一起架空输电线路导线断线故障分析

王 津，王文卓，徐 浩，彭 鹏，张发刚

(1.国网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州 730070； 2.国网甘肃省电力公司，甘肃 兰州 730030)

0 引 言

在架空输电线路运行过程中，导线断线情况并不常见，大多由于外力影响造成，如超设计覆冰、超设计大风、外力碰线、持续短路电流烧毁等，在外界条件未对线路造成直接影响时，较难判断线路设备断线故障原因。笔者通过一起330 kV架空输电线路断线故障的分析，探寻到了判断导线原生缺陷故障的方法，对以后导线断线分析有一定指导意义。

1 故障情况

某年12月，某330 kV架空输电线路故障跳闸，重合不成功，试送不成功。经现场故障巡查，发现该线路51#-52#档内A相导线一子导线断线，断线部位为51#耐张塔起第二、三间隔棒之间，靠近第三个间隔棒大约5 m处，2号子线(四分裂导线，左上线)断线，如图1、2所示。

图1 子导线断线后现场情况

断线时，线路上有6 mm雾凇，如图3所示，换算为等值覆冰厚度小于1 mm，导线规格JL/G1A-300/40(LGJ-300/40)。

图2 导线断裂示意图

图3 断线当天覆雪情况 图4 现场调查覆雪情况

2 故障分析

根据线路故障时天气情况以及周边环境情况，分析故障原因结果如下。

2.1 产生断线的可能因素

(1) 故障时，故障区段均为轻微覆冰，可以排除覆冰超过设计覆冰值[1]导致导线拉断的因素。

(2) 故障时，故障区段未出现大风情况，可以排除超设计大风引起超设计荷载导致导线拉断的因素[2]。

(3) 故障时，故障区段有6 mm雾凇，可忽略不计[3]，排除覆冰舞动导致导线拉断的因素。

(4) 故障发生在冬季，不可能出现雷雨天气，可以排除雷击导致导线断线的因素。

(5) 故障区段处于山脊无人区，无超高机械通过的可能，故障区段周边未发现其他飞行器残骸等异常物品，故障周边亦未发现可造成线路短路的异物，可以排除外力破坏导致导线断线的因素。

综上所述，线路运行过程中，因外部因素导致导线断线的情况均已排除。

2.2 力学计算分析

正常运行时，导线最终弹性模量为70.5 GPa,线膨胀系数19.4×10-6/℃，额定拉断力为92.36 kN，最大使用张力为34.408 kN，钢芯及铝绞线受力比例60.328%，钢芯中各钢线受力比例近似均匀受力，每根钢丝最大使用力为7 959.9 N，最大许用张力2 949.5 N。

单根钢丝断裂后，其余6根钢线受力增加2.38%、钢芯出现塑性延伸，内层铝绞线部分出现延伸断裂情况。

根据试验数据及设计手册公式计算：

① 单根导线最大使用张力[T]：

[T]=0.95Tp/2.55=Tpu/2.55=0.95×92.36/2.55=34.408 kN

② 单根钢丝最大使用力F0：

1 500×106 Pa=F0/3.14×1.32×10-6

F0=7 959.9 N

③ 钢芯承受最大使用力F1：

F1=7 959.9×7=55 719.3 N=55.719 kN

④ 铝线承受最大使用力F2：

F2=92.36-55.719=36.641 kN

⑤ 单股铝线承受最大使用力F3：

F3=36.641/24=1 526.708 N

⑥ 钢芯受力占导线额定拉断力比值：

A=55.719/92.36=60.328%

⑦ 4股严重损伤铝线损失强度力为：

1 526.708×4=6 106.832 N

⑧ 钢芯承受最大使用张力为：

34.408×0.603 28=20 644.8 N

⑨ 单根钢丝承受最大使用张力为：

20 644.8/7=2 949.25 N

⑩ 铝线承受最大使用张力为：

34.408-20.644=13 763.3 N

综合分析：导线断线时，4股严重损伤外层铝绞线损失强度力仅为6 106.832 N，现场未出现可导致导线应力大幅增大的情况，因此，单根导线承受张力不超过34 408 N，因钢芯缺陷的原因，钢芯钢丝断裂1根，导致单根钢丝所受张力超过单根钢丝所受的最大张力2 949.5 N，第2根钢丝瞬间断裂，因钢芯拉断时延伸率2%～4%，铝股拉断时延伸率1%～2%，铝绞线陆续出现延伸断裂，因内层铝股同时受到螺旋钢股和外层铝股的内外挤压，内层铝股应力比外层更大，所以内层铝绞线先断，之后是外层铝绞线，当钢芯断第3根时，瞬间单根导线最大使用张力作用在钢芯和少部分外层导线上，钢芯瞬间全部断裂。

3 试验检测

3.1 断裂部位外观检查

断裂导线规格为JL/G1A-300/40,其中部为7根镀锌钢线绞制成的钢芯，两层布置，中心为1根，第一层 6根，7根钢芯单丝的断口均呈现为带有颈缩的杯锥状；外部有24根硬铝线，两层布置，内层为9根，外层为15根，其中外层的13根和内层的7根铝线单丝断口形貌较为相似，为45°斜切面。在外层和内层的铝线单丝中各有2根断口为带有颈缩的正向拉伸断口。

3.2 钢芯单丝断口形貌分析

失效样品中7根钢芯单丝断口均存在明显的纤维区、放射区、剪切唇，断口呈现杯锥状形貌，表明导致钢芯断裂的主应力为正向拉伸应力，钢芯单丝断口形貌如图5所示。

图5 钢芯单丝断口示意图

3.3 铝线单丝断口形貌分析

由于绞合后的铝线单丝与导线轴向带有一定夹角，且相邻两层线之间存在一定的正压力和摩擦力，影响了每根铝线单丝的承载力及方向，造成先断裂的大部分铝线单丝呈现斜向剪切断口；铝线单丝中存在颈缩的断口属于正向拉力作用所致，判断为铝线中最后拉断的部分。且部分铝线表面可见绞制过程中造成的斜向压痕，如图6所示。

3.4 钢线单丝断口金相分析

截取钢芯单丝断口附近部分，沿轴向剖面观察金相组织，基本组织为铁素体+珠光体。可以看出，由于材料受到拉伸变形，组织呈纤维状。断口附近与距断口10 mm处金相组织基本一致，并未发现由于焊接热循环引起的金相组织变化迹象，如图7所示。

图6 铝线单丝损伤示意图

图7 钢芯单丝断口附近及距断口10 mm处金相照片

3.5 钢芯单丝断口扫描电镜检查

如图8所示，在钢芯单丝中部位于杯锥状断口底部的初始断裂区呈现韧性断裂断口特征，视野内可见的韧窝基本为等轴韧窝，是在正应力作用下形成的。

图8 钢芯单丝断口扫描电镜对比照片及能谱面扫照片

从中心向四周，呈现明显的纤维区、放射区和剪切唇。所抽查的#7钢芯单丝原始断口可见一些孔隙和微裂纹，在孔隙内部未观察到杂质。增加抽查对比新导线#3钢芯单丝断口微观形貌与断线导线#7钢芯单丝断裂基本特征大致相同，但微裂纹及凹坑明显少于断线导线#7钢芯单丝。钢芯单丝断口端面扫描电镜能谱分析结果如图8所示，可见其内部不同区域铁和碳元素分布带有一定的不均匀性，这与材料基本组织为铁素体和珠光体两相且存在一定偏析相关。

3.6 钢芯单丝力学性能试验

对7根钢芯单丝分别进行力学性能试验，拉伸试验指标符合标准要求。

3.7 铝线单丝力学性能试验

对24根铝线单丝进行力学性能试验，拉伸试验符合标准要求。

3.8 同型号钢芯铝绞线新样品对比试验

(1) 钢芯单丝力学性能

对7根钢芯单丝分别进行力学性能试验，钢芯单丝1%伸长应力、抗拉强度、断后伸长率结果均符合标准要求。

(2) 钢芯单丝断口金相分析

金相组织为铁素体+珠光体组织，由于受到拉伸变形组织呈纤维状，断口附近与距断口10 mm处金相组织基本一致。与断裂导线钢芯单丝组织形貌无明显差异。

(3) 钢芯单丝断口扫描电镜检查

如图8所示，对比新导线钢芯单丝拉伸试样断口从中心向四周也呈现出明显的纤维区、放射区和剪切唇。初始断裂区断裂面存在大量等轴韧窝，呈现韧性断裂断口特征，为正应力作用下导致的断裂。但在断裂面上，孔隙和微裂纹明显少于断裂导线#7钢芯单丝原始断口。

3.9 综合分析

断裂导线及对比试验新导线钢芯及铝线单丝拉伸试验结果符合标准要求，断裂导线钢芯单丝断口附近金相组织与对比新导线试样基本一致，说明导线本身材质及拉伸试验力学性能符合标准要求，且断口附近金相组织不存在焊接迹象。

从断口扫描电镜微观图像看，断裂导线#7钢芯单丝断口初始开裂区域断面平整度明显不及对比新导线#3钢芯单丝，且断裂面上的孔隙及微裂纹多于对比新导线钢芯单丝。说明断裂导线#7钢芯单丝的组织均匀度与对比新导线#3钢芯单丝存在差异。

经专家探讨分析，此次断线失效分析试验检测项目全面、数据详实、结论正确，原始性孔隙缺陷是导致本次断线事故的主要因素，轻微覆冰及微风震动是导致本次断线事故的次要原因，不存在因外部因素导致导线断线的情况，导线断线多见于金具压接等施工工艺不良，在施工过程中过载或运行多年后产生金属疲劳，进而导致断线。

4 结 论

(1) 此次断线可以排除覆冰超过设计覆冰值[4]、大风引起超设计荷载、覆冰舞动导致导线拉断[5]、雷击导致导线断线、外力破坏导致导线断线的因素；经宏观检查、尺寸测量、材质分析、力学性能试验，除断裂导线1根钢线及2根铝线卷绕试验结果不符合标准要求，其他样品力学试验结果均符合相关标准要求。经金相检验，断裂导线和对比导线钢丝试样断口附近金相组织基本一致，可排除钢芯断口处存在焊接情况。

(2) 导线断裂过程是：钢芯钢丝断裂1根，导致单根钢丝所受张力超过单根钢丝所受的最大张力2 949.5 N，第2根钢丝瞬间断裂，因钢芯拉断时延伸率2%～4%，铝股拉断时延伸率1%～2%，铝绞线陆续出现延伸断裂，因内层铝股同时受到螺旋钢股和外层铝股的内外挤压，内层铝股应力比外层更大，所以内层铝绞线先断，之后是外层铝绞线，当钢芯断第3根时，瞬间单根导线最大使用张力作用在钢芯和少部分外层导线上，钢芯瞬间全部断裂。

(3) 断线钢芯中自编号为#7的钢线存在原始性孔隙缺陷，该缺陷属于制造过程中脱氧等工艺中出现的小概率事件，是导致此次断线事故的重要因素。轻微覆冰及微风震动是导致本次断线事故的次要原因，不存在因外部因素导致导线断线的情况。

通过此次分析以及计算、试验结果，找到了导线断线故障原因分析方法，可用于指导输电线路运行单位针对导线断线故障，准确判断故障原因。