某供电局巡视人员在巡检过程中，发现某输电铁塔L2相横担侧与第一片绝缘子连接的球头挂环断裂，导致绝缘子串掉串，搭落至铁塔曲臂塔材上，造成故障跳闸。现场未发现导线存在明显机械损伤。该铁塔型号为ZM1-23.7型，呼高23.7 m，导线型号LGJ-400/35，地线一根为OPGW复合光缆，另一根型号GJ-50，绝缘子型号为XWP-7型防污绝缘子，采用三角形式排列，故障发生时当地天气为雷雨天气。

从现场勘察情况来看，该输电铁塔L2相横担侧与第一片绝缘子连接的球头挂环沿挂环与杆部结合处断裂，绝缘子伞裙已完全破碎，球头挂环无法绕U形挂板下端螺栓孔摆动。同时，球头挂环杆部与绝缘子球窝接触部分存在明显机械磨损痕迹，应为球头挂环随导线舞动或振动时与球窝相互摩擦所致^[1-3]。球头挂环断口上裂纹源、扩展区及瞬断区等特征区域清晰可辨，扩展区断口较平坦、无塑性变形，存在多条疲劳扩展弧线；中间部分为瞬断区，断面粗糙，表面存在黄褐色腐蚀产物，整个断口呈典型的双向弯曲疲劳特征，未见明显机械损伤及塑性变形，如图 1所示。

图 1(Figure 1)

图 1 断裂的铁塔横担绝缘子球头挂环宏观形貌 Figure 1 The macro morphology of fractured ball head hanging ring of cross arm insulator

对断裂的铁塔横担绝缘子球头挂环取样进行金相显微组织分析。可以看出，球头挂环的组织为块状珠光体+沿晶分布的网状铁素体，局部伴有魏氏组织，且晶粒粗大，组织未见明显畸变变形。此外，球头挂环表面采用热浸镀锌防腐工艺处理，其镀锌层厚度约为80 μm，符合电力金具的防腐要求（如图 2所示）。

图 2(Figure 2)

图 2 断裂的铁塔横担绝缘子球头挂环金相组织 Figure 2 Metallographic structure of fractured ball head hanging ring of cross arm insulator

从断裂的铁塔横担绝缘子球头挂环取样进行化学成分检测，检测结果见表 1。结果表明，球头挂环化学成分中各元素含量满足GB/T 699—2015《优质碳素结构钢》对45号钢的化学成分要求。

表 1(Table 1)

表 1 断裂的球头挂环各化学成分质量分数检测结果 Table 1 Test results of mass fractions of chemical components of fractured ball head hanging ring

表 1 断裂的球头挂环各化学成分质量分数检测结果 Table 1 Test results of mass fractions of chemical components of fractured ball head hanging ring

利用扫描电子显微镜（SEM）对铁塔横担绝缘子球头挂环的断口进行检测，结果如图 3所示。从图 3可以看出，断口扩展区具有典型的疲劳条纹形貌，呈现疲劳断裂特征；断口瞬断区大部分区域呈现脆性断口特征，断口内可以观察到明显的河流花样，具有典型的解理断裂特征；瞬断区少量区域存在韧窝，具有韧性断裂的特征。断面内部分凸出的区域因碰撞或摩擦形成泥块状的压痕，符合机械磨损的特征。

图 3(Figure 3)

图 3 铁塔横担绝缘子球头挂环断口SEM形貌 Figure 3 The SEM morphology of fracture surface of ball head hanging ring of cross arm insulator

铁塔横担绝缘子球头挂环的球头与杆部的结合处属于变截面区域，极易形成应力集中。通过实际测量各部位尺寸，并经过适当简化，利用三维造型软件构建球头挂环几何模型，如图 4所示。为准确模拟分析球头挂环在锁死情况下的受力状态，在分析模型中对球头挂环的挂环部位施加固定约束，对球头部分施加弯曲载荷和轴向拉伸载荷，模型采用网格四面体单元（如图 5所示）^[3]。图 6为铁塔横担绝缘子球头挂环的应力分布云图。从图 6可以看出，在U形挂板与球头挂环连接螺栓预紧力过高的情况下，因球头挂环无法自由摆动，其最大应力出现在挂环与杆部的结合部位，与球头挂环实际断裂位置一致，在外力作用下此处极易形成应力集中，造成开裂^[4-5]。

图 4(Figure 4)

图 4 铁塔横担绝缘子球头挂环几何模型 Figure 4 The geometrical model for the ball head hanging ring of cross arm insulator

图 5(Figure 5)

图 5 铁塔横担绝缘子球头挂环有限元模型 Figure 5 The finite element model for the ball head hanging ring of cross arm insulator

图 6(Figure 6)

图 6 铁塔横担绝缘子球头挂环的应力分布云图 Figure 6 The stress distribution cloud chart for the ball head hanging ring of cross arm insulator

受限于球头挂环的尺寸，只能对其进行硬度测试。经测试，球头挂环布氏硬度为185。GB/T 699—2015《优质碳素结构钢》中对退火供货状态的45号钢的布氏硬度要求为≤197，说明球头挂环硬度满足使用要求。

断裂的铁塔横担绝缘子球头挂环化学成分及布氏硬度均符合标准要求，因此排除了因材质错用导致球头挂环断裂的可能性。从金相组织分析结果可知，球头挂环金相组织为块状珠光体+沿晶分布的网状铁素体+少量的粗大的魏氏组织，网状铁素体应是在加工过程中冷却速度过慢形成的^[6-10]。网状组织的存在严重割裂了珠光体之间的联系，在一定程度上会降低材料的强度和韧性；而魏氏组织主要是因为锻造过程中终锻温度过高导致晶粒异常长大而形成的，会降低球头挂环承受交变动载荷的能力，因此球头挂环金相组织中的网状铁素体和魏氏组织加剧了球头挂环疲劳开裂损伤及断裂的进程^[11-14]。

由宏观形貌、金相组织、断口SEM形貌及有限元分析结果可知，横担绝缘子串基建时现场安装不规范，造成U形挂板与球头挂环连接螺栓预紧力过高，在承受风载荷及导线自重时，绝缘子串无法绕U形挂板下端螺栓孔自由摆动，造成球头挂环的挂环侧与球头侧的自由度不匹配。此外，铁塔横担侧与第一片绝缘子连接的球头挂环与杆部结合处应力集中效应明显，在外力的作用下极易沿此处开裂形成裂纹源。在微风作用下，球头挂环将随导线一起微振并承受较大的交变弯曲应力，造成两侧的裂纹源以双向弯曲疲劳的方式不断扩展，直至整个球头挂环杆部完全断裂^[15-20]。

经分析，220 kV输电铁塔L2相横担绝缘子球头挂环断裂的主要原因为：U形挂板与球头挂环连接螺栓预紧力过高而将球头挂环卡死，使其无法绕U形挂板下端螺栓孔自由摆动；此外，因加工工艺控制不当，球头挂环组织中形成大量的网状铁素体，导致其抗疲劳性能和韧性大幅度下降。这样在遇到导线风偏摆动时，球头挂环杆部将承受较大的交变弯曲应力和拉应力，沿着应力集中效应明显的球头与杆部结合处开裂形成裂纹源，并以疲劳的方式不断扩展，直至整个球头挂环断裂失效。

对此提出以下建议：首先，应加强对在役输电铁塔球头挂环的检查力度，发现无法自由摆动或磨损严重的球头挂环应及时处理；其次，对该批次的球头挂环进行彻底更换，同时新更换的球头挂环在安装时，应保证球头挂环可绕U形挂板下端螺栓孔自由摆动，避免预紧力过大造成球头挂环的锁死，使得球头挂环与U形挂板刚度过大造成球头挂环杆部的疲劳断裂；再次，提高设计标准和安全系数，使用加强型金具和更高强度等级的材质，或采用双串结构型式；最后，在投运前应开展球头挂环的理化性能检测，避免质量不合格的球头挂环用于输电铁塔上，避免电网事故的发生。