220 kV线路耐张线夹断裂原因分析

邵明星，武 臻，杨东旭

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；

2.山东电力工业锅炉压力容器检验中心有限公司，山东 济南 250003；

3.国网河南省电力公司，河南 郑州 450046）

220 kV线路耐张线夹断裂原因分析

邵明星1，2，武 臻3，杨东旭1，2

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；

2.山东电力工业锅炉压力容器检验中心有限公司，山东 济南 250003；

3.国网河南省电力公司，河南 郑州 450046）

通过外观形貌分析、显微组织分析和应力计算分析，对某220 kV线路耐张线夹断裂的原因进行分析。结果表明，由于铝导线与铝管之间存在腐蚀产物增大了接触电阻，使耐张线夹发热并引起热应力，温度的波动产生交变应力并在应力集中部位产生疲劳裂纹，当剩余钢芯截面不足以承受导线张力及热应力的共同作用时则产生瞬间断裂。

耐张线夹；钢芯铝绞线；氧化腐蚀

0 引言

耐张线夹用来将导线或避雷线固定在非直线杆塔的耐张绝缘子串上，起锚固作用，亦可用来固定拉线杆塔的拉线。耐张线夹作为输电线路的重要工具，其可靠性是影响电网长期安全稳定运行的重要因素。随着电网的迅猛发展，电压等级的提高，对输电线路耐张线夹的性能要求也在不断提高。由于电网基础建设过程中线夹监督检验量较大、检验手段相对欠缺，部分已安装的输电线路线夹在不同运行条件下将会发生不同情况的组织老化、内部腐蚀及性能劣化，严重的将导致耐张线夹断裂失效，从而影响到电网的安全稳定运行。耐张线夹常见的损坏原因有：制造加工质量存在问题［1-2］，压接质量差［3-5］，以及耐张线夹发热等［6］。

1 耐张线夹断裂情况

某220 kV回路的转角塔C相耐张线夹发生了断裂。耐张线夹的型号为NY-400／50，属液压型耐张线夹，铝管的材质为纯铝，钢锚的材质为Q235。钢芯铝绞线的型号为LGJ-400／50。事故时线路附近无异常灾害天气，但发生了短时过电流。断裂发生在铝管内的钢锚口附近，钢锚口附近的钢芯丝全部断裂，并严重烧损，铝管也发生了断裂。断裂的耐张线夹外观如图1所示。

图1 断裂的耐张线夹

2 耐张线夹断裂原因分析

2.1 断口外观形貌分析

铝管的断裂位置在铝管的中部钢锚口附近，大致与钢锚口的端面一致。铝管断口的两侧有较明显的颈缩变形，断口表面有熔化的痕迹，在钢锚口的端面附近及铝管内壁均有被熔化的铝飞溅的痕迹，表明断裂瞬间铝管断口附近的温度短时达到了660℃（铝的熔点）以上。

钢芯丝断裂在钢锚口附近，7根钢芯丝的断口不完全在一个平面上。将导线侧断裂铝管的变形部分割除后，露出导线端残留的钢芯丝。钢芯丝表面氧化严重，如图2所示。其中4根残留的钢芯丝较短，断面位于钢锚口附近，断面收缩，符合拉断时的颈缩特征；另3根稍长，断口位置位于钢锚内，断口较齐平。而残留钢芯丝延伸到铝绞线中的部分则没有发生明显氧化，外观色泽正常，表明残留的钢芯丝经历过一个短时较高的温度。铝管压接处的铝导线表面、铝管与导线之间存在黑色的氧化腐蚀产物。

将钢锚外的铝管割除，钢锚的外观形貌如图3所示，可观察到分段压接的痕迹。将钢锚沿纵向割开检查，钢锚内的钢芯丝压接紧密，无断股现象，无明显高温氧化烧损或腐蚀现象。钢锚侧的钢芯丝断口呈现3根断面较平齐，另4根出现颈缩的特征。

图2 断裂的钢芯丝

图3 钢锚的外观形貌

2.2 钢芯丝和铝管显微组织分析

对铝管和钢锚内的钢芯丝分别取样进行显微组织分析，铝管的金相组织形貌如图4所示，无裂纹、气孔、夹杂物等异常组织。钢芯丝的金相组织形貌如图5所示，其中钢基体的金相组织为珠光体+铁素体，钢芯丝外的镀锌层，可能由于钢锚压接过程的挤压，镀锌层局部有脱落现象。钢锚与铝导线间隙处的钢芯丝（图2所示部位）由于高温烧损严重，未进行显微组织分析。

图4 铝管的金相组织形貌

图5 钢芯丝的金相组织形貌

2.3 断裂钢芯丝表面显微形貌

分别取1根断口齐平的钢芯丝和1根发生颈缩的钢芯丝，对外表面进行了形貌观察，如图6所示。取样位置为钢锚内钢芯丝的断口附近。断口齐平的钢芯丝，断口附近的表面存在许多相互平行、并平行于断面（垂直于轴向）的裂纹；断裂时发生颈缩的钢芯丝，表面也存在相互平行的裂纹，但裂纹未完全张开，裂纹较浅，表面覆盖氧化腐蚀产物。

图6钢芯丝断口附近外表面形貌

2.4 应力计算

建模型时将真实的耐张线夹结构进行了简化：将钢芯丝按单根钢丝处理，其截面积等于7根钢芯丝的和，对铝导线也进行了类似处理。按轴对称建模，将模型沿轴线扩展后如图7所示。位移的边界条件设为在导线远端的轴向位移为零；施加的载荷为：钢芯铝绞线的张力施加于耐张线夹钢锚的远端 （钢芯铝绞线的平均张力为29.3 kN），将钢锚与钢芯丝、钢芯丝与铝导线及铝导线与铝管之间进行耦合处理。需要输入的参数有：钢的弹性模量为2×1011Pa，泊松比为0.28；铝的弹性模量为5.9×1010Pa，泊松比为0.31。静力计算结果如图8所示，最大Mises等效应力位于钢锚口附近的钢芯丝上，最大值为255MPa，远低于钢芯丝的抗拉强度或规定总延伸强度 （按照GB／T 3428—2002《钢芯铝绞线用镀锌钢丝》的规定，抗拉强度不小于1 290MPa，1%延伸强度不小于1 100MPa；实验得到钢芯丝的抗拉强度为1 584MPa，0.2%残余伸长强度为1274MPa），表明仅考虑张力时，耐张线夹的受力状况处于安全水平。

图7 耐张线夹的模型（局部）

图8 仅考虑张力时Mises等效应力

图9 考虑张力和温升时Mises等效应力

文献表明，服役中耐张线夹超温时，温度可达到130～150℃以上［6－7］，取耐张线夹整体温升为100℃时，计算耐张线夹内的应力分布。上述位移边界条件和张力载荷不变，需要增加输入的参数为钢和铝的线膨胀系数及温升、参考温度。计算结果如图9所示，应力集中位置与图8相同，最大Mises等效应力达到722MPa。在该载荷下计算轴向应力时，则钢锚和钢芯丝受拉应力，铝管（中间未压接的部分）受压应力。当温升继续提高时，钢芯丝上的应力快速上升。

由图8～9的应力计算结果可以看出，无论是否考虑热应力，钢锚口附近的钢芯丝均是应力集中的部位。当温升较大时，由于铝管与钢锚、钢芯丝的热膨胀系数不同产生的应力，会远大于钢芯铝绞线张力在该部位产生的应力。铝在20～200℃之间的平均线膨胀系数为23×10－6／℃，碳钢为12×10－6／℃，铝的线膨胀系数几乎为碳钢的2倍，因此温升后铝管中部的轴向力为压应力，钢锚管及钢芯丝的轴向力为拉应力。

对耐张线夹解剖时发现铝导线与铝管之间，以及外层铝导线上存在黑色的氧化腐蚀产物，这些腐蚀产物可能是对线路改造施工压接时未对导线表面彻底清除，也可能是服役过程中逐渐形成的。氧化腐蚀产物与金属铝相比，导电性较差，因此会造成耐张线夹发热。

由计算可知，钢锚口附近钢芯丝的应力对温度变化较敏感，较高的温升产生较大的热应力，当温度产生波动时，则在应力集中部位产生疲劳应力，当超过疲劳极限时则萌生疲劳裂纹。温度的波动可能来自电流的变化，因为产生的热量与电流的平方成正比，气象条件的变化也会使耐张线夹的温度产生波动。受钢锚口压接的影响，7根钢芯丝的受力状况不可能完全一致，因此分别形成如图6（a）所示较深的疲劳裂纹和图6（b）所示较浅的疲劳裂纹。疲劳裂纹主要沿垂直于拉应力的方向发展，因此对于疲劳裂纹较深的钢芯丝，最终拉断时形成较平的断口，疲劳裂纹很浅的钢芯丝最终拉断时则发生颈缩，因此7根钢芯丝形成3个较平的断口和4个发生颈缩的断口。

当钢芯丝产生疲劳裂纹并扩展后，钢芯剩余截面的强度不足以承受张力和热应力的共同作用时，则全部钢芯丝发生断裂，之后铝管的强度不足以承受钢芯铝绞线的张力，也发生了断裂。当发生短时过电流时，会在应力集中部位产生较大的应力从而促进断裂过程的发生。全部断裂过程应该是瞬间完成的。断裂时产生的电弧使断口两侧的铝管局部产生熔化，并产生飞溅。

耐张线夹的发热是一个较常见的现象，根据北京市电力公司的检修记录，2007年6条线路的耐张线夹存在发热问题，温度为52～307℃，2008年16条线路的耐张线夹存在发热问题，温度为43～150℃，发热的主要原因为接触面氧化及引流板紧固螺栓松动［7］。

3 结语

耐张线夹发生断裂的主要原因为铝管与导线之间存在氧化腐蚀产物，增大了接触电阻，使耐张线夹发热，温度的波动产生的交变应力使钢芯丝表面萌生疲劳裂纹并逐渐扩展，当钢芯的剩余截面不足以承受张力和发热产生的热应力时则发生瞬间断裂。近年来，国内发生过多起因压接管压接质量不良、内部腐蚀严重而导致的耐张线夹断裂事故。因此，在今后的线路检修过程中，应加强对输变电线路压接管的内部腐蚀情况检测，保证输电线路的安全可靠运行。

［1］蔡向晖.500 kV紧凑型线路耐张线夹断裂事故分析［J］.华北电力技术，2003（3）：36－38.

［2］郑准备，张李锋，张兵，等.输电线路耐张线夹开裂原因分析［J］.陕西电力，2010，38（12）：35－37.

［3］刘纯，熊亮，陈红冬，等.500 kV输电线路耐张线夹钢锚断裂分析［J］.湖南电力，2010，30（3）：14－16.

［4］黄学能，张云，潘龙斌，等.500 kV线路耐张线夹断裂原因分析［J］.广西电力，2012，35（6）：63－65.

［5］胡加瑞，刘纯，欧阳克俭，等.500 kV直流输电线路耐张线夹断裂的原因分析［J］.电力建设，2012，33（7）：82－85.

［6］王中.耐张管内钢芯铝绞线断线原因分析［J］.电力建设，2005，26（4）：35－38.

［7］李雪.耐热导线耐张线夹发热问题解决方案研究［D］.北京：华北电力大学，2010.

Fracture Analysis of Strain Clam p on 220 kV Transm ission Line

SHAOMingxing1，2，WU Zhen3，YANG Dongxu1，2
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.Shandong Electric Power Industry Boiler&Pressure Vessel Inspection Centre Co.，Ltd.，Jinan 250003，China；3.State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou 450046，China）

According to the appearance analysis，microstructure analysis and stress calculation analysis，the fracture reason of strain clamp on 220 kV transmission line is analyzed.Results show that due to increased contact resistance caused by the presence of corrosion products between aluminum wire and aluminum pipe，the tension clamps are heated and causes thermal stress.The fluctuation of temperature produces alternating stress and fatigue cracks are emerged at the stress concentration position.When the cross section of the residual steel core is insufficient to withstand the tension of the conductor，instantaneous fracture occurs under the jointaction of thermal stress.

strain clamp；ACSR；oxidation corrosion

TM726.1

B

1007－9904（2017）06－0077－04

2016－11－22

邵明星（1982），男，高级工程师，从事电网、电站金属材料方面的研究。