500 kV输电导线耐张线夹断裂失效分析

陈家慧，赵兴虹，刘 曦，冯 杰，林德源

(1.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都 610041；2.四川蜀能电力有限公司高新分公司，四川 成都 610041；3.国网福建省电力公司电力科学研究院，福建 福州 350007)

0 引 言

耐张线夹是用于在耐张、转角、终端杆塔的绝缘子串上固定导线或避雷线，并承受导线张力的金具。压缩型耐张线夹作为机械和电气负荷的传递者，是输电线路最常见的工具之一[1-6]。本体由钢锚和铝管组成，钢锚用来接续和锚固钢芯铝绞线的钢芯，通过压力使铝管产生塑性变形，从而使线夹与导线结合在一起。线夹的装配、设计和压接缺陷以及恶劣运行环境均有可能造成线夹断裂[7-11]，直接威胁高压输电线路的安全运行。

下面以一起500 kV输电导线耐张线夹内钢芯断裂事故为研究对象，对失效线夹进行解剖，借助材料表征手段综合分析线夹断裂原因，并提出科学、可行的防护措施，对防止类似事故发生、提高耐张线夹可靠性有一定的警示、借鉴意义。

1 事故概况

2018年6月， 500 kV某输电线路发生非计划停运跳闸，选相为AC相(无负荷损失)，故障巡视发现140号塔小号侧四分裂导线C相(中相)的左下导线耐张线夹断裂，导致子导线掉落，与A相(下相)距离不足，如图1所示。140号塔型为SJ 453，同塔双回路架设，小号侧档距为148 m，挂线点高差为48.5 m，气象区为10 mm轻冰，27 m/s风速。导线型号为JL/GIA-500/45-48/7钢芯铝绞线，耐张线夹型号为NY-500/45，铝管材质为1050A。

图1 导线耐张线夹失效现场形貌

2 理化检验

2.1 宏观分析

结合失效耐张线夹外部(见图2)和内部情况(见图3)，线夹存在两处断口。铝管断裂位置为接续板附近的未压接区(近钢锚侧)，断口具有明显拉伸颈缩特征，属于韧性断裂。导线钢芯断裂在距端口34 mm的钢锚内部，整体看7根钢芯断口高低不平，拉边与轴线几乎成45°，断口处均存在明显的颈缩现象，宏观上显示一定的塑性变形特征，如图4所示。钢芯的表面和断面均覆盖有大量的黑色产物，局部位置有明显的挤压和磨损痕迹，表明钢芯在运行时承受拉伸、挤压和摩擦多种应力。

图2 耐张线夹铝管断裂位置

图3 钢锚内钢芯断裂位置

图4 钢芯断裂的宏观形貌

2.2 压接质量检测

对失效耐张线夹的压接质量进行测量，发现铝管和钢管的压后最大对边距均符合《输变电工程架空导地线(800 mm2以下)及地线液压压接工艺规程》(DL/T 5285-2018)的相关要求。但钢锚的外观形貌显示，钢锚存在明显的弯曲变形，且表面有较深的压接痕迹(见图5)。经测量，钢锚弯曲点与钢芯断裂位置一致，可知钢锚压接工艺不合格导致内部钢芯在变形处产生较大的应力集中。

图5 钢锚外观形貌

2.3 扫描电镜及能谱分析

将7根钢芯线中的2根钢芯线断口置于扫描电子显微镜下观察，结果见图6。由图6(a)和6(c)可知，钢芯断口凹凸不平，C区存在剪切唇特征，断口有明显的径缩现象，符合韧性断裂特征。进一步观察发现，断口A区域附近的表面磨损处存在很多互相平行且垂直于钢芯径向的裂纹，最大裂纹宽度达100 μm，如图6(c)和6(d)所示。由此可知，裂纹在A区域萌生，B区域快速扩展，C区域瞬时断裂。由图6(b)可知，2号样断口覆盖有大量的堆积物，经能谱仪分析为氧化腐蚀产物，占据约1/3断面，表明其断裂时间早于1号样。对图6(d)中钢芯表面进行能谱分析，结果以Zn、Fe、O三种元素为主，可推断钢芯表面的黑色物质为镀锌层氧化后产物。观察断口外缘形貌，发现原圆弧形外表面局部已变形成为边角状，即本应为圆周形状的钢芯线外周表面变为多边形及圆弧形的混合形状，且挤压变形区域与裂纹源位置一致。

图6 钢芯微观形貌

由此推断，原钢芯线断口位置曾经受外力挤压后变形，变形部位机械强度较低，可成为裂纹萌生点。

2.4 显微组织分析

选取1根钢芯进行切割、镶嵌、抛磨，在金相显微镜下观察其径向截面，钢芯内部无异常的金属夹杂物，如7(a)所示。经硝酸酒精浸蚀后，基体组织显示为铁素体+索氏体，表明显微组织正常，如7(b)所示。

图7 钢芯横向显微形貌

2.5 力学性能试验

从远离断口的失效钢芯和铝管上分别选取3段试样进行室温拉伸试验，钢芯和铝管的最小抗拉强度分别为1580 MPa和87 MPa，铝管断后平均伸长率为46%，分别满足《导地线采购标准 第2部分：钢芯铝绞线专用技术规范 》(Q/GDW 13236.2-2014)和《铝及铝合金热挤压管 第1部分：无缝圆管》(GB/T 4437.1-2015)标准要求。

2.6 材质分析

对耐张线夹铝管进行化学成分分析，结果符合标准《变形铝及铝合金化学成分》(GB/T 3190-2008)中对牌号1015A的要求。钢芯线的化学成分检测结果显示，钢材中有害元素P和S的含量分别为0.015%和0.008%，均满足相关要求。

3 综合分析

通过上述分析可知，耐张线夹中钢芯和铝管的显微组织、力学性能及材质均满足相关要求。钢锚上有较深压接痕迹且存在明显弯曲现象，内部钢芯在变形处产生应力集中。这极有可能是压接过程中出现钢锚弯曲，然后试图通过反复压接将钢管弯曲部位复原所致。多次压接过程导致钢芯产生挤压变形，机械强度降低。运行时，钢芯和钢锚在变形处产生较大的接触摩擦使钢芯表面被磨损，其力学性能进一步降低。钢芯在表面受损处产生裂纹源，使耐张线夹承受载荷的有效面积减小。在导线张力作用下，受损较严重的钢芯在应力集中处首先发生断裂，剩余钢芯和铝管承受的载荷急剧增大，且钢芯断口较为锋利，会对周边的钢芯造成持续的摩擦损伤，形成恶性循环，最终导致剩余钢芯和铝管断裂。

4 结 语

该导线耐张线夹断裂属于韧性断裂事故，主要是由线夹压接质量不佳引起的。钢锚弯曲变形导致钢芯在变形处产生应力集中，压接过程中的挤压变形和运行过程中的摩擦损伤使钢芯力学性能显著降低，在导线张力作用下钢芯相继被拉断，从而使铝管拉伸断裂，最终导致耐张线夹失效。

为提高耐张线夹的运行可靠性，建议对同批次压接耐张线夹进行X射线探伤检测，排查压接时存在的安全隐患，防止类似事故再次发生。在新建、改造及扩建的线路工程中，应提升耐张线夹压接工艺，加强对线夹压接质量的抽检，以确保线路安全。