输电线路接续管管线接头断线热-力特性分析及金相检测

张仁奇，祝贺,廖汉梁，陶盈，郑亚松

(1.贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州 贵阳 550000；2.东北电力大学，吉林 吉林 132000)

架空输电导线管线接头断线原因长期以来受到国内外学者的广泛关注,接续管与导线在运行过程中难免出现一些潜伏性故障，甚至产生绝缘击穿爆炸严重事故[1-3]。接续管管线接头断线过程中伴随着能量损耗以及产生的热-力特性变化；接续管管线接头断线除了能引起局部放电外，还有可能引起过热或者应力集中等其他表现形式。若能对输电线路接续管管线接头进行热-力性能研究，获得导线接续管接头热-力特性参数，就能为接续管管线接头压接缺陷的分析以及断线原因检测提供重要的理论依据和数据支持，提高输电导线接续管在电网中的安全运行程度。

线路运行时，导线与接续管表面发生氧化，使接触电阻增大，产生焦耳热，导线和接续管受热膨胀，接触压力降低，接触电阻进一步增大，接续管温度不断升高[4-6]。导线接续管金属表面的非光滑接触，导致导线产生热疲劳损伤从而引起断线[7-10]。文献[11-15]对粗糙表面Weierstrass-Mandelbrot分形函数模拟进行了深入研究，得到微凸起由弹性向塑性过渡的变形机制，并进行了修正。在导线接续管温度模型构建方面，国际电工委员会(international electrotechnical commission，IEC)及国际电工电子工程师协会(institute of electrical and electronics engineers，IEEE)[16-17]建立了标准导线电流计算模型，研究导线电流与温度的计算关系式，并能够在导线温升达到稳态条件下计算电流与温度的关系。

文献[18-20]根据热电类比理论，将电路中的基本定律类比用于热路分析中，将热学问题转换为电学问题求解，并以热源为核心建立热路模型热路理论。目前对导线接续管断线接头运行特性分析研究主要存在以下问题：①仅注重线夹的出口端，忽略了导线与接续管断线接头处的影响；②仅注重导线接续管发热后的影响结果，未考虑导线钢芯裸露段和接续管钢与铝接续段间接触表面接触电阻的影响。为解决以上问题，本文对导线接续管断线原因进行深度分析，研究导线接续管断线接头运行特性，计算钢芯铝绞线钢芯抗拉强度，分析钢芯裸露段发热和钢芯钢接续管热力学特性，得到不同时间段温度负荷曲线，并进行累计计算；最后对钢芯裸露段进行金相检测，检测结果证明，钢芯裸露段被拉断前，曾在532 ℃以上运行一段时间。

1 接续管管线断线接头宏观检查

本文所用接续管管线断线接头位于贵州省贵阳市220 kV威高I回新建P4-原216档A相绝缘子附近。断线接头为YJ-300/40全张力接续管液压接头，连接小号侧JL/LB20A-300/40铝包钢绞线与大号侧LGJ-300/40钢芯铝绞线。该断线接头已散落到地上，JL/LB20A-300/40铝包钢绞线尚与压接钢接续管连接，钢芯断于压接钢接续管大号侧端部外20 mm处，压接钢接续管长度为290 mm，钢接续管外径为16 mm，接续管内径为8.7 mm，压接钢接续管颜色呈褐色，钢芯断线处有明显颈缩，压接钢接续管呈略弯曲状；铝接续管单独脱落在地上且未压接。断线接头照片如图1所示。

图1中，压接钢接续管两端钢芯裸露段长度为20 mm，钢芯截面积为38.9 mm2。小号侧钢芯裸露段颜色呈亮银色，未见明显变色(钢芯为铝包钢绞线)。断裂处为钢芯铝绞线段钢芯，钢芯裸露段颜色呈褐色，断口较平整无尖刺，端部呈拉长且坍缩状。导线插入铝接续管长度为192 mm，端头部

图1 断线接头Fig.1 Photo of broken wire connector

分铝绞线呈棕绿色(为导电脂碳化所致)，发生变色导线距端部280 mm，导线表面有部分黑色烧蚀痕迹，导线插入段部分松散。大号侧导线变色部位照片如图2所示，铝接续管未见有明显烧蚀痕迹。

图2 大号侧导线变色部位照片Fig.2 Photo of discoloration part of large side conductor

由图2可见，铝接续管未见有明显烧蚀痕迹。对断线接头接续的LGJ-300/40钢芯铝绞线进行取样，由贵州电网有限责任公司电力科学研究院环保及材料技术研究中心进行钢丝抗拉强度检测，检测结果见表1。检测的LGJ-300/40钢芯铝绞线钢芯钢丝抗拉强度符合国家标准，钢丝实测抗拉强度最小值为1 640.9 MPa。

表1 钢芯拉伸试验结果Tab.1 Steel core tensile test results

2 接续管管线接头断线热-力特性分析

对接续管管线断线接头进行宏观检查，结果验证了钢芯铝绞线抗拉强度符合标准。为进一步分析导线接续管断线原因，需考虑接续管管线接头在运行过程中的热-力分布特性对断线的影响。

2.1 接续管管线接头结构

断线接头为液压接续管接续接头，断线接头示意图如图3所示。由于铝接续管未压接，并且铝包钢铝绞线和钢芯铝绞线的接头部分均涂有导电脂，可以认为绝大部分电流均通过钢芯和压接钢接续管。钢芯裸露段和压接钢芯接续管与铝接续管之间的空气被密闭不流通，空气起到隔热作用，钢芯裸露段和压接钢接续管与铝接续管之间的热传导很小，可以忽略不计。

图3 断线接头示意图Fig.3 Schematic diagram of broken wire connector

铝包钢芯铝绞线和钢芯铝绞线的外层铝绞线与铝接续管接触面积很小，很难评估，导线主要通过导线的铝绞线向铝接续管外空气对流散热，钢芯裸露段和压接钢接续管的热量在铝接续管内主要通过导线铝绞线传导到管外段。

2.2 接续管导线钢芯计算破断拉力分析

根据GB 1179—83《铝绞线及钢芯铝绞线》附录A，铝绞线及钢绞线的计算拉断力

PB=anasafa+ngs1%fg.

(1)

式中：a为铝线的强度损失系数，37股及以下的铝绞线取0.95，337股以上的铝绞线取0.90，各种钢芯铝绞线取1.0；na为铝线根数；sa为绞前铝线抗拉强度最小值，单位MPa，参见GB 3955—83《电工圆铝线》；fa为铝线截面积，单位mm2；ng为钢丝根数；s1%为钢丝伸长1%的应力，单位MPa，参见GB 3428—82《钢芯铝绞线用镀锌钢丝》；fg为钢丝截面积，单位mm2。

对于钢芯铝绞线，铝绞线部分的计算破断拉力

PBa=anasafa,

(2)

钢芯部分的计算破断拉力

PBg=ngs1%fg.

(3)

经过计算，LGJ-300/40钢芯铝绞线钢芯标准计算破断拉力为44 346 N。贵州电网贵阳市输电运行检修分公司向220kV威高I回迁改工程设计单位咨询，发生断线故障的新建P4-原216档最大使用张力为35 002 N，最大使用张力是钢芯标准计算破断拉力的0.79倍。用断线的LGJ-300/40钢芯铝绞线的钢芯钢丝抗拉强度实测值进行计算，最大使用张力是钢芯实测计算破断拉力的0.55倍。根据文献[21]铁基材料和非铁基材料的屈服强度表，碳钢的抗拉强度随着温度升高而降低，利用插值计算可求出：当温度升高到468.48 ℃时，碳钢抗拉强度将降至常温抗拉强度的0.79倍；当温度升高到538 ℃时，碳钢抗拉强度将降至常温下的0.576倍。

3 接续管管线接头断线热-力分析

在对断线接头进行热力学分析后，得到接续管管线接头断线热-力特性参数。由于该线路在不同时间段的温度分布特性存在较大差异，需对差异时间段内接续管管线接头断线温度负荷曲线进行累计计算[22-24]。

3.1 接续管管线接头断线热-力计算公式

钢芯铝绞线插入铝接续管段电阻相对钢芯电阻很小，为了方便分析，该管段发热量忽略不计，仅对钢芯裸露段发热和钢芯钢接续管发热进行分析。根据接续管管线接头处的结构分析可知：导线主要通过导线的铝绞线向铝接续管外空气对流散热，钢芯裸露段和压接钢接续管的热量在铝接续管内主要通过导线铝绞线传导到管外段。

钢芯铝绞线运行时，钢芯裸露段与钢芯钢接续管段发热量

Qfew=I2RfewΔT.

(4)

式中：I为钢芯电流，单位A；Rfew为钢芯裸露段电阻，单位Ω；ΔT为时间，单位s。

钢芯裸露段向钢芯接续管传导的热量

(5)

式中：kfe为钢导热系数，取50 W/(mK)；Afew为钢芯裸露段截面积，单位m2；tfew为钢芯裸露段温度，单位K；tfeg为钢芯接续管温度，单位K；Lfeg为钢芯裸露段向钢芯接续管热传导到与钢芯接续管等温的钢芯长度，单位m。

钢芯裸露段温升

(6)

式中：Qfewal为钢芯裸露段向铝接续管内钢芯铝绞线传导的热量，单位J；Qfewair为钢芯裸露段向铝接续管传导的热量，单位J；Cfe为钢比热，取450 J/(kg℃)；mfew为钢芯裸露段质量，单位kg。

钢芯裸露段向铝接续管内钢芯铝绞线传导的热量

(7)

式中：tfeal为铝接续管内钢芯铝绞线温度，单位K；Lfeal为钢芯裸露段向铝接续管内钢芯铝绞线热传导到与铝接续管内钢芯铝绞线等温的钢芯长度，单位m。

铝接续管内钢芯铝绞线向铝接续管外钢芯铝绞线传导的热量

(8)

式中：λ为铝接续管散热系数；ka1为铝导热系数，取226 W/(mK)；Aa1为钢芯铝绞线铝计算截面积，单位m2；ta1为铝接续管内钢芯铝绞线温度，单位K；tair为铝接续管外钢芯铝绞线远端温度，取273 K+25 K=298 K；La1为铝接续管内钢芯铝绞线向铝接续管外钢芯铝绞线热传导到与空气等温的钢芯铝绞线长度，单位m。

3.2 接续管管线接头断线温升过程计算分析

根据贵州电网有限责任公司系统运行部提供的2021年8月25日220 kV威高I回负荷曲线，对不同时间段钢芯裸露段、钢芯接续管段、铝接续管内钢芯铝绞线、钢芯裸露段铝接续管温度进行计算，从曲线中提取不同计算采样点的有功功率值作为初始条件施加，每2个计算采样点进行直线拟合处理，共拟合为A、B、C、D、E、F、G、H段负荷直线，A段起始温度假设为25 ℃,以后段进行累计计算。A(05:45—09:15)、B(09:15—09:50)、C(09:50—10:00)、D(10:00—10:15)、E(10:15—10:40)、F(10:40—10:55)、G(10:55—11:15)、H(11:15—12:05)时间段钢芯接续管段、钢芯裸露段、铝接续管内钢芯铝绞线、钢芯裸露段铝接续管温度曲线如图4所示。

由图4(a)—(d)可知，在A—D时间段内，钢芯裸露段温度呈先上升后下降再上升的趋势，在10:00时达到该段最低温度192.95 ℃，在10:15时达到最高温度324.29 ℃。

钢芯接续管段温度呈持续上升趋势，在10:15时达到最高温度157.40 ℃。如果考虑铝接续管内空气的热传导散热，220 kV威高I回新建P4-原216档A相导线接头可以在200 A下长期运行，但红外线测温会发现接头发热超标。

由图4(e)—(h)可知，在E—H时间段内，钢芯裸露段温度呈先下降后上升的趋势，在10:40时达到最低温度314.94 ℃,在12:05时达到最高温度539.88 ℃。

钢芯接续管段温度呈上升趋势，在12:05时达到最高温度318.62 ℃。由图4可知：裸露段钢芯实测计算破断拉力小于最大使用张力(35 002 N)，钢芯被拉断，铝接续管内钢芯铝绞线温度为298 ℃，铝绞线上的导电脂被碳化。

在接续管管线断线接头运行过程中，不同时间段的温度负荷存在差异，从总体来看，钢芯裸露段温度呈先下降后上升的趋势，钢芯接续管段温度呈上升趋势。由图4可知，导线电流引起接续管发热将影响钢芯计算破断拉力，从而影响导线接续管的力学特性；在不同时间段内，导线钢芯计算破断拉力存在差异将影响接续管热荷载可循环次数，在此时间段内导线处于低拉力情况，接续管管身整体损伤程度低且较为安全，仅在压接区末端有轻微损伤。在E—H时间段内，导线处于中等拉力情况下，接续管压接区热荷载可循环次数存在较大起伏，损伤在压接区范围内开始逐渐升高，较易疲劳从而引起失效断裂。

4 接续管管线接头断线钢芯金相检测

导线接续管长期运行后部分材料的微观组织会发生变化，从而引起部件宏观性能降低，金相检测接续管管线接头各位置处的微观组织劣化特征可以有效地反映金属材料在使用过程中发生的变化，从而进一步研究接续管管线接头断线热-力特性[22]。

从钢芯端头取3个金相样，从距断线接头1 m的导线钢芯上取4个金相样，经常温镶嵌制样，使用扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)扫描接续管管体及导线钢芯拉断处金相裂缝长度，观察裂纹情况并记录。导线钢芯拉断处金相取样如图5所示，断线处接续管管体金相SEM分析、断线处接续管管口SEM分析分别如图6(a)、图6(b)所示。

图5 钢芯金相取样Fig.5 Metallographic sampling of steel core

图6 距断线接头1米处接续管金相SEM分析Fig.6 SEM analysis of connecting pipe body 1 m away from broken wire joint

由图6(a)可见，断线处接续管管体及断线接头处未出现明显的损伤，管口绞线表面萌生磨损，出现细微的裂纹源，随着载荷循环，裂纹源将萌生裂纹，出现损伤现象。

如图6(b)，断线处接续管管口出现明显的裂纹，接续管管体没有明显的损伤，此时裂纹长度接近1 mm，接续管管口处裂纹源明显断裂，并出现了2个放射区，随着载荷循环，放射区将形成放射线，加速结构的疲劳损伤，形成新的断裂纹。

对导线钢芯拉断处金相、距断线接头1 m处钢芯金相进行分析，分别如图7、图8所示。

图7的拍照倍数为1 000，金相组织为索氏体，裂纹区深度加深，裂纹长度加长，裂纹扩展速度加快，长度达到8 mm，垂度上下表面单个绞线出现了完全断裂，结构稳定性差，放射条纹较短且细，断裂韧窝大小不等，结构呈现韧性断裂。

图7 钢芯拉断处金相SEM分析Fig.7 Metallographic SEM analysis of steel core tensile fracture

图8的拍照倍数为1 000，绞线基本断裂，裂纹断口呈现不规则状，断口中心呈现纤维区，断口边缘出现剪切唇及放射区，以及不规则的放射线和细微的微孔；此时结构完全破坏，为裂纹扩展到中心的韧性破坏。

图8 距断线接头1 m处钢芯金相SEM扫面图Fig.8 Metallographic SEM scanning of steel core 1 m away from the broken wire joint

由图7、图8可知，断线接头处钢芯的金相组织中碳化物由片状分布收缩为颗粒带状分布，碳化物与铁素体界面模糊，可得出断线接头钢芯的冷拉钢丝金相组织已经回复，由于钢的熔点为1 520 ℃，钢芯的金相组织回复时温度为532 ℃，因此断线接头钢芯裸露段拉断前曾在此高温区间内运行一段时间。

5 结论

为研究输电线路接续管管线接头断线热-力特性，以220 kV威高I回新建P4-原216档A相导线为研究对象，根据钢芯铝绞线钢丝拉伸试验测得抗拉强度，然后进行不同时间段温度负荷曲线计算，最后进行断线接头钢芯的金相检测试验，主要结论如下：

a)通过对钢芯铝绞线钢丝拉伸试验测得的抗拉强度分析，断线处接头的最大使用张力较标准计算破断拉力较小，钢芯钢接续管压接导致整根导线张力由钢芯承担，碳钢有抗拉强度随着温度升高而降低的特性，钢芯铝绞线钢芯抗拉强度符合国家标准。

b)在不同时间段条件下，钢芯接续管断线接头的温度呈现不同的变化趋势，在A(05:45—09:15)至D(10:00—10:15)时间段内钢芯裸露段温度呈先上升后下降再上升的趋势，在10:00时达到最低温度192.95 ℃，在10:15时达到最高温度324.29 ℃。

c)导线电流引起接续管发热将影响钢芯计算破断拉力，从而裸露段钢芯实测计算破断拉力小于最大使用张力，钢芯被拉断，铝接续管内钢芯铝绞线上的导电脂被碳化。

d)钢芯裸露段金相检测证明：接续管管体及断线接头断裂过程中先后出现断裂源、纤维区、剪切唇、韧窝、放射区、放射线等现象，裂纹区深度加深，裂纹长度加长，裂纹扩展速度加快，长度达到8 mm；绞线断裂属于结构韧性断裂，断口不规整，呈现出不规则的放射线及大小不等的韧窝，钢芯裸露段被拉断之前，曾在532～1 520 ℃高温区间内运行一段时间。