500 kV 线路耐张线夹断裂原因分析及治理防范建议

张贵军

（云南电网有限责任公司昆明供电局，云南 昆明 650011）

0 引言

耐张线夹是用来将导线或避雷线固定在非直线杆塔耐张绝缘子串上，并承受导线张力的金具。根据连接型式的不同，主要分为螺栓型、楔型和压缩型3 种[1]。为满足线夹握力要求，在500 kV 输电线路中，常用的耐张线夹为压缩型耐张线夹，压缩型耐张线夹由铝管与钢锚组成，安装可采用液压或爆压，随着近年来液压工艺的发展，液压型耐张线夹在电网中得到广泛应用。耐张线夹设计、压接、安装等缺陷以及恶劣运行环境可能造成线夹腐蚀、发热或断裂等问题[2-13]，直接威胁输电线路的安全稳定运行。

本文以一起500 kV 输电线路导线用耐张线夹引流板根部断裂缺陷为研究对象，从断口形貌、化学成分、有限元仿真、金相组织、运行环境、金具组装结构等方面综合分析线夹断裂原因，并提出治理防范建议，为类似事件的分析与处理提供参考。

1 缺陷概况

运维人员巡视发现某500 kV 输电线路12 号塔中相小号侧右上（2 号）子导线耐张线夹铝管弯管处断裂，右下（3 号）子导线引流线夹断裂，属紧急缺陷，如图1 所示。

图1 耐张线夹断裂情况

12 号塔塔型为5E1Y1-J2-36，向左转角35°40'，大号侧使用档距225 m，小号侧使用档距712 m，设计覆冰厚度10 mm，设计基本风速 27 m/s（风速基准高度10 m）。导线采用 4 × JL/LB1A-400/50 铝包钢芯铝绞线，分裂间距 450 mm。耐张线夹型号为NY-400/50BG，“手枪型”外观，铝管（引流板）材质为 1050A 铝，热挤压成型材。

2 断裂原因分析

2.1 外观检测

检测样为某500 kV 输电线路12 号塔断裂的耐张线夹引流板及引流线夹，样件有3 部分，分别编号为1#、2#、3#，如图2 所示。1#为12 号塔中相小号侧2 号子导线断裂的耐张线夹引流板；2#、3#为12 号塔中相小号侧3 号子导线两侧断裂的引流线夹。根据图1 现场照片，2、3 号子导线靠近耐张线夹的引流线上安装了调距间隔棒，间隔棒的另一端分别连接着旁边子导线的延长拉杆。

图2 送检样品

经外观检测，2 号子导线耐张线夹引流板（1#）断口表面平整，断口上有高温熔融痕迹，断口上和铝管后出口位置的高温熔融痕迹应为耐张线夹断裂后放电导致。观察到断口表面有疲劳辉纹，呈现疲劳断裂特征。

2.2 化学成分检测

根据厂家提供资料，断裂耐张线夹铝管设计材质为1050A。按GB/T 7999—2015《铝及铝合金光电直读发射光谱仪》和GB/T 3190—2008《变形铝及铝合金化学成分》，采用电火花发射光谱法对1#、2#样品进行成分检测，经检测化学成分满足标准要求，检测结果如表1 所示。

表1 样品化学成分分析结果

2.3 断口形貌

利用扫描电镜观察2 号子导线耐张线夹引流板（1#）断口，观察到明显的疲劳辉纹，如图3 所示，呈现疲劳断裂特征，表明断口在断裂过程中发生了疲劳扩展。疲劳裂纹间距较小，根据比例尺判断，间距约为1 μm/条。耐张线夹直径为45 mm，单边长度大约70.68 mm，加上裂纹的萌生阶段，根据材料与结构的疲劳判断，耐受疲劳能力在高周疲劳与耐久疲劳之间，降低应变幅值（即：减小金具受力），可明显增加其使用寿命，使金具耐疲劳能力进入耐久区域。经分析，结构与应力不配套是导致断裂的主要原因，破坏源主要为振动次数较多的微风振动。

图3 2 号子导线耐张线夹引流板（1#）断口3D 显微照片

3 号子导线引流线夹（2#、3#）断口中间有间隙，主要因为引流线夹是由铝管压制成型，所以在断口中间有间隙，间隙两侧的断口形貌不同，一侧的断口较平整，一侧的断口粗糙，如图4 所示。

图4 3 号子导线引流线夹（2#）断口照片

在扫描电镜下观察3 号子导线引流线夹（3#）断口，观察到明显的疲劳辉纹，呈现疲劳断裂特征，表明断口在断裂过程中发生了疲劳扩展，如图5 所示。

图5 3 号子导线引流线夹（3#）断口3D 显微照片

根据比例尺判断，疲劳裂纹间距较小，间距约为7 μm/条。线夹宽度大于24 mm，压制板呈两层分布，一侧为疲劳断裂，另一侧瞬断区，疲劳断裂厚度大约12 mm，根据材料与结构的疲劳判断，耐受疲劳能力在低周疲劳与高周疲劳之间，随着应变幅值增大，能够耐受的循环次数变少。经分析，结构与应力不配套是导致断裂的主要原因，破坏源主要为振动次数较少的舞动。

2.4 仿真分析

为研究线夹断裂过程的受力情况，采用有限元方法建立线夹模型，通过测绘获得耐张线夹外形并建模，结果如图6 所示。

图6 线夹外形仿真模型

有限元模型采用三维实体单元建模，铝弹性模量70 GPa，泊松比0.3，塑性延伸强度100 MPa，抗拉强度150 MPa。钢锚弹性模量210 GPa，泊松比0.3，塑性延伸强度1 000 MPa，抗拉强度1 500 MPa。

在载荷加载方式上，通过在C 位置施加位移模拟导线舞动，C 位置向下位移4 mm。

施加边界条件约束时，A 位置和B 位置全部固定。计算结果如图7、图8 所示。

图7 底板约束应力云图1

图8 底板约束应力云图2

如果取消B 处的约束，在C 位置施加相同的位移，计算所得应力云图如图9、图10 所示。

图9 取消B 处的约束时的应力云图1

有限元的分析显示，耐张线夹连接的引流线受到约束可造成耐张线夹转折位置的应力集中，该应力集中部位与1#样品实际断裂部位一致。2#样品的引流线夹处于同一应力传递路径上，结合现场图片判断，由于对应耐张线夹和调距间隔棒安装位置不同，导致导线舞动（微风振动）产生的最大应力集中位置转移至引流线夹根部，使得疲劳断裂位置发生变化。经分析断裂主要原因为：安装在引流线与延长拉杆之间的间隔棒对引流线夹和耐张线夹引流板产生了刚性约束，导致在导线摆动时线夹转角部位产生应力集中，在长期摆动的循环应力作用下产生疲劳裂纹并最终导致断裂。综合分析，1#样品破坏源主要为振动次数较多的微风振动，2#样品破坏源主要为振动次数较少的舞动。

2.5 周边环境

某500 kV 输电线路12 号塔位于山顶最高处，大号侧使用档距225 m，小号侧使用档距712 m，跨越山箐，但是与山箐沟方向呈50°左右夹角，此地地形为非微地型区域，从地势看，此地无隘口风力汇聚情况，不存在较为特殊的风速及覆冰，耐张线夹的断裂与地形、地势无强相关性，如图11 所示。

图11 现场地貌及周边环境

金具腐蚀通常分为烟气腐蚀、应力腐蚀、蒸气腐蚀、腐蚀疲劳、冲击腐蚀、晶间腐蚀、垢下腐蚀共7 种，结合每种腐蚀特性及周边环境联系性开展分析：周边3 km 范围内无化工厂，可以排除烟气腐蚀、蒸气腐蚀；断裂金具为NY-400/50BG，对本金具无明显应力腐蚀作用；周边无腐蚀性介质，不存在交变荷载和腐蚀性介质的交互作用，可以排除腐蚀疲劳；周边流体只有空气，而且为非腐蚀性空气，可以排除冲击腐蚀；晶间腐蚀通常出现于黄铜、硬铝合金和一些不锈钢、镍基合金材质中，结合金相组织分析，可以排除晶间腐蚀；线夹上无水垢或有沉积水渣，可以排除垢下腐蚀。

2.6 金具组装

对照金具组装图分析，现场金具组装结构满足设计要求。但该类型金具组装结构存在不足，耐张线夹采用“手枪型”，其本身强度低且抗振动疲劳性能较弱，加之所有引流线与延长拉杆较近的地方均安装有TJ2-12400 调距间隔棒，如图12 所示，该根子导线引流线与另一根子导线的延长拉杆形成刚性连接，增加了同一水平面内前后子导线异频振动的应力，导致耐张线夹引流板及引流线夹转弯应力较大，易出现疲劳损坏，增加线夹断裂的风险。

图12 调距间隔棒现场安装位置图

同时，在引流线与延长拉杆之间的调距间隔棒对引流线夹和耐张线夹引流板的刚性约束作用下，易导致调距间隔棒与耐张线夹子导线出现高频振动，耐张线夹型号采用“锄头型”的情况下，线夹抗振动抗疲劳等性能较强，高频振动下容易造成调距间隔棒跳线端螺栓松脱，如图13 所示，降低了线夹断裂的风险。但调距间隔棒跳线端螺栓松脱缺陷不及时处理，在大风作用，跳线极易与均压环及其他导线金具摩擦，增加引流线磨损断裂的风险；在线路周期巡视、特殊巡视发现此类缺陷隐患后，应及时开展消缺工作，尤其大风季节应加强对此类缺陷隐患的排查治理。

图13 调距间隔棒松脱照片

3 治理防范建议

3.1 隐患排查

建议采用“无人机精细化巡视 + 人工登检”的组合巡检模式开展隐患排查。重点关注中相引流线水平引出采用“手枪型”耐张线夹、调距间隔棒与耐张线夹安装距离小于450 mm、位于风口、大档距的耐张塔，检查引流线夹及耐张线夹引流板有无裂纹；针对水平方向设计夹角为45°的耐张线夹引流板及引流线夹利用停电机会开展出线排查。

3.2 隐患治理

针对导线耐张线夹铝管弯管处断裂隐患，采用行业内常用的补压TY 型线夹引流方法来改造或更换断裂耐张线夹[12]，紧急情况可以用预绞丝引流临时处置。针对引流线夹断裂隐患，重新开断并压接新的引流线夹。

3.3 风险防范

建议建设、设计单位，加强新建输电线路工程质量管控，在技术规范书、可研设计、施工图设计等技术文件中明确相关要求。采用多分裂导线的220 kV 及以上输电线路，建议耐张线夹型号全部采用“锄头型”，提高线路高周疲劳损坏的耐受能力。

跳线调距间隔棒与耐张线夹安装距离小于450 mm 的点位，建议调整跳线调距间隔棒与耐张线夹之间的安装距离，或将普通跳线调距间隔棒更换为柔性跳线调距间隔棒[13]，或者用胶套进行包裹。

在设计审查时，要求设计单位提供调距间隔棒的安装要求，明确子导线防护措施及跳线调距间隔棒与耐张线夹之间的安装距离；在验收时，须检查跳线调距间隔棒与耐张线夹之间安装距离是否满足设计要求。

4 结束语

通过本文分析可知，跳线调距间隔棒与耐张线夹安装距离较近，安装在引流线与延长拉杆之间的调距间隔棒对引流线夹和耐张线夹引流板产生了刚性约束，在风力作用下，存在固定跳线调距间隔棒的子导线与耐张线夹子导线出现不同频率、幅度的振动，增加了耐张线夹弯管部位及引流线夹发生断裂的设备风险。遵循“减存量、扼增量”的原则，及时开展在运输电线路隐患排查治理，消除存量隐患，有效降低在运输电线路耐张线夹断裂风险；同时，严格可研设计、施工图设计评审，加强新设备投产前验收工作，严把设备入网关，确保线路隐患“零增量”。