500kV 超高压输电线路金具挂环断裂原因及预防对策

方旭 四川蜀能电力有限公司电网运维分公司

现代社会中，我国科技技术发展日新月异，电力系统也随之取得了很大的进步，最重要之一是500kV 超高压输电线路，能够有效降低输电成本，具有重要应用价值。但因为其所处的环境属于外部自然环境，容易产生故障。其中金具是被广泛应用在输电线路中的铁或铝制金属附件，主要用来抑制导线振幅和消振，种类和用途繁多。电力线路金具挂环在输电线路中具有重要作用，一旦失效会对造成较大的安全隐患，因此对输电线路金具挂环断裂失效及预防研究十分有必要。

一、输电线路金具类型概述

（一）碗头挂板

在线路中起到连接悬垂线夹和绝缘子串的作用，按结构和使用条件可分为单联和双联碗头挂板。碗头挂板作为一种常用的连接金具，被大量应用于输电塔上，往往承受着较大载荷，其性能优劣对输配电线路安全至关重要。

（二）悬垂线夹

悬垂线夹是用于悬挂和支托导线，要求能承受规定的垂直荷载和对导线的握力。从结构上分为中心回转式、上扛式和提包式。

（三）楔型线夹和UT 线夹

楔型线夹和UT 线夹属于拉线金具，是用于杆塔至地锚之间连接、固定和调整拉线，其结构如图1 所示。

图1 高强度铝合金楔型线夹和UT线夹的结构

二、工程案例概述

本文以某500kV 高压输电线路为例，据资料显示该地区输电线路连接金具在远低于其服役年限下即发生严重的磨损失效，给输电线路造成较大的安全隐患；而且连接金具更换麻烦，造成大量人力和财力的浪费，因此对输电线路连接金具失效的研究十分有必要。

三、金具失效原因及分析方法

连接金具U 型环的失效主要由材料因素和工况两方面决定，前者为内因，后者为外因。连接金具的失效总是从金具薄弱环节开始，而薄弱环节又是由上述两个方面相互作用导致的。

（一）金具U 型环磨损

连接金具除了要承受导线、绝缘子或其他构件自身的质量等各种静载荷外，还受微风振动、舞动、覆冰、次档距振动、导线脱冰跳跃等因素影响。在大风情况下，导线背风面会产生较大的涡旋使导线产生一定幅度的位移。位移会带动连接金具产生一定角度的晃动，从而使上下U 型环的接触位置产生滑动导致黏着磨损，当在风沙环境下小粒径的沙粒可能会进入接触位置，在相对滑动的过程中，导致磨粒磨损。

（二）金具U 型环腐蚀

由于输电线路所用U 型环绝大部分材质为Q235 表面镀锌。当连接金具用于恶劣工况条件下时，表面镀锌层在潮湿的环境中会受到酸性腐蚀，使表面镀锌层遭到破坏加速连接金具的失效。蚀金具的工作特点也会对其造成腐蚀，连接金具在运行条件下要承受较大的应力，应力使镀锌层表面的裂纹快速扩展。在酸雨气氛中，扩展的裂纹会使腐蚀介质更易进入镀锌层，加快连接金具腐蚀速率。当连接金具由于风载或其他因素产生相对滑动时，在酸性环境下，会产生微动腐蚀，腐蚀和磨损交互作用，共同加速连接金具的失效进程。

（三）金具U 型环疲劳研究

金具的疲劳研究可以从以下三个方面进行：第一方面是传统疲劳寿命研究，通过对连接金具进行疲劳试验，对断口宏观形貌进行观察，对于由疲劳导致的断裂失效可在断口上观察到疲劳源、疲劳裂纹扩展区、瞬断区三个典型的疲劳断口特征，然后再对断口部位进行金相组织观察、扫描电镜、成分分析等阐明疲劳裂纹萌生机理。此方法可较为精确地阐明连接金具疲劳失效原因，但耗费时间较长。第二方面是基于神经网络等预测模型利用连接金具磨损数据构建连接金具疲劳寿命预测模型。第三方面是利用有限元软件对连接金具进行疲劳寿命分析或对连接金具进行磨损量仿真，利用建立的磨损量仿真模型预测连接金具达到失效尺寸时所经过的时间。

上述三个方面可互相验证，从而实现对连接金具疲劳研究的精确性与全面性。疲劳是裂纹在长期周期性交变应力下失稳扩展导致的失效或断裂，而疲劳裂纹最易在工件内部组织缺陷处、应力集中区域和表面划痕等位置产生。由此可知，连接金具疲劳失效的影响因素主要有表面质量、结构设计和风载荷。连接金具表面完整性和粗糙度对其疲劳寿命起着决定性作用，金具表面缺陷处在交变载荷下易产生疲劳源；连接金具不合理的结构设计和受载分布会导致其产生应力集中，给连接金具产生疲劳裂纹埋下隐患；风载荷会使连接金具单侧受力不均匀，导致其发生摆动，当摆动达到一定程度后会在连接金具薄弱位置产生裂纹。

四、金具失效分析方法

第一，同一类别的金具由于本身制造工艺、规格不同导致形态多样化，不同形态的同类金具的缺陷也具有多样性；第二，同一类别的金具正常和缺陷形态差异较小。因此，要想实现对金具缺陷样本的准确分类，必须对所提取的金具缺陷特征有很高的要求。传统的金具巡检主要通过人工检修，耗时费力的同时检修效率较低。目前，电力系统已经广泛采用安全系数较高的直升机和无人机进行输电线路上金具等重要部件的巡检工作，但由于拍摄角度的多变性和金具所处背景的复杂性，必须利用目前鲁棒性较强的图像处理算法，并结合金具先验知识处理其缺陷分类问题，通过对获得的金具图像的处理可以判断出金具是否正常，以及产生何种缺陷隐患，这能够很大程度地提高输电线路自动化巡检的效率。

失效总是从连接金具的薄弱环节开始的，失效金具的残骸上必然会保留有关失效过程的有用信息。通过对失效残骸的研究可查明失效的机理和过程，并对失效的原因做出判断，从而可针对性地采取改进和预防措施。对连接金具进行失效分析可从宏观和微观两个层面进行，由于材料的成分、组织和性能会决定其最终的使用性能，因此在对连接金具进行失效分析之前应查清其成分、加工工艺、工况环境等信息。宏观分析，利用肉眼或放大镜对失效金具进行全面观察，寻找失效部位的有用信息进行拍照取证。微观分析，在不影响失效金具原有形貌的前提下，对包含有失效信息的典型断口进行取样，对其断口微观形貌进行观察。结合金相组织形态分析、化学成分分析、结构分析得出连接金具的失效形式与机理。

五、超高压输电线路金具失效预防措施

1.对连接金具进行无损检测，避免在其缺陷位置由于应力集中而产生裂纹。

2.更换连接金具材质。由于连接金具U 型环大部分材质为Q235，其耐磨性较差，可采用耐磨性能较好的45Mn2 或35CrMo。

3.对连接金具进行表面改性处理。连接金具表面一般为镀锌层，而锌耐腐蚀能力较弱，可通过对连接金具表面喷涂耐磨的高碳钢、镀铝或铝锌合金、进行表面强化等来改善连接金具的耐磨性和耐腐蚀性。

4.改变连接金具接触方式，目的是为增大其接触面积，从而降低局部接触应力。例如，用直角挂板替换U 型环，增大连接金具之间的接触面积。

5.改变连接方式，避免某些部位磨损过度导致连接金具失效。例如，由环环连接改为环链连接。

6.为避免连接金具振动，可安装防震锤。

7.对输电线路安装防舞装置，例如间隔棒、防舞鞭、偏心重锤等，来防止输电线路舞动，从而带动连接金具产生微小滑动，使连接金具之间发生磨损。

8.提高对在役连接金具的检查频率。

六、结束语

社会对电能的需求量由于受到国民经济增长的影响进行了大幅度快速试的提升，并且赋予了电力输送领域全新的生机，也带来了重大的挑战。500kV 超高压输电线路作为电力系统的重要组成部分，其运行质量具有重要意义。本文结合某500kV 输电线路金具失效原因及预防措施展开分析，以期促进500kV 超高压输电线路运行质量提升。