特高压输电线路金具断裂原因分析研究

特高压输电线路金具断裂原因分析研究

廖杰 赵鹏程

（新疆新能集团有限责任公司乌鲁木齐电力建设调试所 ，新疆 乌鲁木齐， 830000）

摘要：大风区内某段特高压输电线路复合绝缘子低压端均压环夹板发生断裂事故。采用断口宏观分析、X射线检测、拉伸试验、金相检验以及断口微观分析的方法，结合金具材质状况、运行环境等方面分析了该特高压输电线路复合绝缘子低压端均压环夹板断裂原因。结果表明：该均压环夹板在铸造过程中产生大量缩松、气孔等缺陷，铸造缺陷在服役环境中极易萌生裂纹，在风载荷作用下裂纹不断扩展，最终均压环夹板断裂。

关键词：大风区、输电线路、金具、铸造缺陷、断裂

0 引言

特高压直流输电工程是国家“西电东送”战略重点工程，也是世界上电压等级最高、输送容量最大、输电距离最远、技术水平最高的特高压输电工程。目前，国内金具制造厂家数量较多，加工制造水平参差不齐，由于金具质量问题引发的掉线事故时有发生。 大风是新疆地区典型的气象特征，也是线路故障的主要外力因素之一。输电线路系统受力复杂，对风的作用敏感，各个部件在长期风荷载作用下容易发生损伤，严重影响结构安全。

该特高压输电线路因某段线路防坠装置卡具松动、光缆断骨严重等问题进行转基建消缺。经过运维人员巡视，大风区某导线悬垂串1支复合绝缘子低压端均压环夹板断裂。本文通过对该输电线路复合绝缘子低压端均压环夹板断裂原因进行分析，以便今后工作中加强入网金属材料监督，严把材料制造关，从而保证电网经济、安全、稳定运行。

1 实验结果与分析

1.1 宏观检查

均压环夹板对均压环起固定支撑作用，连接形式如图1（a）所示，夹板材料采用ZL102铝合金，金属型铸件。图1（b）为夹板断裂后断口的宏观形貌，可观察到断口表面颜色呈灰黑色，无金属光泽，未见明显塑性变形，呈典型的脆性断裂特征，断口处存在明显的气孔。图1（c）为夹板表面形貌，表面上也存在少量较大的气孔，图1（d）可以看出，断裂的夹板存在一定的形变。

图1 夹板断裂宏观形态

1.2 X射线检测

为检测夹板内部质量情况，对断裂夹板进行X射线检测，检测结果如图所示，夹板内部存在疏松、气孔等铸造缺陷。如图2（b）1位置处，正是对应了图1（c）处的外表面气孔，而该缺陷几乎是穿透性的。

图2 断裂夹板射线检测结果

1.3 力学性能试验

按照《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》GB/T22.1-2010要求的试样尺寸，在断裂夹板上加工两个拉伸试样，室温下进行拉伸性能试验，抗拉强度结果如表3中所示。结果表明断裂夹板的抗拉强度符合《铸造铝合金》GB/T1173-2013中对ZL102的要求，但抗拉强度已接近标准值下限。

表3 断裂夹板拉伸试验结果 单位:MPa

1.4 金相检验

从断裂夹板上取样、制备、腐蚀后，在蔡司倒置式研究级台式显微镜下观察其金相组织，如图3所示。ZL102合金中的Si含量在11%～13%，位于共晶点附近，其组织主要由固溶体α相、初生Si相、共晶Si相组成。

铸造铝合金主要有两种铸造方式，一种为金属型，一种是砂型。本文中断裂夹板由金属型铸造而成，金属型铸造由于成型时冷却速度较慢，初晶、共晶体组织会长成粗大的针状、片状甚至块状，粗大的组织在工件服役过程中易发生应力集中，导致材料的力学性能较差。为提高工件的力学性能，需要对其进行变质处理，细化组织。

图3的显微组织中，灰色针状或片状相是共晶体中的Si，浅色块状相α固溶体（Al），还存在少量深灰色块状相，为初晶Si。从组织来看，断裂夹板经过变质处理，但存在组织偏析。

图3 断裂夹板金相组织

1.5 断口微观形貌分析

对夹板断口进行扫描电镜观察，如图4（a）所示，裂纹源位于夹板边缘上，裂纹源一经形成即快速扩展至断裂，裂纹源附近存在较多的气孔等铸造缺陷。如图4（b）（c）所示，断口出现不同的解理面，成河流花样；裂纹在断裂过程的后期主要是沿晶断裂，断面较为平整且断面处存在疏松、气孔等缺陷。图4（d）中可以看到大量的晶间裂纹，因为晶界处存在大量的Si相，造成脆性很大，在瞬间断裂时产生的

图4 夹板断口SEM形貌

2 失效原因分析

从断口宏观形貌及铸件X射线检测来分析，ZL102铸造过程中产生了疏松、气孔等铸造缺陷，断口微观形貌中也反映出该缺陷。较严重的铸造缺陷不仅易产生裂纹，而且减少了该部位的承载能力，图2（b）中的穿透性缺陷宽度几乎占据了孔边厚度的一半，其承载能力也相应减少了一半，这是该夹板发生断裂的主要原因。

疏松主要是熔液中的气体未除净形成的。合金中溶解的气体过多，在合金凝固过程中析出的气体被推向结晶前沿，由于初生Si相的结晶与共晶Si相凝固的时间不同，导致初生 Si相结晶后，少量的气孔残留在晶界上，在共晶反应之后留在了α固溶体与共晶 Si相的界面上。气孔的数量太多会极大地恶化合金的力学性能，气孔超过一定的临界点，会成为材料失效时的萌芽点，极大地降低材料的力学性能。

从断口的微观形貌看，裂纹起源于近表面的铸造缺陷处。由于此线路正处于大风区，当均压环在大风环境下左右晃动时，将造成夹板连接螺栓对孔的挤压，易在表面铸造缺陷处萌生裂纹，裂纹与铸件内部缺陷交汇，不断扩展最终导致断裂。

3 结论与建议

该夹板材料内部的铸造缺陷是其失效主要原因。加之线路处于大风环境，风载荷作用下易在夹板表面铸造缺陷处萌生裂纹，裂纹与内部缺陷交汇，不断扩展最终导致断裂。

建议：由于目前没有关于金具铸造缺陷定量评级相关标准，建议金具厂家产品出厂前增加一些检测手段，如射线检测；其次可以针对铸造缺陷产生的原因提出相应的防范措施，如疏松，可以通过控制好加热温、浇铸温度；铸件设计尽量对称，厚薄尽可能均匀。如气孔，浇注时熔液应缓慢平稳的注入，宜采用蛇形浇口和底注式浇注系统；精炼除气等。

随着电压等级的提高，金具所承受的运行载荷和外力载荷也越来越大，强度要求也越来越高，一般的铸件难以满足要求。可采用强度更高、成型质量更好的材料。尤其在大风环境中运行的一些金具，提高其抗外力破坏的能力。加强对电网金属材料的检测和评价，确保输变电设备及部件的材质性能、结构强度满足规范要求，提高输变电设备运行的可靠性，延长设备的使用寿命。

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