500 kV变电站出口耐张金具过热原因分析

朱义东，陈 浩，黄 珂，张艳红

（国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006）

经验交流

500 kV变电站出口耐张金具过热原因分析

朱义东，陈 浩，黄 珂，张艳红

（国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006）

针对辽宁电力系统近几年发生的数次变电站或发电厂出口金具过热、部分金具出现烧熔断裂的案例，分析了金具出现过热的原因，指出风力振动等原因导致接触电阻增大，非导流金具流过负荷环流是造成过热的主要原因。

拉杆断裂；金具过热；环形电流；风振

2013年8月，某500 kV变电站运维人员夜巡发现变电站出现线路C相门构线路侧绝缘子串金具总装异常（金具总装过热、发红，使用红外测温仪测温度达240℃）。停电后检查发现A、B相各有1根导线金具拉杆断裂（如图1所示），C相1根导线烧损严重（如图2所示），但2根金具拉杆完好。针对上述情况进行金具拉杆断裂原因分析及绝缘子前端金具、引流线线夹的过热分析。

1 对断裂拉杆金具的试验分析

断裂的金具拉杆材料为热镀锌钢件，拉杆型号为YL－1040，其设计破坏荷重100 kN，重量1.1 kg。拉杆现场工作状态如图3箭头所示。拉杆材质不明，在正常工况下工作温度应为常温。

图1 B相导线金具脱落

图2 C相烧损严重的下导线

图3 金具拉杆现场正常工作状态

1.1 断口宏观特征分析

图4 A相拉杆断裂特征

A相断裂拉杆形貌如图4所示，拉杆表面呈铁锈色，断口附近外表面光滑、拉伸缩径变形明显，断口呈典型的过载拉伸断裂特征。

B相断裂拉杆形貌如图5所示，拉杆表面呈黑色及铁锈色，断口附近外表面粗糙、可见横向微裂纹，断口处有拉伸变形，断口属于过载拉伸断裂，具有长时过热断裂特征。

图5 B相拉杆断裂特征

1.2 化学成分分析

对断裂的A、B相2根拉杆及未断裂的C相拉杆取样进行化学成分分析，试验执行标准为GB／T 4336—2002，仪器型号为DV－6。

化学成分分析结果如表1所示，表1中列出了GB／T 699—1999中20号钢及GB／T 700—88中Q235A钢的化学成分，由表1可见，拉杆化学成分符合20号钢及Q235A钢成分要求。

表1 化学成分分析结果%

1.3 金相检验

对断裂的A、B相2根拉杆及未断裂的A、B、C相拉杆取样进行金相检验，各拉杆金相组织如图6～图10所示。

A相断裂拉杆断口附近金相组织为块状珠光体加铁素体，珠光体球化不明显（珠光体球化1级）。其余3根（A、B、C相）未断裂拉杆金相组织均为块状珠光体加铁素体，珠光体球化不明显（珠光体球化1级）。

图6 A相断裂拉杆断口附近组织、球化1级

图7 A相未断拉杆基体组织、球化1级

图8 B相拉杆表面裂纹形貌

图9 B相断裂拉杆基体组织、球化2级

图10 C相拉杆基体组织、球化1级

B相断裂拉杆断口附近金相组织为块状珠光体加铁素体，珠光体球化明显（珠光体球化2级），断口附近微裂纹沿晶、裂纹边缘氧化脱碳明显，B相断裂拉杆金相组织有过热特征。

金相检验结果表明所检5根拉杆金相组织均符合20号钢或Q235钢组织特征。A相断裂拉杆金相组织正常，B相断裂拉杆金相组织有过热特征。其余3根（A、B、C相）未断裂拉杆金相组织均正常。

1.4 拉杆机械性能试验

对断裂的A、B相2根拉杆及未断裂的A、B、C相3根拉杆取样进行常温拉伸试验。常温拉伸试验执行标准为GB／T 228—2002，仪器型号为CSS－1120，试验结果如表2所示。

表2 拉杆材质力学性能检测结果

比较可见，全部拉杆材质常温拉伸性能均符合20号钢标准要求，因此判断拉杆材质为20号钢。

1.5 拉杆断裂的金属材料分析

拉杆型号为YL1040，设计参数：直径18 mm，荷重100 kN，材料为镀锌钢件，材质不明。

由表2可知，该金具拉杆金相组织、化学成分及常温拉伸性能均符合20号钢标准要求，因此，认为拉杆材质为20号钢。未断裂拉杆实测直径为18 mm，符合设计要求。

以拉杆实测屈服强度校核其破坏荷重（拉杆计算直径取18 mm）结果见表2，5根拉杆实测破坏荷重（66.9～84.7 kN）均不符合原设计要求（100 kN），断裂的2根拉杆实测荷重较低，其中B相断裂拉杆最低（66.9 kN），与该拉杆存在过热、金相组织明显球化导致其强度下降有关。

拉杆在服役过程中主要承受拉应力，断裂的2根拉杆断口宏观形貌特征为典型的过载拉伸断裂，拉杆实际荷重远低于设计要求，在极端气候条件下，荷重较低的拉杆承受不住工作载荷而发生过载断裂。B相断裂拉杆金相组织有过热特征，拉杆过热是由于绝缘子串间隔铁长期摆动受力，使其接触不良、虚接放电所致。金属材料在较高温度下其许用应力显著下降（如20号钢在20℃下许用应力为145 MPa，350℃下许用应力为100 MPa），拉杆过热将加速其过载断裂。

1.6 金属分析结果

a.从金相组织、化学成分及常温拉伸性能试验结果判断拉杆材质为20号钢。

b.A、B相2根拉杆断裂机理均属于过载拉伸断裂，B相断裂拉杆有过热特征。

c.拉杆实际荷重（A相断裂拉杆77.1 kN、B相断裂拉杆66.9 kN）远低于原设计要求（100 kN）是导致其过载断裂的主要原因，拉杆过热将加速其过载断裂。

2 金具过热原因

2.1 引流线与导线接点过热

从C相金具照片（如图11所示）可见，一侧导线的上、下引流线夹均出现了明显滑动跑位。下导线引流线夹已靠近耐张线夹根部，上引流线夹同对应的另一支相比也存在跑位。线夹与导线存在相对位移，导致接触不良、接触电阻增大，使接点过热，导线烧损严重。导线与引流线出现相对滑动的原因可能是风力、舞动等外因作用的结果。

2.2 绝缘子串间隔角铁、连接拉杆金具过热

图11 C相金具总装及异常外观表现

在各部位连接可靠的情况下，负荷电流沿引流线进入站内，耐张金具应处于高电压但几乎无电流流过的状态，其微弱电流仅仅为毫安级的绝缘子泄漏电流、电容电流和电晕杂散电流等［1］，此次故障未发现导致电场、电晕等异常的因素。

图12为过热金具电流方向示意图，通过简化电路图，分析在引流线出现接触电阻增大、接触不良情况下的金具流过电流原因。

图12 引流线线夹过热情况下电流流向

为简化分析，将负荷电流等效为固定电流源I，大电网系统认为该负荷不受过热情况影响，将分布电路简化为集总电路图。因引流线间隔棒距离很小，忽略了下方引流线电阻影响，引流为等势体，设定引流线电位为输出电位·UO，ZO为四分裂线夹到引流线线夹间的导线阻抗，ZX是过热导线与线夹间的接触电阻，非故障导线与引流的接触电阻忽略。

因某一根导线或多根与引流线发生侧移，发生了严重的接触不良，接触电阻将数量级增长。在导线和引流线间将产生电位差ΔU＝I分ZX，其中I分是过热点流过的负荷电流。过热点导线与其他导线相比对引流的阻抗增大，引流线夹的通流降低［2－3］。

因双引流线间隔棒距离过热点很近，约20 cm，近似认为引流线自身在过热点附近为等势体，与之接触良好的导线接点也认为是等势体。其中某根或几根导线电压抬高ΔU，使四分裂导线之间存在电势差。电势差通过金具构成闭合回路，通过较远（8 m外）的四分裂线夹构成闭合回路，形成2个环型电流，该电流与负荷电流流向、大小均不同。

即使存在上述电流，如果金具各位置连接可靠，则该电流不会产生较大热效应［4］，如图13所示。

图13 绝缘子角铁隔板及金具各部位接触良好时的等效电路1、2——一侧二联板；3、4——另一侧二联板

此次角铁或连接杆过热是因为角铁螺栓存在松动，连接杆属活动连接，接触面积小且金具晃动时接触不良、接触电阻增大（设计的正常情况下不应流过电流，故不会考虑接触面是否良好的问题），如图14所示。

图14 存在金具接触不良时的等效电路

当其中某1根导线与线夹接触不良时，金具间的电势差如图15所示，将造成金具流过环型电流，进而在金具接触不良时产生过热［5］。

图15 单根导线与引流接触过热的电位分析

2.3 仿真分析及温升计算

因实际测量故障金具和过热点的阻抗存在困难，在实验室内利用回路电阻测试仪对导线线夹螺栓松动时接触电阻进行模拟测试，结果表明，螺栓紧固、接触面良好时，接触阻抗为0.25 mΩ，而接触不良时，接触电阻介于0.5～5 mΩ.

实验室测量设计通流的耐张连接金具在绷紧状态下整体阻抗约为3～10 mΩ。

结合实验室模拟结果，利用Multisim电路分析软件进行仿真分析，四分裂导线交流阻抗取0.273 Ω／km，耐张段之间导线长度约为100 m，负荷电流1 000 A。在一定范围内设定金具、接触面电阻进行仿真分析。部分仿真结果如表3所示。

表3 部分仿真结果

由表3可见，在导线与引线线夹发生接触不良时，因接触电阻增大，引流与导线连接处流过的负荷电流虽略减小，但因电阻增大较多，导致电流热效应将增大并伴随温升；同时因为温度的升高，铝的电阻率进一步升高，使接触电阻增大，加剧电流热效应，最终导致出现高温烧伤导线。金具自身的铁金属电阻较大、各金具连接部位接触面很小及双联绝缘子连接角铁螺栓松动、接触不好等原因，造成电阻较大的金具流过数十A电流时，同样可以导致金具发热。电流热效应导致导体温升可采用牛顿热公式计算：P＝KTAτ，式中，P为总散热功率，KT为综合散热系数，τ为发热体的温升，A为有效散热面积。经计算，在接触电阻达到毫欧量级时，接触面较小的情况下，较低的热功率就可使接触面温度升高。仿真结果中的电流值能导致金属接触面不良时过热。

2.4 过热分析

a.因为线路遭受过舞动、风力等不良工况，使引流与导线间“四变二”线夹松动、导线滑移、接触电阻增大，造成接点过热，导致导线烧损严重。

b.引流与导线接触电阻增大，导致该根过热导线电位抬升，与良好导线间存在电位差，形成沿金具流过的环流。加之风力等外在原因，造成绝缘子前端固定角铁存在螺栓松动、连接杆接触面较小或晃动，使连接杆、绝缘子前端固定角铁过热。

c.金具过热位置与红外测温位置一致，该过热并非引流线夹过热传导造成。

3 结论

a.断裂的连接拉杆存在一定程度的外围腐蚀，B相拉杆存在金相组织过热球化等原因，造成拉杆机械强度下降幅度较大，在风振、自身张力等因素作用下引起异常机械载荷（包括瞬时大载荷、交变载荷等）发生过载荷拉伸断裂。

b.因为线路遭受过风力振动等外在因素不良工况，导致引流与导线间的“四变二”线夹松动、导线滑移、接触电阻增大，造成接点过热，导线烧损严重。

c.引流与导线接触电阻增大导致该过热导线电位抬升，与良好导线间存在电位差，形成沿金具流过的环形电流。加之风力振动等外在原因，造成绝缘子前端固定角铁螺栓松动、连接杆接触面较小（或晃动），形成连接杆过热和绝缘子前端固定角铁过热。

［1］ 汤晓红，汤晓君.110 kV主变压器过热性故障分析［J］.东北电力技术，2005，26（7）：21－22.

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［3］ 熊文欢，王 品，刘胜春.复奉线铝管式跳线接头滑移串分析与处理［J］.湖北电力，2012，31（5）：64－65.

［4］ 谭华章.耐张塔跳线接头过热缺陷的原因分析［J］.广西电业，2009，17（9）：114－115.

［5］ 唐校友.架空输电线路的导线振动［J］.东北电力技术，2003，24（5）：43－46.

Cause Analysis on Outlet Tension Fittings Overheating of 500 kV Substations

ZHU Yi⁃dong，CHEN Hao，HUANG Ke，ZHANG Yan⁃hong
（Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

In recent years，the fittings overheating occurred several times in the outlet of substation or power plant in Liaoning prov⁃ince.And some fittings were even melted and broken by the overheating.This paper analyzes some typical cases，focused on the causes of fitting overheating.And it is proposed that the main causes of overheating are due to poor contact and the overload circulation of non⁃diversion fittings.

Drawbar break；Fittings heating；Galloping；Ring current

TM63

A

1004－7913（2015）02－0042－05

朱义东（1982—），男，硕士，工程师，主要从事输电线路及防污闪相关技术研究。

2014－11－20）