500kV输电线路地线悬垂线夹断裂原因分析

吉林省送变电工程有限公司 张国理

1 线路基本情况

某500kV 输电线路项目处于我国中温带季风气候地理位置，极易受到强风带来的影响，导致其平均风速大于5m/s。由于地形复杂，该地区风速较大。在例行检查中，可以发现线路的732号杆塔地线悬垂线夹的承重轴一侧出现了轻微的断裂，不过地线主体并没有问题。深入剖析发现，这个杆塔位于丘陵地带，高度为54m，地线悬垂线夹型号为XGU-2F 型，属于G13型。进一步判断其他几个杆塔的悬垂线夹也存在磨损情况，其中721号和736号塔的地线悬垂线夹磨损特别严重。具体来说，721号和736号塔的地线线夹承重轴初始直径分别为16mm，但现在分别减小到14.6mm和13.4mm。721号塔的磨损断面是8.578mm2，占总面积的4.27%。而736号塔的磨损断面更大，达到了21.22mm2，占总面积的10%。

2 悬垂线夹承重轴磨损原因

2.1 外观检查

承重轴断裂的地线悬垂线夹承重轴断口分为两个部分：其中某些断口呈现出光亮状态，表面结构十分平滑，属于长时间磨损而出现的陈旧断口，占据整个断口的80%面积。其他断口则有着明显的脆性断裂特征，属于瞬间断裂情况。对断口予以观察发现，断口上没有肉眼可见的制造缺陷。

结合相关标准分析，XGU-2F 型悬垂线夹本体及压板均采用牌号不低于KT33-8的可锻铸铁制造，这些材料在制造过程中经过了严格的检验和筛选，以确保其能够承受破坏荷载不小于38.2kN 的压力[1]。根据测量结果显示，732号塔地线悬垂线夹挂板孔径为18.8mm，需要负责人考虑到该装置有着较长运行时间，挂板必定会出现某种程度的磨损，能够判定该挂板孔径符合各项基本要求[2]。由于悬垂线夹存在长度、高度和质量三个方面的尺寸问题，加之承重轴断裂的状况，因此需要对该型号的悬垂线夹进行全面检查和评估。最后，732号塔磨损的线线夹的外观尺寸检查结果见表1。

表1 外观尺寸检查结果

732号塔地线的悬垂线夹在电焊加工补强时经过了严格的淬火和回火处理，这使得其表面留下了明显的热处理痕迹。不过在焊接加固的过程中，由于焊接电流和温度控制不当，线夹的挂孔也受到了轻微的影响，出现了变形和焊渣问题。若是挂孔内壁并没有根据相关标准完成打磨处理，仅是借助双手触摸其内壁，就能够感受到凸起。这些凸起部位和承重轴断裂部位有着高度一致，表示挂孔内壁存在的凸起位置会增重悬垂线夹上原有承重轴的磨损情况。挂板磨损情况和承重轴进行对比要更加轻，导致该问题的主要因素是挂板和承重轴所采用的施工材料不大相同。挂板通常是由碳素结构钢生产制作，但生产承重轴采用的是铸铁材料，硬度较低。由此可见，悬垂线夹存在一定的质量问题，其挂孔内壁的凸起部位可能对承重轴造成了影响，并且由于挂板和承重轴的材料不同，受到的磨损程度也不同。

2.2 材质检测

结合相关要求和标准，对使用材料KTH330制造的受损悬垂线夹本身的金相、材料功能或者是硬度实施检测可知。金相检测要求工作人员先打磨好受损悬垂线夹的表层结构，再对金相组织做出严格检测。由此可知，受损悬垂线夹内部的金相组织通常呈现出的是铁素体加团絮状石墨，满足相关生产制作标准[3]。同时，还应该检测各种材料具有的抗拉伸功能，最终结果见表2，由此可知，该悬垂线夹的材料拉伸性能不符合上述标准的要求。

表2 拉伸性能测试结果

2.3 金相组织

对没有存在显著缺陷的螺栓全部切割之后，采取打磨抛光的措施，并用光学显微镜予以观察。从中可以发现：护套部分的金相组织属于先析α-Al和Al-Si 共晶组织，其中的Si 为片状，分布于整个基体里面，因此属于十分典型的金相组织，没有任何异常状况。然而一些尺寸偏大的孔洞有铸造质量不佳的情况，自然会对护套本身的力学性能造成影响，包括硬度、耐磨度等。

螺栓部位的金相组织一般为3层，最外层属于腐蚀产物，导致里面的金属已经没有任何组织。最里面的属于基体层，组织包含铁素体以及珠光体，满足规定要求，且没有任何异常。中间的部分为回火索氏体，通常只有35号钢在受到高温加热后才会有该组织产生。基于螺栓本身的使用环境，通常不会有这类组织出现。因此可以推断螺栓部分在悬垂线夹断前必然受到了高温处理，然而内部组织却没有形成任何变化。参照固态相变规律可以得知，当温度高于500℃的时候，才有可能出现回火索氏体，所以螺栓的整个基体基本上没有任何变化。

2.4 理化检验

在研究中，经过切割、打磨抛光护套和螺栓的部分可见没有明显缺陷的部分，使用ZEISS Axiovert 200型光学显微镜对其截面做出细致观察。结果显示，护套的金相组织呈现出典型的Al-Si 铸造铝合金特性，其内部分布着均匀的片状或棒状共晶Si，这为护套的优良性能提供了坚实的基础。而螺栓磨损处的金相组织结构则有着较为复杂的特征。

可以清晰地分为三层：最外侧一层属于腐蚀产物，接下来一层是符合相关标准要求的铁素体+珠光体，而最内侧的一层则是回火索氏体。由此可知，螺栓在断裂之前有很大概率经历了一段高温过程。然而，值得注意的是，螺栓其他部位的金相组织并没有呈现出任何变化，这表明这些部位在高温状态下仍旧维持着较高稳定性。但让人担忧的是，这些部位存在大量且尺寸较大的孔洞，最大直径甚至达到了300μm，这意味着铸造质量可能存在一定问题，会对护套的力学性能产生不利影响。

3 运行条件分析

3.1 架空地线张力受风力的影响

对平断面定位图或者是施工现场的地理位置和气象信息进行分析可知，730号、732号塔各处部位的承重轴都有着明显磨损，这两座塔之间的档距远超出标准范围。而对于档距更大的塔杆，金具顺线路方向也呈现出严重磨损现象。详细情况表现为：726号、729号塔光缆挂环极易受到纵向不平衡张力带来的影响，导致其和光缆支架不断摩擦，并产生巨大的磨损问题。尤其是726号、729号塔的两侧档距比率高达2.83和7.33。有关金具磨损杆塔档距的详细信息，见表3。

表3 金具磨损杆塔档距明细（单位：m）

732号塔的小号侧与大号侧之间的侧档距分别达到了惊人的740m 和459m，小号侧原有的侧档距远远超出大号侧的1.61倍。在风力因素带来的影响下，小号侧的导线所承受的水平荷载与大号侧相比，其差异尤为显著，这极易致使地线悬垂线夹原本的顺线路方向会朝着小号侧方向呈现偏移运动状态。若是风力因素逐渐减弱，受到内地线张力产生的影响，悬垂线夹自身的顺线路方向必定会朝着大号侧完成运动，该种循环往复情况会持续在732号塔中发生，不会呈现出明显的振动幅度。所以，该种运动自然会增加732号塔地线悬垂线夹承重轴的磨损程度。只要这两种装置出现任何磨损情况，其截面也会从原来的圆形逐渐变成椭圆形，并和线夹挂板之间的摩擦接触从以往的“面对面”转换成“点对点”，进而发生应力较为集中的问题，导致承重轴磨损速度不断提升。

3.2 地形及气象因素影响

这座732号塔位于山谷中的特殊地形中，形似“凹”字。这里地势非常复杂，对风的速度和方向有较大影响，形成了独特的微气象环境。当强风来临时，地线的悬挂物会沿着线路方向运动。这种运动会导致悬挂物与船体的承重轴产生摩擦，长时间运行会导致承重轴的受力截面减小，最终可能导致承重轴断裂。

3.3 悬垂线夹荷载影响

该线路主要是利用GJ-100型地线，综合荷载为19.77N/m。悬垂线夹的破坏荷载高出40kN，因此能够获得最终的最大垂直档距为809m。将两者进行对比可知，732号塔的允许最大垂直档距有着较高应用率，但因为早已产生严重的磨损情况，所以应该做好有效的检测和维修，保障金具或者是杆塔都能够顺利运行。金具磨损杆塔垂直档距的统计数据见表4。

表4 金具磨损杆塔垂直档距统计

3.4 断裂过程及原因分析

732号塔地线悬垂线夹由于受多个因素影响，长期受微风振动、复杂地形及特殊气象条件影响，缺陷区域连续发生多场大风、暴雪天气，最大风力可达11级，对732塔悬垂线夹具的磨耗造成了更大的影响。长时间受风作用，线夹摆动频率不断上升，导致线夹承载轴长时间受到磨损，再加上局部瞬态强风的出现，可能会使金具力学性能发生突变。因为承载轴已经呈现巨大磨损情况和局部应力超出预期问题，自然会致使承载轴单面产生断裂。由此可知，地线悬垂线夹断裂的原因主要有以下几点。首先，可能是由于悬垂线夹的制造工艺和尺寸没有达到标准，导致其不够坚固；其次，在大档距比的条件下，电线可能会长期处于纵向不平衡张力状态，这也会影响悬垂线夹；再者，复杂地形下的微风振动也可能对悬垂线夹造成影响；最后，过大的垂直和水平荷载可能会导致悬垂线夹顺线路摆动，并逐渐磨损，最终导致断裂。

4 结语

导致500kV 输电线路地线悬垂线夹断裂是由于在检修过程中，未对地线表面的腐蚀进行处理，形成了感应电流回路。这个回路在电阻较大的螺栓锈蚀处产生高温，导致护套最终断裂，造成掉串。为了避免类似故障发生，需要在设计规划阶段时充分调研微地形、微气象区域，并采取避免出现大高差和垂直档距较小的情况以及控制杆塔两侧档距比不大于1.5等措施[4]。同时改进悬垂线夹工艺，增加耐腐蚀性和耐磨性等。通过这些措施可以提高输电线路的可靠性，减少故障的发生。