一起微风振动导致引流线断裂故障的分析及预防

杨剑锋

(国网宁夏电力有限公司，宁夏 银川 750001)

架空输电线路运行过程中易受风、冰、雷等气候和鸟类活动等因素影响，防控不当易发生线路风偏跳闸、绝缘子闪络甚至导线断裂等故障[1-2]。其中微风振动是导致导线损伤甚至断裂的主要原因，因其频率高、振幅小，不像线路舞动那样明显，具有一定隐蔽性，通常在出现防振器毁坏或导线疲劳断股后才被发现[3-4]。

目前，关于输电线路微风振动的相关研究主要集中在振动机理、防治措施和振动监测等方面：如文献[5]通过仿真分析得出当微风振动振幅大于1 mm时，导线线夹出口相邻层铝线股接触处产生大量裂纹；文献[6]根据试验和运行经验，建议在重要线路和振动严重地区的线路，除采用加装防振锤或阻尼线外，再加装防护线条可进一步提高线路抗振能力；文献[7]则在研究了国内外各种输电线路微风振动在线监测技术的基础上，详细设计了微风振动传感器及监测装置的软硬件、通信网络等，但对具体某条导线发生微风振动断裂后的各种检测分析、故障原因排查等方面呈现较少。

导线(钢芯铝绞线)本身质量不佳或引流管/线夹压接工艺不良也是造成导线断裂的重要原因之一，尤其是在线路运行较长时间后，若发生导线断裂则需综合分析线路运行环境及导线本身情况才能确定故障原因。本文对某公司所辖220 kV线路一次引流导线断裂故障进行分析，通过断裂导线的外观检查、线材质量检测、线夹X射线成像检测等，分析其运行及故障时的外部环境，综合评判后最终确定了故障原因，同时提出解决办法和预防措施，以期减少因微风振动导致的断线故障。

1 故障概述

宁夏电网某220 kV线路33号耐张塔B相引流线采用双分裂结构，2019年9月12日12时49分，该引流线的1根子导线在靠34号杆塔侧发生断裂并搭落至C相横担上，故障现场情况如图1所示。

该线路于2010年6月17日投运，钢芯铝绞线型号为2×LGJ-300/25。断线时，故障点所在地气温18 ℃，天气多云转小雨，距离故障点最近的气象监测站监测极大风速为35.6 m/s，达到12级风速。巡视人员到达故障现场时线路受风影响，呈现较大摆动角度，如图2所示。

图1 220 kV某线路耐张塔引流线断裂情况

图2 故障线路受风影响情况

经检查，引流线断裂位置位于大号侧引流线夹引流管口处，且48根铝绞线中处于外层的10根铝股截断面氧化程度明显大于内层。

2 检测分析

为查找导线断裂原因，对故障相引流线(包括断裂及未断裂的导线)进行外观检查、导线本体(钢芯线及外层铝绞线)及引流线夹压接质量检测，并详细分析现场运行情况。

2.1 外观检查

经检查，导线断口处(包括引流管端及引流线端)钢芯线和铝线均不平整，断口整体参差不齐，断口氧化程度由内向外逐渐加剧；铝线及钢芯断口形貌相对平整，未发现尖锐结构。此外，引流管口处有明显的磨损痕迹，具体如图3所示。

图3 导线断口情况

断裂子引流线大、小号侧的2支线夹压接情况如图4所示。由图4可知，2支线夹的压接工艺有明显区别。

图4 不同施工工艺的引流线夹

在距离导线断口约70 cm处，钢芯及外层铝线严重烧损断股，且在导线其他位置有明显的熔融铝块粘附，此外未发现其他异常附着物。采用水及酒精对污染处进行擦拭，污染物均可清除，导线表面未发现腐蚀痕迹，如图5所示。

图5 导线烧融断股情况

综上，故障相引流线在引流管根部断裂，断口呈脆断形态，且断裂过程由外及内；发生断裂的引流线两侧线夹所采用的压接工艺不同；断裂导线在距断口70 cm处发生烧损断股，未发现电化学腐蚀痕迹。

2.2 导线本体质量检测

对发生断裂的子引流线、未断裂的子引流线进行单线拉断力试验，对断裂的子引流线进行钢单线扭转试验、卷绕试验和铝单线卷绕试验，试验结果如表1、表2所示。

表1 子引流线单线拉断力试验结果

表2 断裂子引流线扭转、卷绕试验结果

依据相关产品质量标准规定，规格为300/25的钢芯铝绞线额定拉断力为83.76 kN[8]。由表1可知，2根子引流线的钢线、铝线拉断力总和均大于标准要求值。由表2可知，发生断裂的子引流线扭转、卷绕试验结果均符合标准要求。

综上，故障相导线本体质量检测结果合格，未发现机械老化下降现象，排除因导线质量不满足要求而造成断裂的原因。

2.3 引流线夹压接质量检测

对2根子引流线线夹(4支，分大小号侧)压接部位的压接情况进行X射线数字成像检测。通过检测发现4支引流线夹均无因过压造成的导线局部受损或缩径情况。采用不同压接形式的引流线夹检测图谱如图6所示。

图6 引流线夹压接情况X射线数字成像检测图谱

此外，根据导线压接有关要求[9]，4支被测引流线夹压接及预留尺寸均符合工艺标准，可排除因导线压接工艺不良导致断裂的可能。

2.4 现场运行情况分析

(1)故障区段地形及气象环境

故障线路大致呈南北走向，杆塔所处环境为戈壁滩，其西侧为南北走向的高山、东侧为平原，整个地区东西两侧高，中间低，南北两侧宽；故障杆塔所处位置狭窄，塔位直接处于风口微地形区，常年受风力的影响较大。

根据相关监测数据，该地区风速常年稳定在2～8 m/s[10](个别特殊情况除外)，且风向多为自西向东，从西侧山麓吹向杆塔，与导线所呈夹角大于45°(多数情况下为80°～90°)。B相引流线与导线处于同一平面，间夹角约为90°。

(2)导线材质及防振锤安装位置

导线全线采用钢芯铝绞线，其表面光滑，直径和截面比较小，虽受风载荷减小，覆冰和舞动现象减少，但一旦发生微风振动，会增大微风振动幅值和持续时间。

原线路已安装防振锤，经过相关校核计算，其安装位置合理，能够有效吸收振动能量，从而达到改变线路摇摆频率的目的。然而，因引流线T型线夹安装位置是在耐张线夹与防振锤之间，线夹出口与距防振锤距离发生改变，导致防振锤的防振效果没有达到设计要求。

悬垂绝缘子不是防风偏绝缘子，引流线长，T型线夹平行于地面，在这个地区正常风吹时，引流线也相对线路运动，线夹口长期处于疲劳状态。

此外，引流线全线加装绝缘护套，引流线所受风压大约是未装护套前2.2倍，增加了引流线的振动频次。

综上，故障线路杆塔运行处于一个常年有较为稳定风速的环境中，且风向与导线夹角大于45°，满足线路微风振动的起振条件。原线路虽安装有防振锤，但防振效果未能达到设计要求。引流线因安装有绝缘护套，自重增大，引流线所受风压及引流线与导线连接的T接线夹受力均变大。

2.5 结 论

根据对故障的引流导线及其线夹进行检测，并分析其运行环境得到以下结论：

(1)导线断口呈脆断形状，是长期由外及内脆断的过程。外层铝线与引流管端部有较为严重的摩擦，两者间有重复作用力。断口附近铝线、镀锌钢线无明显异常拉伸情况，未发现导线由于受到超出其承受能力的张力而发生断裂的情况。对比采用不同压接方式的引流线夹，未发现压接过程对导线造成损伤或缩径现象，由此判断导线断裂并非因为单次机械过载荷。

(2)根据故障点所处地理环境以及铝线断裂过程，判断是由于微风振动长期作用于导线，使导线产生垂直的上下运动，进而在导线与T型线夹连接引流线之间因相互牵引出现一稳定频率的振动，在该频率振动下，引流线对引流管口不断摩擦的同时逐渐积累金属疲劳(最外层铝线同时受到磨损和金属疲劳作用会最先断裂)，而故障发生时的大风造成引流线与导线剧烈摆动，在多种力的作用下最终导致引流线断裂。

(3)在导线70 cm断股处未发现粉末状腐蚀物，铝线表面未发生任何溃疡状腐蚀坑陷，附着物均可清理；断股处钢芯及铝线有明显熔融状。根据导线本体断股及其他部位粘附的铝块情况，判断熔融原因为断口铝线全部断裂后钢芯载流，由于钢芯电阻较大及趋肤效应，电流在弯头处(弧垂最低点)向铝线扩散，因钢、铝接触面存在接触电阻，在大电流流过时严重发热，从而烧熔外层铝线及部分钢芯线。

3 改造方案

导致此次引流导线断裂的主要原因为微风振动，而因引流线全线包覆了防鸟绝缘护套导致未能及时从外观上发现缺陷的存在，因此，相关的改造也主要从抑制微风振动和便于巡视方面着手，具体方案如下：

(1)更换故障相的引流导线，并在新装子引流线间加装间隔棒，使子导线间活动相互牵制，缓冲风压，增加其抗微风振动能力；

(2)拆除靠近压接管侧一定距离的绝缘护套，减小引流线整体所受风压及根部垂直向下的压力，同时便于巡视人员及时发现引流线缺陷。

更换改造后的故障相引流线如图7所示。

图7 故障相引流线更换改造后情况

相较于外在表征明显的风害及舞动，架空输电线路的微风振动更具有隐蔽性，往往在发现时就已经造成了导线断股甚至断裂等较为严重的后果，因此，为进一步提升架空输电线路抗微风振动能力，提高其运行可靠性，提出以下建议：

(1)在设计阶段，应充分考虑线路经过风区时可能引发微风振动的各类因素，包括风速、风向角、地形、导线高度等，尤其是对线路中相引流线应进行差异化设计，要充分考虑其位置的特殊性，如直线耐张塔的中相引流线建议安装在杆塔的下风口侧等；

(2)对中相引流线进行优化改造，如安装预绞式副引流线、安装能减小引流线与导线T接角度的新型线夹，或在引流管与导线间加装能减轻引流线因风摆动的固定(支撑)线夹等；

(3)对采用分裂形式的导线或引流线应加装间隔棒以抑制微风引起的导线振动和强风诱发的跳线振荡，同时要按设计要求配置好防振锤及防风偏绝缘子等装置；尤其是防振锤的选取，要避免因选型不当或产品质量不佳造成导线磨损等问题；

(4)对防风及防鸟害需求都较大的区域建议采取除绝缘护套外的措施或减少绝缘护套在引流线上的使用量，避免因绝缘护套遮蔽导线所造成的外观巡视困难、红外测温不准确等问题；

(5)对相关区域线路要定期开展红外测温及巡视，可视情况安装微风振动监测系统，避免因微风振动造成的断裂故障发生；

(6)在提高技防能力的同时，加强设备运维单位责任考核，强化巡视规程执行力度，不断提高人员技术、技能水平。

4 结 论

(1)通过对某220 kV耐张塔断裂的引流线进行外观、机械性能、压接质量等方面的检测分析，判断其断裂故障原因并非导体产品质量存在缺陷或安装工艺不良。

(2)分析故障导线运行环境，包括故障区段地段及气象环境、导线材质及防振锤安装位置等，判断引流线断裂的主要原因为微风振动，而故障发生时的大风加速了断裂过程。

(3)为防范类似故障发生，提出了在新更换的双分裂引流线间加装间隔棒、拆除靠近压接管侧一定距离的绝缘护套等措施，并取得了较好效果。

(4)微风振动对架空输电线路的损害具有隐蔽性，为提升线路运行安全性，应在设计阶段充分考虑各类影响因素并进行差异化设计，在运维阶段要加强线路隐患的巡视和监测。