110 kV输电线路悬式绝缘子钢脚断裂原因分析

陈 浩，田 峰，张 涛，谢利明，孙云飞

（1.内蒙古电力（集团）有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司，呼和浩特 010020；2.内蒙古自治区高电压与绝缘技术企业重点实验室，呼和浩特 010020）

0 引言

悬式绝缘子一般由绝缘件（如瓷件、玻璃件）和金属附件（如钢脚、铁帽、法兰等）用胶合剂胶合或接卸卡装而成，因其结构简单且制造成本低，在电力系统中应用广泛。作为高压输电线路的重要设备之一，悬式绝缘子主要承担悬挂导线和对铁塔绝缘的重要任务[1-2]。输电线路中悬式绝缘子是并联运行的，任何一片绝缘子出现问题都会造成输电线路故障，甚至长时间停电事故，严重影响电网的安全稳定运行。本文以某110 kV 输电线路悬式绝缘子为例，对其断裂原因进行分析，以避免同类型绝缘子失效问题再次发生。

1 设备概况

某110 kV输电线路在导线架设完成后，耐张段输电铁塔相继发生两起因悬式绝缘子钢脚脱落引发的掉串事故。该线路位于丘陵沟壑山区，地势起伏不大，坡度平缓。事故发生在冬季，气温较低，风速稳定均匀，风力等级在1—3级。钢脚断裂的悬式绝缘子为高压侧的第一片绝缘子，型号为U100BP/146D，钢脚直径为12 mm，材质为45号钢，其表面采用热浸镀锌防腐工艺处理。为找出悬式绝缘子钢脚断裂原因，对其进行检验分析。

2 理化检验

2.1 宏观检验

对钢脚断裂的悬式绝缘子进行宏观形貌检查，发现悬式绝缘子钢脚沿着球头与杆部结合部位断裂，钢脚与钢帽不存在明显偏心现象。断面内疲劳源、疲劳扩展区及瞬断区清晰可见，扩展区具有明显的疲劳弧线，除瞬断区外，断口平坦无塑性变形，断面粗糙，色泽为亮灰色，未见明显腐蚀损伤，整个断口宏观形貌符合典型的疲劳断裂特征（如图1 所示）。

图1 钢脚断口的悬式绝缘子宏观形貌Fig.1 The macro morphology of suspension insulator with broken steel foot

2.2 金相分析

对断裂的钢脚取样进行显微组织分析，发现钢脚的金相组织为铁素体+回火索氏体，未见过热、过烧组织及夹杂物，且无明显塑性变形（如图2所示）。

图2 断裂的钢脚金相组织Fig.2 Metallographic structure of broken steel foot

2.3 化学成分检测

对断裂的悬式绝缘子钢脚取样进行化学成分检测，检测结果见表1。结果表明，钢脚化学成分中各元素含量满足GB/T 699—2015《优质碳素结构钢》对45号钢的化学成分要求。

表1 悬式绝缘子钢脚各化学成分质量分数检测结果Tab.1 Test result of chemical composition mass fraction of steel foot of suspension insulator %

2.4 断口分析

利用扫描电子显微镜（SEM）对悬式绝缘子的钢脚断口进行检测（如图3 所示）。可以看出，钢脚断口扩展区可见大量疲劳条带，且不同区域的疲劳条带方向不同，具有典型的疲劳断裂特征；瞬断区可以观察到大量等轴韧窝，属于韧性断裂。

图3 悬式绝缘子钢脚断口SEM形貌Fig.3 The SEM morphology of fracture surface of suspension insulator with broken steel foot

2.5 有限元分析

通过实际测量悬式绝缘子各部位尺寸，并对钢帽和伞裙进行适当简化，利用三维造型软件构建相应的几何模型（如图4所示）。为准确模拟分析悬式绝缘子钢脚在导线风偏舞动时的受力状态，在分析模型中对悬式绝缘子钢帽施加固定约束，对钢脚球头施加弯曲载荷和轴向拉伸载荷，模型采用网格四面体单元，节点和单元数量分别为40 673 和12 499个[3]。图5为悬式绝缘子钢脚的应力分布云图，可以看出，导线在大风天气下随风摆动时，整个钢脚最大应力出现在球头与杆部的结合部位，与钢脚实际断裂位置一致[4-5]。

图4 悬式绝缘子几何模型Fig.4 The Geometrical model for suspension insulator with broken steel foot

图5 悬式绝缘子钢脚的应力分布云图Fig.5 The stress distribution map for the suspension insulator with broken steel foot

2.6 硬度检测

对悬式绝缘子断裂的钢脚取样进行硬度检测，钢脚布氏硬度值在145～153，标准GB/T 699—2015中对退火供货状态的45 号钢的硬度要求为≤197，因此其硬度值满足使用要求。

3 断裂原因分析

断裂的悬式绝缘子钢脚化学成分及布氏硬度均符合标准要求，因此排除了因材质错用导致钢脚断裂的可能。此外，钢脚金相组织未发生拉长变形，且未见过热、过烧等异常组织，说明热加工工艺对钢脚的断裂影响较小。

平坦开阔的地形及稳定缓慢的微风对导线的微振起促进作用。现场勘查发现，该线路位于丘陵沟壑山区，地形相对平缓，对气流的扰乱作用较小。该事故发生在冬季，事发当天风速在5 m/s 左右，在这样的风速及地形条件下导线极易发生微风振动。此外，在输电线路导线架设完成后，因天气原因未在第一时间安装防震锤等金属附件，因此无法有效减少或消除导线振动的影响[6-9]。

高压侧第一片悬式绝缘子直接与导线线夹相连，一旦导线发生振动，该处作为振动的起始点，振幅高、应力大，服役条件相对其他部位恶劣。同时，悬式绝缘子钢脚的球头与杆部的结合处属于变截面区域，在外力作用下极易形成应力集中。当导线发生微振时，悬式绝缘子钢脚处将产生与导线微振周期相同的循环应力，且沿着应力集中效应明显的钢脚球头与杆部结合部位开裂，并以疲劳的形式不断扩展。此外，线路架设地区冬季气温极低且昼夜温差较大，造成导线的张力升高，振动频率加快，也在一定程度上加剧了悬式绝缘子钢脚的疲劳损伤及断裂进程[10-16]。

4 建议

针对本次悬式绝缘子钢脚断裂故障，提出以下建议。

首先，基建过程中输电线路导线架设完成后，在第一时间应安装防震锤等金属附件，防止导线发生微风振动；其次，冬季施工应充分考虑气温低及温差大的特点，避免因导线张力过高引发微风振动；再次，因悬式绝缘子钢脚断裂于碗头内且尺寸细小，比较隐蔽，在常规线路巡视时不易发现，建议加强该输电线路的巡视力度及登检频次，必要时可进行磁粉无损探伤，发现问题及时更换处理；最后，新更换的悬式绝缘子钢脚应开展化学成分及金相组织检测，以确保钢脚的质量，避免质量不合格的悬式绝缘子投入电网使用。