蔡瀛淼，周 愷，張睿哲，李春生，楊 亮，李鴻達(dá)

（國網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院，北京 100075）

0 引言

球頭掛環(huán)作為線路桿塔與絕緣子的連接金具，其可靠性對輸電線路有重要意義［1］。對近年來金具失效事故的統(tǒng)計分析表明，球頭掛環(huán)斷裂導(dǎo)致金具失效的故障幾率遠(yuǎn)大于其他連接金具［2-4］，尤其是微地形等氣象情況復(fù)雜的區(qū)域，球頭掛環(huán)斷裂事故頻發(fā)，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來嚴(yán)重威脅［5-7］。

球頭掛環(huán)斷裂的原因涉及材料品質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、鍛造工藝、安裝質(zhì)量、風(fēng)荷載作用等多個方面［8-9］。本文針對一起微地形區(qū)域輸電線路球頭掛環(huán)斷裂事故，從力學(xué)性能、顯微組織、斷口形貌、荷載受力等多角度進(jìn)行斷裂原因分析與研究，并提出有針對性的治理及預(yù)防措施。

1 故障概述

2019年11月，某220 kV線路故障跳閘，重合不成功。故障原因為該線路57號桿塔C相掛點(diǎn)處球頭掛環(huán)金具斷裂，造成56號和57號桿塔C相四分裂導(dǎo)線中一條子導(dǎo)線斷線，如圖1所示，其他3條子導(dǎo)線嚴(yán)重受損。

圖1 56號和57號桿塔C相四分裂導(dǎo)線中一條子導(dǎo)線斷線

2 球頭掛環(huán)斷裂分析

2.1 外觀檢查

2.1.1 絕緣子球頭掛環(huán)情況

57號桿塔絕緣子球頭掛環(huán)型號為QP-21S，故障相C相金具自根部斷裂，根部遺失。非故障相未見明顯異常，如圖2所示。

圖2 57號桿塔故障相與非故障相絕緣子球頭掛環(huán)

2.1.2 絕緣子情況

檢查發(fā)現(xiàn)，57號桿塔C相絕緣子高壓側(cè)端部斷裂遺失，絕緣子傘群多處外力損傷，無明顯放電痕跡，應(yīng)為球頭掛環(huán)斷裂后絕緣子下墜過程中受到撞擊造成斷裂，非故障相絕緣子無明顯異常，如圖3所示。

圖3 故障線路57號桿塔C相絕緣子高壓側(cè)端部斷裂

2.1.3 絕緣子碗頭內(nèi)表面情況

對比分析故障相絕緣子與非故障相絕緣子碗頭內(nèi)表面情況，故障相絕緣子內(nèi)表面磨損比非故障相嚴(yán)重，如圖4所示。

2.2 金具質(zhì)量分析

2.2.1 力學(xué)性能分析

選取失效球頭掛環(huán)和正常球頭掛環(huán)桿部的圓棒狀拉伸試樣，其平行段直徑為5mm，長度為60 mm，標(biāo)距為25 mm。

圖4 絕緣子碗頭內(nèi)表面對比

失效球頭掛環(huán)和正常球頭掛環(huán)的室溫拉伸性能如表1所示。球頭掛環(huán)拉桿部應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5所示。根據(jù)失效掛環(huán)的抗拉強(qiáng)度，計算球頭掛環(huán)的最大拉斷力Fmax：

式中：σm為掛環(huán)的抗拉強(qiáng)度；S為掛環(huán)的截面積。

計算可得Fmax=271 kN，達(dá)到了標(biāo)稱破壞荷載210 kN，可見材料強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

表1 球頭掛環(huán)室溫拉伸性能

圖5 球頭掛環(huán)桿部應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.2.2 顯微組織分析

對失效與正常球頭掛環(huán)桿部橫截面和縱截面的光學(xué)顯微組織形貌進(jìn)行分析，橫截面均為回火索氏體和鐵素體，正常掛環(huán)的鐵素體量更多；縱截面均可見明顯帶狀組織；邊部均可見明顯完全脫碳，深度分別約為80 μm和100 μm，未見裂紋，如圖6所示。鍍鋅層厚度平均值為76 μm，滿足DLT 768.7—2012《電力金具制造質(zhì)量 鋼鐵件熱鍍鋅層》對鋼件鍍鋅層70 μm的要求。

圖6 球頭掛環(huán)桿部縱截面光學(xué)組織形貌

綜上，球頭掛環(huán)拉伸強(qiáng)度、材質(zhì)、鍍鋅層厚度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，未發(fā)現(xiàn)球頭掛環(huán)質(zhì)量問題。

2.3 斷口形貌分析

故障相球頭掛環(huán)斷口處可見雙側(cè)對稱月牙形斷口紋理，與球頭掛環(huán)典型疲勞斷口特征相符，如圖7所示，推測球頭掛環(huán)受雙向彎曲荷載導(dǎo)致疲勞斷裂。

圖7 故障線路斷裂球頭掛環(huán)斷口與典型疲勞斷口對比

2.4 地形與氣象參數(shù)分析

2.4.1 地形情況

故障區(qū)段56號—58號桿塔位于山脊迎風(fēng)坡，海拔均在740 m以上，故障桿塔兩側(cè)檔距分別為473 m和651 m，屬大檔距。故障桿塔區(qū)段在冬季是覆冰故障高發(fā)區(qū)段，近年來這一區(qū)段曾多次發(fā)生覆冰故障。

架設(shè)于野外、山林、郊區(qū)等區(qū)域的桿塔，桿塔高、檔距大，輸電線路更容易受到風(fēng)、雨、雪、雷電等氣象因素的影響。由于微地形地貌對氣候的影響，局部氣象參數(shù)會有較大的差異，輸電線路受局部極端天氣的影響，時常發(fā)生風(fēng)害、冰害跳閘事故［10-11］。該線路故障區(qū)段正是處于這種微地形區(qū)域，具有明顯的微地形氣候特征。

2.4.2 氣象參數(shù)分析

根據(jù)氣象數(shù)據(jù)，處于微地形區(qū)域的故障線路常年受局部極端天氣影響。該線路故障前一日氣象部門發(fā)布大風(fēng)藍(lán)色預(yù)警，故障當(dāng)日凌晨遭受強(qiáng)風(fēng)。故障時刻故障點(diǎn)附近自動氣象站點(diǎn)氣象參數(shù)如表2所示。

表2 故障時刻故障點(diǎn)附近自動氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)

由氣象參數(shù)可以看出，盡管故障時刻故障點(diǎn)附近的10 min平均風(fēng)速并不大，但極大風(fēng)速超過30 m／s。金具能否承受極端天氣下風(fēng)荷載的作用，需進(jìn)一步進(jìn)行金具受力分析。

2.5 金具受力分析

2.5.1 垂直荷載計算

垂直荷載計算公式如下：

式中：F0為球頭掛環(huán)受力；M導(dǎo)為導(dǎo)線質(zhì)量，該導(dǎo)線單位長度質(zhì)量為1.349 kg／m，垂直檔距為656 m；M串為絕緣子串質(zhì)量，該型號絕緣子質(zhì)量為15 kg；g為重力加速度。計算得出F0=34 813.31 N。

2.5.2 水平風(fēng)荷載計算

垂直于導(dǎo)線方向的水平風(fēng)荷載：

式中：Wx為垂直于導(dǎo)線方向的水平風(fēng)荷載；α為風(fēng)壓不均勻系數(shù)，取0.85；W0為基準(zhǔn)風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值，W0=V2／1 600，V為基準(zhǔn)高度為10 m的風(fēng)速；uz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取 1.77；usc為導(dǎo)線體型系數(shù)，取 1.1；βc為風(fēng)荷載調(diào)整系數(shù)，取1；d為導(dǎo)線外徑，該導(dǎo)線 d為0.107 28 m；Lp為桿塔的水平檔距，該線路水平檔距為562 m；B為覆冰時風(fēng)荷載增大系數(shù)，取1；θ為風(fēng)向與導(dǎo)線之間的夾角，取90°。

1）基本設(shè)計風(fēng)速下水平風(fēng)荷載計算。當(dāng)?shù)鼗驹O(shè)計風(fēng)速V為23.5 m／s，根據(jù)式（3）計算得到水平風(fēng)荷載Wx1為60 706.76 N。

2）故障時刻實際風(fēng)速下水平風(fēng)荷載計算。故障時刻極大風(fēng)速V為37.6 m／s，根據(jù)式（3）計算得到水平風(fēng)荷載Wx2為88 164.89 N。

2.5.3 球頭掛環(huán)受力計算

1）無風(fēng)情況球頭掛環(huán)受力F為：

2）基本設(shè)計風(fēng)速下的球頭掛環(huán)受力F1為：

3）故障時刻球頭掛環(huán)受力F2為：

2.5.4 球頭掛環(huán)安全系數(shù)校核

球頭掛環(huán)安全系數(shù)：

式中：K為球頭掛環(huán)安全系數(shù)；F額為球頭掛環(huán)額定荷載，該型號球頭掛環(huán)額定荷載為21 kN；F為球頭掛環(huán)受力。

GB 50545—2010《110 kV～750 kV 架空輸電設(shè)計規(guī)范》規(guī)定K≥2.5。

1）按無風(fēng)情況校核。由式（7）計算得出 K為6.032，可見安全系數(shù)滿足要求。

2）按照基本設(shè)計風(fēng)速情況校核。由式（7）計算得出K為4.289，可見安全系數(shù)滿足要求。

3）按照故障時刻實際情況校核。由式（7）計算得出K為2.382，可見安全系數(shù)不滿足要求。

2.6 球頭掛環(huán)斷裂原因及處理

針對微地形區(qū)域球頭掛環(huán)斷裂事故，進(jìn)行了外觀檢查、力學(xué)性能試驗、顯微組織分析，排除了金具質(zhì)量問題。從斷口形貌、地形與氣象參數(shù)分析、金具受力校核，明確了球頭掛環(huán)斷裂原因為：故障桿塔處于迎風(fēng)坡山脊處的微地形區(qū)域，頻繁遭受強(qiáng)風(fēng)天氣，極端天氣時風(fēng)荷載作用造成球頭掛環(huán)安全系數(shù)不滿足要求，惡劣運(yùn)行工況使得球頭掛環(huán)存在疲勞損傷積累，在故障當(dāng)日強(qiáng)風(fēng)作用下發(fā)生斷裂。

針對故障區(qū)段，將絕緣子由單掛點(diǎn)單串改為雙掛點(diǎn)雙串，并加強(qiáng)對微地形區(qū)域輸電線路的重點(diǎn)巡視，加大檢測力度。

3 預(yù)防措施

1）設(shè)計階段。高度重視氣象信息的收集和運(yùn)行經(jīng)驗的積累，微地形區(qū)域宜采用加強(qiáng)型金具，并按照極端天氣情況對金具受力進(jìn)行校核，提高金具設(shè)計安全系數(shù)，增強(qiáng)抗風(fēng)能力，延長金具使用壽命。

2）設(shè)備驗收階段。開展新建桿塔金具安裝前的無損檢測等入網(wǎng)檢測工作，從材料品質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、力學(xué)性能等方面對金具進(jìn)行抽檢，避免次品入網(wǎng)。

3）運(yùn)行階段。由于球頭掛環(huán)斷裂處于絕緣子碗頭內(nèi)，長期運(yùn)行存在疲勞損傷積累，在線路巡視和登塔檢查時均難以發(fā)現(xiàn)，因此應(yīng)縮短微地形區(qū)域球頭掛環(huán)的抽樣檢查周期，并合理確定更換周期。

4 結(jié)語

本文針對一起微地形區(qū)域輸電線路球頭掛環(huán)斷裂故障，通過力學(xué)性能試驗、顯微組織、斷口形貌特征、地形和氣象參數(shù)分析，以及不同工況下球頭掛環(huán)受力的校核，得出球頭掛環(huán)斷裂失效原因為：極端天氣下風(fēng)荷載作用使球頭掛環(huán)安全系數(shù)不滿足要求，微地形區(qū)域球頭掛環(huán)存在疲勞損傷積累，最終在強(qiáng)風(fēng)作用下斷裂。在此基礎(chǔ)上，對微地形區(qū)域球頭掛環(huán)斷裂提出了預(yù)防措施。