220 kV变电站断裂导线的材料特征分析

谭晓蒙，田 峰，乔 欣，樊平成，陈 浩

（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）

0 引言

某220 kV 变电站正常运行时由于异物搭挂发生35 kV 母线短路，导致某电容器L2相跨线断线跌落，致使事故扩大，造成设备、线夹及导线受损，严重影响到变电站的安全稳定运行。本文基于断线的L2相跨线的材料性能，分析断线原因以及受损导线的性能变化，为事故原因分析以及导线更换提供技术支持，并为今后相关技术人员的运行及维护工作提供技术参考。

1 断裂导线试验分析

1.1 断裂线导线简介

发生断线的电容器L2 相跨线为JLG1A 型钢芯铝绞线（如图1所示），铝绞线由26根铝单线绞制而成，每根铝单线线径为2.38 mm；钢芯为镀锌钢绞线，由7根线径为1.85 mm的镀锌钢线绞制而成。

图1 断线钢芯铝绞线结构示意图Fig.1 Structural diagram of broken ACSR

1.2 宏观形貌分析

对电容器L2相断裂导线进行宏观形貌观察（如图2 所示），可见导线整体呈银灰色，为导线表面的氧化铝薄膜，导线熔断于与线夹接头处，熔断处明显可见呈凹坑状与尖状的短路熔痕，凹痕内表面有光泽但不平滑，为典型一次短路熔痕形貌[1-4]。导线有多处断股，断股处铝单线可见亮银色熔痕，在导线其他部位也可见大量亮银色熔痕。

图2 断线L2相跨线宏观形貌Fig.2 Macro-morphology of L2 phase in broken conductor

1.3 化学成分分析

断裂导线为钢芯铝绞线，使用XL3t-980型手持式直读光谱仪对其进行化学成分检测，结果见表1。可以看出，主要检出元素为Al、Fe、Zn，Fe 与Zn元素应为铝导线与钢芯接触所得，铝绞线材料化学成分未见明显异常。

表1 断线导线主要元素质量分数Tab.1 Mass fraction of main elements of broken conductor%

1.4 显微形貌分析

截取熔断接头处钢线与远离熔断接头处钢线，经镶嵌磨抛后使用Axio Observer A1M 型研究级倒置式金相显微镜进行显微组织分析，结果如图3 所示。由图3 可以看出，远离熔断接头处位置的钢线组织为大变形量塑性形变产生的纤维组织，未发现明显异常；而熔断接头处的钢线组织为等轴状的铁素体+珠光体，珠光体主要沿钢线轴向分布在晶界上（图3b），与正常纤维组织中的方向一致，钢线的镀锌层为枝晶状铸态组织（图3c）。这表明，熔断接头处钢线发生了不完全的回复再结晶，使得显微组织由具有方向性的纤维组织变为等轴状组织，但再结晶未完成，仍残留部分方向性组织形貌，而钢线镀锌层受热熔化后又凝固结晶使得锌层呈现出枝晶状形貌[5]。

图3 断线跨线钢线不同部位显微组织Fig.3 Microstructure of different parts in broken steel conductor

1.5 剩磁数据分析

使用WT103 型手持式特斯拉计对断裂导线内部的镀锌钢绞线不同部位进行剩磁数据测量，结果如表2 所示。依据GB/T 16840.2—2021《电气火灾痕迹物证鉴定方法第1部分：宏观法》对短路的剩磁数据判据的规定：低于0.5 mT 时不作为短路判据，高于0.5 mT且低于1.0 mT时可作为发生短路参考，高于1.0 mT时可作为短路判据[2]。如表2所示，熔断接头处钢线的剩磁数据为3.1 mT，为检测值最高处，可作为短路发生判据，而远离熔断接头处钢线剩磁数据为0.8 mT，也可作为短路发生的参考判据[6]，表明断裂导线发生过短路。

表2 断线导线剩磁数据Tab.2 Remanence data of broken conductor mT

1.6 力学性能分析

断裂导线为钢芯铝绞线，从导线中间部位截取铝单线和钢单线进行力学性能检测，结果如表3 所示。可以看出，铝单线的抗拉强度为158 MPa，低于GB/T 17048—2017《架空绞线用硬铝线》中对L型硬铝线的技术要求[7]；而钢单线抗拉强度为748 MPa，远低于GB/T 3428—2012《架空绞线用镀锌钢线》中对G1A型钢线的技术要求[8]。

表3 断裂导线力学性能检测结果Tab.3 Testing results of mechanical properties of broken conductor MPa

1.7 电阻率分析

从断线导线的铝绞线中截取铝单线，并进行手工校直，采用QJ36B-2 型数字式直流电桥测量其直流电阻率直流电阻率为0.277 61 Ω·mm2/m，满足GB/T 17048—2017 中对L 形硬铝线的技术要求（≤0.028 264 Ω·mm2/m）[3]。

2 断线原因及材料性能分析

发生短路的导线由于受到短路电弧高温熔化，在短路导线上产生残留熔痕，而这些熔痕的宏观形貌及其微观材料特征均能反映出短路发生时的环境、温度等特征[9-12]。本次断裂的L2 相跨线与线夹连接处熔痕为典型一次短路熔痕；金相分析结果显示熔断处钢线发生了不完全的回复再结晶，组织转变为等轴状铁素体+珠光体，这表明在短路时钢芯绞线的温度在AC1～AC3，一般镀锌钢线材质的AC1温度为740 ℃，AC3 温度为850 ℃，也就是说短路时在导线与线夹连接处温度在740～850 ℃，高于铝导线的熔点（660 ℃），造成了铝导线的熔断[13]。短路时导线的大电流会在导线周边空间形成磁场，处于磁场内的钢芯绞线受到强磁化作用，残留较大的磁感应强度，而断线跨线钢芯的残留磁感应强度较大（3.1 mT、0.8 mT），说明导线断裂之前承受了较高的短路电流[6]。瞬时较高的短路电流使得铝线和钢线整体温度升高，发生回复，致使铝线和钢线冷变形产生的空位及位错塞积密度降低，变形储能得到释放[14-19]，宏观上表现为铝线及钢线的轴向力学性能降低，两者的轴向抗拉强度均远低于标准要求；但由于温升持续时间较短，组织未发生明显变化，其电阻率未发生变化，仍符合标准要求。

3 结论及建议

L2 相跨线的断线形式为一次短路造成的导线高温熔断。短路使得导线中电流急剧升高，电流过载发热使得跨线与线夹连接处铝绞线受热融化发生断线，钢芯受热导致其强度降低，最终无法支撑导线拉力发生断线。发生短路的导线电阻率未发生明显变化，仍符合标准要求，但其抗拉强度大幅降低，已不能满足标准要求，建议及时更换；其他有瞬时短路电流经过的导线也应及时更换，防止因力学性能不足引发的断线事故。