0 引言

高压架空输电线路在远距离输电中发挥着极为重要的作用, 作为一种典型的风振敏感结构, 架空输电线路杆塔高、跨度大, 所处环境复杂多变, 极易受极端强风雨灾害天气的影响^[1-5]。因此, 对架空地线的可靠性要求很高, 如果地线的质量不良, 其引起的线路故障将给电力系统的安全稳定运行带来极大的危害。

蒙西电网某500 kV输电线路的架空地线在运行过程中频繁发生钢绞线的断股损伤。该输电线路001-210号塔段挂网的架空地线为某电力线材厂生产的GJ-80型镀锌钢线, 断面结构为1×19型, 钢线整束外径为11.5 mm, 单股标称直径为2.3 mm, 钢线材质为65号钢, 线路于2005年8月投入运行。自2011年4月开始, 该线路的架空地线已累计发生10余次断股损伤, 给线路的安全运行带来了极大的威胁。

本文对该500 kV输电线路架空地线断股原因进行分析, 并提出针对性建议, 以防止同类断股损伤事件的再次发生, 提高输电线路运行的安全性和可靠性。

1 架空地线断股试验分析 1.1 宏观形貌分析

从现场情况看, 地线断股部位均位于各塔间档距的中部且距离线夹较远, 不存在与线夹或金具相接触或摩擦的情况, 断股全部为钢绞线最外圈镀锌钢线, 且发生散股。

地线的断口主要表征为无塑性变形的脆性断口, 断口齐平, 钢线无塑性拉长变形和颈缩, 断口表面呈暗灰色, 较为干净, 表面未见电流灼伤和高温熔断痕迹, 钢线表面及断口表面未见严重氧化及腐蚀损伤等现象, 如图 1所示。

1.2 断口SEM检测

扫描电子显微镜(SEM)检测结果显示, 地线断口表面未见明显疲劳辉纹, 断口附近钢线表面也未见周向开裂裂纹, 可见其不属于微动振动导致的疲劳断裂。但在脆性断口边缘发现沿钢线母线方向的轴向裂纹, 且钢线表面也存在尖锐凹坑缺陷, 该轴向裂纹为钢线断裂的初始断裂源, 如图 2所示。

1.3 几何尺寸测量

利用千分尺对断股的架空地线取样进行截面尺寸测量, 测量时在镀锌均匀的区域同一截面且互成90°的方向上测量2次, 取2次测量的平均值作为该截面镀锌钢线的直径。抽取3根镀锌钢线, 每根钢线测取5个截面的直径, 测量结果见表 1。表 1数据显示, 镀锌钢线的单丝直径偏差符合GB/T 3428-2012标准要求, 即标称直径d在2.25~2.75 mm时, 直径偏差不大于±0.04 mm^[6]。

1.4 显微组织分析

在断裂地线近断口处取样进行显微组织检测。从横截面观察钢线的组织, 为等轴状分布的细小索氏体+网带状铁素体; 从纵向截面观察, 为拉拔状的细长条状索氏体+条状铁素体, 未见淬火组织存在, 但组织中铁素体成分较多。

此外, 还发现其横截面及纵截面组织中均存在严重的夹杂物缺陷(如图 3所示), 这些夹杂物在拉拔加工过程中被拉长, 形成细长的线形或面形缺陷, 将钢线的整体性破坏, 严重影响了钢线的组织完整和机械性能, 不符合钢线截面不允许有缩孔、分层和夹杂缺陷的要求^[6]。

在对钢线镀锌层及表层组织的观察中发现, 钢线表面大部分区域均覆有厚度为30~50 μm的镀锌层, 但镀锌层极不均匀, 局部存在厚约160 μm的锌瘤, 而有的部位则无镀锌层, 说明镀锌工艺存在问题, 不符合镀锌钢线表面镀层应均匀、连续、平滑, 不应有裂纹和漏镀等影响使用的表面缺陷的要求^[6]。

同时, 在钢线表层组织中整圈均存在深度为30~50 μm的全脱碳层缺陷; 且表层整圈均分布有深浅不一、最深约为16 μm的线性开口及耳子缺陷。可以看出, 这些开口缺陷覆盖在镀锌层下面, 形成于钢线镀锌前, 不符合镀锌前钢线应光洁, 不存在裂纹、折叠、耳子结疤、分层及夹杂缺陷的要求^[6]。断裂镀锌钢线的表层组织状态如图 4所示。

1.5 机械性能分析

对架空地线镀锌钢线取样进行单丝拉力和韧性等力学性能测试, 各项测试结果见表 2。可以看出, 钢线的抗拉强度为1108 MPa, 远低于标准GB/T 3428-2012规定的最低强度等级, 即镀锌钢线的1级抗拉强度≥1310 MPa的要求^[6]。此外, 在直径为d的芯轴上进行卷绕测试时, 在钢线的表面形成了肉眼可见的明显周向开裂缺陷(如图 5所示), 与标准中无肉眼可见裂纹的要求不符, 说明钢线的韧性也不合格^[6]。

1.6 镀锌层质量

对地线钢线进行镀锌层附着性测试, 从钢线上镀锌均匀的区域截取试样, 以不超过15 r/min的速度在直径为4d的芯轴上紧密卷绕8圈, 观察表面镀锌层的状态, 如图 6所示。可以看出, 钢线表层的镀锌层并未牢固地附着在钢线上, 而是发生了严重龟裂状开裂, 且用手指摩擦锌层会发生严重的起皮脱落现象。

2 原因分析 2.1 热轧工艺不当

架空地线用钢绞线的材料为优质碳素钢热轧盘条, 以氧气转炉或电炉冶炼, 其供货状态为热轧态, 是在连续热轧控冷工艺条件下形成的索氏体或珠光体组织的高碳钢盘条, 又称为斯太尔摩盘条, 如果轧制工艺控制恰当, 能够达到较高强度和韧性。

从断股钢线的显微结构来看, 其微观组织为细小索氏体+网带状铁素体, 且铁素体成分较多, 这些铁素体是在热轧生产过程中, 两相区冷速过慢形成的, 且在随后的轧制过程中被拉伸, 形成网带状, 该组织的存在会在承受载荷时引发材料内部的受力不均, 从而降低钢线材料的强度和韧性。

2.2 表层脱碳层不均匀

镀锌钢线表层存在不均匀的、深度为30~50 μm的全脱碳层, 已超过GB/T 4354-2008对于65号钢表层总脱碳层深度≤2%d的要求^[7]。线材在加热、轧制和随后的空冷加工过程中均易产生脱碳现象, 严重时会影响产品的质量, 降低钢线的强度和抗疲劳性能^[8-9]。同时, 镀锌钢线表层还存在深约16 μm的线性开口和尖锐凹坑等缺陷, 与标准[7]中钢线表面应光滑, 不应有裂纹缺陷的要求不符。这些裂纹及尖锐凹坑缺陷的存在, 也说明钢线的加工工艺或模具存在问题, 加工过程中在钢线表面形成了较多的不连续性缺陷, 极有可能在钢线承受载荷时成为断裂的开裂源。

2.3 材料中存在夹杂物

无论是镀锌钢线的横截面还是纵截面, 都存在严重的夹杂物缺陷。经能谱检测, 夹杂物主要为硅酸盐类和氧化铝类, 这两类夹杂物会破坏镀锌钢线基体的连续性, 并导致应力集中, 使钢线的横向力学性能恶化, 钢线的加工性能变差, 在轧制过程中形成线形或面形缺陷, 从而降低钢线的塑性、韧性和抗疲劳性能^[10]。

2.4 气候影响

蒙西电网地处祖国北部边疆, 季节性低温和强风频发, 在寒冷大风的冬春季节线路会受到较大的风载^[11-13]、导线覆冰^[14-19]及低温的影响, 导致钢线脆性增大, 在地线镀锌钢绞线的组织缺陷严重和机械性能不足的情况下, 钢线表面的一些裂纹等不连续缺陷部位会发生断裂。

3 结论及建议

通过试验及分析, 判断该500 kV输电线路架空地线在运行过程中频繁发生断股损伤的主要原因为镀锌钢线材料中存在超标脱碳层、非金属夹杂物以及网带状铁素体等冶金及热加工缺陷, 使得钢线的强度和韧性均不能满足使用要求, 且钢线表面还存在裂纹及尖锐凹坑等制造缺陷, 说明该批次架空地线存在严重的质量问题。在冬春季的低温及强风载荷的作用下沿钢线表面裂纹及尖锐凹坑等应力集中部位开裂, 并引发钢线的脆性断裂失效。

鉴于该线路地线的严重质量问题且已多次发生断股损伤, 给线路的安全稳定运行带来极大威胁, 建议对该批次架空地线进行彻底更换。此外, 应严把导线使用材料关, 新更换的架空地线使用前应按照标准要求进行各项检测, 以保证其组织状态、机械性能及表面质量等均符合要求, 避免质量不合格的地线材料混入电网, 对电网安全稳定运行造成不良影响。