微地形区域输电线路球头挂环断裂原因分析

蔡瀛淼，周 恺，张睿哲，李春生，杨 亮，李鸿达

（国网北京市电力公司电力科学研究院，北京 100075）

0 引言

球头挂环作为线路杆塔与绝缘子的连接金具，其可靠性对输电线路有重要意义［1］。对近年来金具失效事故的统计分析表明，球头挂环断裂导致金具失效的故障几率远大于其他连接金具［2-4］，尤其是微地形等气象情况复杂的区域，球头挂环断裂事故频发，给电网安全稳定运行带来严重威胁［5-7］。

球头挂环断裂的原因涉及材料品质、结构设计、锻造工艺、安装质量、风荷载作用等多个方面［8-9］。本文针对一起微地形区域输电线路球头挂环断裂事故，从力学性能、显微组织、断口形貌、荷载受力等多角度进行断裂原因分析与研究，并提出有针对性的治理及预防措施。

1 故障概述

2019年11月，某220 kV线路故障跳闸，重合不成功。故障原因为该线路57号杆塔C相挂点处球头挂环金具断裂，造成56号和57号杆塔C相四分裂导线中一条子导线断线，如图1所示，其他3条子导线严重受损。

图1 56号和57号杆塔C相四分裂导线中一条子导线断线

2 球头挂环断裂分析

2.1 外观检查

2.1.1 绝缘子球头挂环情况

57号杆塔绝缘子球头挂环型号为QP-21S，故障相C相金具自根部断裂，根部遗失。非故障相未见明显异常，如图2所示。

图2 57号杆塔故障相与非故障相绝缘子球头挂环

2.1.2 绝缘子情况

检查发现，57号杆塔C相绝缘子高压侧端部断裂遗失，绝缘子伞群多处外力损伤，无明显放电痕迹，应为球头挂环断裂后绝缘子下坠过程中受到撞击造成断裂，非故障相绝缘子无明显异常，如图3所示。

图3 故障线路57号杆塔C相绝缘子高压侧端部断裂

2.1.3 绝缘子碗头内表面情况

对比分析故障相绝缘子与非故障相绝缘子碗头内表面情况，故障相绝缘子内表面磨损比非故障相严重，如图4所示。

2.2 金具质量分析

2.2.1 力学性能分析

选取失效球头挂环和正常球头挂环杆部的圆棒状拉伸试样，其平行段直径为5mm，长度为60 mm，标距为25 mm。

图4 绝缘子碗头内表面对比

失效球头挂环和正常球头挂环的室温拉伸性能如表1所示。球头挂环拉杆部应力应变曲线如图5所示。根据失效挂环的抗拉强度，计算球头挂环的最大拉断力Fmax：

式中：σm为挂环的抗拉强度；S为挂环的截面积。

计算可得Fmax=271 kN，达到了标称破坏荷载210 kN，可见材料强度满足设计要求。

表1 球头挂环室温拉伸性能

图5 球头挂环杆部应力应变曲线

2.2.2 显微组织分析

对失效与正常球头挂环杆部横截面和纵截面的光学显微组织形貌进行分析，横截面均为回火索氏体和铁素体，正常挂环的铁素体量更多；纵截面均可见明显带状组织；边部均可见明显完全脱碳，深度分别约为80 μm和100 μm，未见裂纹，如图6所示。镀锌层厚度平均值为76 μm，满足DLT 768.7—2012《电力金具制造质量 钢铁件热镀锌层》对钢件镀锌层70 μm的要求。

图6 球头挂环杆部纵截面光学组织形貌

综上，球头挂环拉伸强度、材质、镀锌层厚度均符合标准要求，未发现球头挂环质量问题。

2.3 断口形貌分析

故障相球头挂环断口处可见双侧对称月牙形断口纹理，与球头挂环典型疲劳断口特征相符，如图7所示，推测球头挂环受双向弯曲荷载导致疲劳断裂。

图7 故障线路断裂球头挂环断口与典型疲劳断口对比

2.4 地形与气象参数分析

2.4.1 地形情况

故障区段56号—58号杆塔位于山脊迎风坡，海拔均在740 m以上，故障杆塔两侧档距分别为473 m和651 m，属大档距。故障杆塔区段在冬季是覆冰故障高发区段，近年来这一区段曾多次发生覆冰故障。

架设于野外、山林、郊区等区域的杆塔，杆塔高、档距大，输电线路更容易受到风、雨、雪、雷电等气象因素的影响。由于微地形地貌对气候的影响，局部气象参数会有较大的差异，输电线路受局部极端天气的影响，时常发生风害、冰害跳闸事故［10-11］。该线路故障区段正是处于这种微地形区域，具有明显的微地形气候特征。

2.4.2 气象参数分析

根据气象数据，处于微地形区域的故障线路常年受局部极端天气影响。该线路故障前一日气象部门发布大风蓝色预警，故障当日凌晨遭受强风。故障时刻故障点附近自动气象站点气象参数如表2所示。

表2 故障时刻故障点附近自动气象站点数据

由气象参数可以看出，尽管故障时刻故障点附近的10 min平均风速并不大，但极大风速超过30 m／s。金具能否承受极端天气下风荷载的作用，需进一步进行金具受力分析。

2.5 金具受力分析

2.5.1 垂直荷载计算

垂直荷载计算公式如下：

式中：F0为球头挂环受力；M导为导线质量，该导线单位长度质量为1.349 kg／m，垂直档距为656 m；M串为绝缘子串质量，该型号绝缘子质量为15 kg；g为重力加速度。计算得出F0=34 813.31 N。

2.5.2 水平风荷载计算

垂直于导线方向的水平风荷载：

式中：Wx为垂直于导线方向的水平风荷载；α为风压不均匀系数，取0.85；W0为基准风压标准值，W0=V2／1 600，V为基准高度为10 m的风速；uz为风压高度变化系数，取 1.77；usc为导线体型系数，取 1.1；βc为风荷载调整系数，取1；d为导线外径，该导线 d为0.107 28 m；Lp为杆塔的水平档距，该线路水平档距为562 m；B为覆冰时风荷载增大系数，取1；θ为风向与导线之间的夹角，取90°。

1）基本设计风速下水平风荷载计算。当地基本设计风速V为23.5 m／s，根据式（3）计算得到水平风荷载Wx1为60 706.76 N。

2）故障时刻实际风速下水平风荷载计算。故障时刻极大风速V为37.6 m／s，根据式（3）计算得到水平风荷载Wx2为88 164.89 N。

2.5.3 球头挂环受力计算

1）无风情况球头挂环受力F为：

2）基本设计风速下的球头挂环受力F1为：

3）故障时刻球头挂环受力F2为：

2.5.4 球头挂环安全系数校核

球头挂环安全系数：

式中：K为球头挂环安全系数；F额为球头挂环额定荷载，该型号球头挂环额定荷载为21 kN；F为球头挂环受力。

GB 50545—2010《110 kV～750 kV 架空输电设计规范》规定K≥2.5。

1）按无风情况校核。由式（7）计算得出 K为6.032，可见安全系数满足要求。

2）按照基本设计风速情况校核。由式（7）计算得出K为4.289，可见安全系数满足要求。

3）按照故障时刻实际情况校核。由式（7）计算得出K为2.382，可见安全系数不满足要求。

2.6 球头挂环断裂原因及处理

针对微地形区域球头挂环断裂事故，进行了外观检查、力学性能试验、显微组织分析，排除了金具质量问题。从断口形貌、地形与气象参数分析、金具受力校核，明确了球头挂环断裂原因为：故障杆塔处于迎风坡山脊处的微地形区域，频繁遭受强风天气，极端天气时风荷载作用造成球头挂环安全系数不满足要求，恶劣运行工况使得球头挂环存在疲劳损伤积累，在故障当日强风作用下发生断裂。

针对故障区段，将绝缘子由单挂点单串改为双挂点双串，并加强对微地形区域输电线路的重点巡视，加大检测力度。

3 预防措施

1）设计阶段。高度重视气象信息的收集和运行经验的积累，微地形区域宜采用加强型金具，并按照极端天气情况对金具受力进行校核，提高金具设计安全系数，增强抗风能力，延长金具使用寿命。

2）设备验收阶段。开展新建杆塔金具安装前的无损检测等入网检测工作，从材料品质、结构设计、力学性能等方面对金具进行抽检，避免次品入网。

3）运行阶段。由于球头挂环断裂处于绝缘子碗头内，长期运行存在疲劳损伤积累，在线路巡视和登塔检查时均难以发现，因此应缩短微地形区域球头挂环的抽样检查周期，并合理确定更换周期。

4 结语

本文针对一起微地形区域输电线路球头挂环断裂故障，通过力学性能试验、显微组织、断口形貌特征、地形和气象参数分析，以及不同工况下球头挂环受力的校核，得出球头挂环断裂失效原因为：极端天气下风荷载作用使球头挂环安全系数不满足要求，微地形区域球头挂环存在疲劳损伤积累，最终在强风作用下断裂。在此基础上，对微地形区域球头挂环断裂提出了预防措施。