某输电线路地线金具断裂分析

叶建锋，周学明，沈祎侬

（1.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077；2.湖北方源东力电力科学研究有限公司，湖北 武汉 430077）

0 引言

架空地线为输电线路的重要部分，虽然其不传输电力，但地线断裂后仍然会造成线路跳闸［1-3］。

架空地线失效一般包括雷击［4］、钢绞线腐蚀断裂［5-12］、钢绞线钢锚处压接质量不良导致钢绞线从钢锚中抽出［13-24］，连接钢绞线及铁塔之间的金具断裂［25-27］等情况。

1 概况

某220 kV输电线路改造工程投运于2020年6月，共有6基新立的杆塔，导线采用2×JL/G1A-630/45钢芯铝绞线，双根地线，其中一根为JLB35-120铝包钢绞线，另一根为36芯OPGW光缆。

2021年1月，线路发生故障，经线路运维单位现场检查发现该地线某基铁塔上的U型挂环断裂，导致地线跌落至地面，如图1所示。

图1 断裂U型挂环在铁塔上的位置Fig.1 The position of the broken U-RING on the tower

2 试验与分析

根据设计文件，该地线的连接方式为使用型号NY-120BG1的耐张线夹压接地线，然后使用U-10型号的U型挂环将耐张线夹直接与铁塔横担连接。

2.1 试验计划

根据故障情况和样品制定表1所示的试验计划。

表1 试验计划Table 1 Test plans

2.2 外观检查

对U型挂环及钢锚进行外观检查，发现U型挂环内侧面和钢锚的侧面均存在明显的磨损痕迹，但U型挂环的内凹面和钢锚的内凹面未见磨损痕迹，如图2-图3所示。

图2 断裂U型挂环磨损痕迹Fig.2 Wear marks of broken U-RING

图3 钢锚磨损痕迹Fig.3 Wear marks on the steel anchor

从图2-图3的磨损痕迹可以判断，U型挂环的内侧面与钢锚的外侧相互接触，而U型挂环的内凹面与钢锚的内凹面未发生接触，这与正常情况下环-环连接金具的接触部位不符。

2.3 尺寸测量

将断裂U型挂环U-10拼接后对其尺寸进行测量，结果如表2所示，另外，根据与断裂U型挂环相连接的钢锚型号（NY-120BG1）查阅资料得到钢锚的尺寸如表3所示。

表2 U型挂环尺寸测量结果Table 2 Measuring result of U-RING

表3 钢锚尺寸Table 3 Size of steel anchor

根据标准《GB/T 2315-2017电力金具标称破坏载荷系列及连接型式尺寸》5.3.1规定，对于直径大于等于18 mm的环环连接时，一个环的开口宽度应比另一个环的直径大4 mm，而根据实测结果，断裂U型挂环的开口宽度仅比与之相连的钢锚直径大1.73 mm，可见断裂U型挂环与钢锚的尺寸不匹配。

2.4 光谱分析

对断裂U型挂环进行光谱分析，结果如表4所示。

表4 光谱分析结果Table 4 Spectral analysis results

从光谱分析结果可见，U型挂环的材质牌号与Q235B相符。

2.5 金相分析

对断裂U型挂环进行金相分析，结果如图4-图5所示。

从图4-图5可见，该钢材内部无明显夹杂物，组织为铁素体+珠光体，为锻造件金相组织，且钢材表面无脱碳层。

图4 U型挂环芯部金相组织Fig.4 Metallographic structure of U-RING core

图5 U型挂环边沿金相组织Fig.5 Metallographic structure of the edge of U-RING

2.6 拉力试验

使用线切割机将断裂的U型挂环取样进行拉力试验，结果如表5所示。

表5 拉力试验结果Table 5 Tensile test results

从表5可见，U型挂环的力学性能满足标准《GB/T 700-2006碳素结构钢》要求。

而根据《GB/T 2315-2017电力金具标称破坏载荷系列及连接型式尺寸》，U-10型U型挂环的材料抗拉强度要求≥500 MPa，且d=16 mm，虽然断裂U型挂环的抗拉强度为462 MPa，比标准GB/T 2315-2017低7.6%，但断裂U型挂环的d=17.94 mm，其承载截面积比标准GB/T 2315-2017高25.7%，因此总体而言，断裂U型挂环的承载能力能满足标准GB/T 2315-2017的要求。

2.7 断口分析

对断裂U型挂环的断面进行宏观检查，发现断裂起源于U型挂环的内侧面，终止于外侧面，且断面无锈蚀，如图6所示。

图6 U型挂环断面宏观图Fig.6 Macrograph of section of U-RING

为进一步确认U型挂环是否存在原始缺陷，使用扫描电镜对断裂起源部位进行形貌观察和能谱分析，结果如图7和表6所示。

图7 断裂起源部位形貌Fig.7 Morphology of the origin of fracture

表6 断裂起源部位能谱分析结果Table 6 Results of energy spectrum analysis of fault origin site

从扫描电镜分析结果可见，断裂起源部位的形貌与芯部一致，均为韧性断口，且起源部位无锌元素，表明U型挂环镀锌前该部位无缺陷。

3 断裂原因综合分析

从光谱分析、拉力试验和金相分析结果表明U型挂环的材质为Q235B，制造工艺为锻造，符合《电力工程设计手册》对U型挂环的选材及加工工艺要求。

从断口分析结果表明，U型挂环的断裂起源部位无原始制造缺陷，断口性质为韧性断裂。

从尺寸测量结果表明，U型挂环的尺寸和钢锚尺寸不匹配，U型挂环的开口宽度偏小，导致在受拉力的情况下，钢锚与U型挂环内侧面紧密贴合，无法灵活转动，从钢锚和U型挂环的磨损痕迹中也验证了这种情况。

最后，由于钢锚与铁塔横担之间只有一个U型挂环作为过渡，当钢锚与U型挂环之间转动不畅时，地线上下摆动的载荷无法通过金具间的转动来抵消，从而使载荷直接传递到U型挂环上，使U型挂环与铁塔横担发生碰撞，当摆动载荷在单位面积上所产生的冲击功大于U型挂环的冲击韧性时，U型挂环便发生断裂。

4 建议

1）将该线路其他地线与铁塔横担连接的U型挂环更换为开口宽度满足标准要求的U型挂环。

2）对其他线路进行排查，若发现地线钢锚与铁塔横担之间仅有一个U型挂环进行过渡的情况，则需查阅其设计资料，检查是否存在U型挂环与钢锚尺寸不匹配的情况。

3）对于以后将要建设的工程，做好设计的审查工作［28-34］，建议采用《国家电网公司输变电工程通用设计》，避免地线钢锚与铁塔横担之间仅用一个金具进行过渡。