750千伏管母金具开裂原因分析

750千伏管母金具开裂原因分析

张烽王宗江陈东娃

（国网新疆电力有限公司电力科学研究院新疆乌鲁木齐830011）

摘要：通过对一例750千伏变电管母金具失效分析，发现在金具上垂直于管母轴线平面内产生的扭转力是断裂失效的重要原因，这部分扭转力远大于常规设计载荷，却在工程设计和金具标准中都未曾考虑。据此，从外部受力和金具结构强度上提出一系列整改防范技术措施，并进一步提出了完善标准质量、规范工程管理等相关要求。

关键词：变电金具；断裂；原因分析；措施；标准

概述：

某750kV变电站在投运不到一年后，运维人员发现75201隔离开关I母侧管型母线滑动型固定金具断裂，通过对断裂金具的受力分析，寻找失效原因，以便采取针对性措施，进行有效的整改和防范，并进一步总结规律，有助今后工程设计更加完善。

1现场情况及分析

1.1现场情况

该站所处环境多沙尘和大风天气，设计风速30m/s，断裂金具型号为MGG1-200/φ254（8-φ18），材料ZL102，其将一端管母与支柱绝缘子滑动连接，另一端管母通过型号MGSP-200-143*143设备线夹与隔离开关伸缩连接，管母中间通过四根引下线和上层母线连接，如图1a，图1b所示断裂位置为固定金具滑槽两端结合面。

管型母线直径φ200，长度约5米，四分裂引下线连接设备的高差26米，引下线单根直径φ50，该引下线夹刚性部分长度（到线夹中心）大于700mm。

1.2断口宏观检查

观察图1b上、下部断口，此上半部件断片一侧面和上底面受到明显挤压。侧面挤痕较轻，而上表面有明显的5处挤痕，最深处大于0.2mm，两明显压痕最大距离45mm，说明管母在风压和温差的作用下沿轴向发生了窜动；且上半部分断片压痕在左上面，对应下半部分压痕在右下，上下压痕不在同一侧。断口粗糙、平整，无明显变形，有多处小于0.5mm气孔、缩孔，上表面存在粗糙不平现象。

1.3受力分析

首先考虑引下线对管母的作用。引下线传递到线夹刚性端的水平力f0=w+p，其中w为引下线风力在管母线夹上产生的水平拉力，其值与风压和引下线迎风面积成正比；p为引下线弯曲自重在管母线夹上产生的水平拉力，其值与引下线冗余长度（实际长度减去26米）和引下线横截面积成正比。由于f0实际作用在引下线夹的刚性端，距离管母轴线至少有700mm，因此其对管母除了产生水平推力f0外，还额外产生扭转力矩F0≥f0*700。

其次考虑管母两端金具受到的作用。简化分析，假设管母与支柱绝缘子和隔离开关连接的两端受力形式相同且大小相等，则如图2b所示，断裂金具处管母传递的作用力有水平力f1=（f0+m）/2，m为管母受到的水平风压力；扭力距F1=f2*40=F0/2，f2为扭力矩作用在金具滑槽上端面的作用力，40mm为金具销轴的有效长度，也等于滑槽的宽度。

分析断裂金具受作用力f1、f2的大小和影响因素。金具受到的水平力f1=（f0+m）/2=（w+p+m）/2，在金具横截面上产生水平剪切作用，其大小与风压、引下线迎风面积、管母迎风面积、引下线冗余长度等成正比，由管母与引下线尺寸可知，风压相同情况下（实际上层风力较地面要大），w≥5m，即引下线f1≈f0/2；金具受到的上拔力f2=F0/（2*40）≥f0*700/（2*40）=f0*17.5/2，其大小与风压、引下线迎风。

面积、引下线冗余长度等成正比。可见扭力矩产生的上拔力f2≥17.5*f1（水平力），断口宏观形貌可见上端面压痕小而深，侧面轻浅也是金具受到上述力作用的结果。

2原因分析和措施

2.1原因分析

由于管母另一端在水平面内固定，查询资料可知，该金具受力随支柱绝缘子设计时，仅满足水平方向受力≤12.5kN，即1吨多的载荷设计即可。虽然实际设计也能满足GBT2314-2008《电力金具通用技术条件》和DLT697-2013《硬母线金具》里“母线固定金具承受的机械载荷与所安装的高压支柱绝缘子要求相匹配”，但由于未考虑引下线自重和风力作用的水平力在刚性结构上产生扭转力的传递和放大效应（其对管母金具的影响相当于很大的“内力”，但对支柱绝缘子几乎没有影响），所以对固定金具在垂直管母轴线平面内的抗扭转力没有任何要求，只是按标准要求对金具的型式试验满足机械载荷达到破坏载荷的1.2倍不破坏即可。按此设计的金具，即使实际制造时提高了3-5倍安全系数（当然，由于砂型铸造引起内部疏松气孔和表面质量欠佳缺陷，也会降低了金具的安全系数），依然抵抗不了增大一个数量级的扭转力以及再成倍的应力集中效应。所以，不根据实际情况认真分析真实受力状况或严格模拟试验，只是单纯提高金具安全系数的办法不能真正解决问题。同时标准的质量还需要进一步完善，应明确相关要求，至少给按实际情况设计或供需双方协商留有余地。

新疆区域内不同750kV变电站，类似上述连接型式的管母与隔离开关连接的设备线夹（图4a），又发生过多次断裂（在红色单滑槽环处），技术上原因均是扭力矩作用上升成为失效的主导因素。DL/T346-2010《设备线夹》里只明确“设备线夹的机械性能为握力不低于被安装导线计算拉断力的10%”，虽留有开口“如需承受其它载荷，由供需双方商定”，但在上述事故分析中，与设计、制造、安装等各方沟通，了解到变电金具由于数量少、种类多，多采用乙供方式自采，在面对运行使用条件变化较大时，各方要求不能明确（主要是设计方未充分考虑和明确引下线四分裂结构型式、高落差垂直引下线及冗余长度和环境对各类金具结构型式和强度的影响），对这些器材部件的质量和技术监督弱化；而各方沟通联系不畅也是造成上述变电金具出现问题的管理上因素。

2.2整改和防范措施

新疆区750kV变电金具类似问题发生多次。在认真分析，找到扭力矩是失效主要原因后，就从降低外部扭力矩和提高金具本身强度两方面采取了如下一项或多项技术措施进行整改和防范，收到良好效果。

a.在大风区，适当降低垂直引下线落差或将四分裂改两分裂，减少受风面积，降低引下线水平风力；

b.按实际情况严格校核计算，对工程所采用各类金具结构型式和强度提出明确要求，并将要求贯彻到招标采购和生产制造；

c.安装时严格执行工艺，按设计要求保留引下线冗余长度，降低其重力在水平方向对管母的拉力；

d.调整改变引下线夹的结构型式，减少线夹的刚性尺寸来降低上述水平力产生的扭力矩；

e.改进金具的结构型式，如图5，b是a的改进型，加厚、加宽了承受扭力矩作用的滑槽，如滑槽宽度从40mm增加一倍到80mm，金具承受的扭力f2就会降低一半；图6是基于同样原理将隔刀侧设备线夹单挂耳改成双挂耳，提高金具抗扭转水平；

f.改进金具的制造工艺，由砂型铸造改为金属模铸造，使金具的表面质量和内部致密度得到提高。

吸取经验总结规律，需要对GBT2314-2008《电力金具通用技术条件》、DLT697-2013《硬母线金具》和DL/T346-2010《设备线夹》等进行修改完善，如可将GBT2314里4.4.1条和DLT697里5.1.4“母线固定金具承受的机械载荷（强度）与所安装的高压支柱绝缘子要求相匹配”修改为“母线固定金具承受的机械载荷（强度）除与所安装的高压支柱绝缘子要求相匹配外，还要满足环境、结构型式等带来的特殊载荷要求”。通过标准的改进，关注到电力金具载荷的多样性和变化，有利于金具设计时具体问题具体分析。

3.结束语

随电压等级提高，导线、金具结构型式和使用环境（大风、大温差等）变化，各种金具的受力变得复杂多样，要进一步深化设计阶段的技术分析和试验研究，重视运行使用阶段的失效分析和经验总结，不断完善相关标准，规范全过程技术监督和明确相关管理要求，才能持续提高电网设备的安全和质量水平。