观、微观检验分析

从失效金具上切取包含断口等失效信息的一部分或一小段试样通过光学显微镜或电子显微镜进行分析。取样的部位通常为腐蚀表面、磨损表面、断口、裂纹剖面等。取样时避免使用火焰切割法。在取样过程中，注意保护失效金具原有的真实表面，切勿发生污染和机械损伤。腐蚀表面、磨损表面和疲劳、应力腐蚀、氢脆等不同失效机制的断口的宏观和微观特征、形貌有很大差别，宏观及微观检验的任务就在于判定腐蚀和磨损的类型、断口的特征、形貌、裂纹源位置，以及可能引起失效的原因。

4.5 金相检验

金相检验对于揭示加工中引起的各种材料缺陷，并测定可能造成失效的各种工作条件和环境因素的后果等具有显著的功能。夹杂物、显微组织偏析、脱碳、增碳、热处理不当、晶间腐蚀等缺陷和反常组织，都可以用金相检验来确认和分析。

4.6 化学成分分析

对连接金具进行失效分析时，应对腐蚀表面的沉积物、铁鳞、腐蚀产物、腐蚀介质进行化学分析，这有助于确定金具失效的基本原因。

4.7 失效原因和机理的判定

综合上述各分析阶段和分析方法得出的试验结果，可得到最终论断。切忌从某个研究方面或某项试验结果形成事故起因的结论。

5 结束语

连接金具虽然结构简单，但在电网送电中肩负重要责任，因此对连接金具的失效类型及分析方法加以研究、总结，可避免同类事故再次发生，对改进电网金具质量、延长使用寿命、提高服役安全性和可靠性有积极的促进作用。

1 董吉谔．电力金具手册[M]．北京：中国电力出版社， 2001.

2 DL/T759—2009连接金具[S].

3 肖海东，杨 暘，高虹亮，等．500 kV架空地线耐磨金 具的研究[J]．水电能源科学，2010(6).

4 李生平，王志惠，何喜梅，等．青海电网金具失效分析研究[J]．青海电力，2011(2).

5 蔡泽高，刘以宽，王承忠，等．金属磨损与断裂[M]．上 海：上海交通大学出版社，1985.

6 GB/T2317.1—2008电力金具试验方法第1部分：机械试验[S].

7 吴国宏．电力金具冻裂原因分析及预防措施[J]．电力建 设，2007(2).