输电线路耐张线夹断裂原因

杨迎春,焦宗寒,代克顺

(云南电网有限责任公司电力科学研究院,昆明 650217)

耐张线夹本体分为钢锚与铝管，是高压输电线路的重要连接金具，主要用于把导线或避雷线固定在非直线杆塔的耐张绝缘子串上[1-3]。耐张线夹的断裂会造成线路跳闸停电事故，影响电网的安全稳定运行。耐张线夹断裂原因主要有：材料和结构设计不合理导致强度不足发生断裂[4]；耐张线夹接触松动引起线夹发热造成线夹断裂[5-6]；锈蚀造成构件有效承载面积减小发生断裂[7]。

云南某500 kV输电线路于2016年9月投运，2018年10月巡线工作人员在登塔检查中发现某塔两处耐张线夹在耐张线夹转角部位断裂，如图1和图2所示。线路的设计风速为30 m·s-1，耐张压接管的型号为NY-300/40，运行期间时常遭遇大风天气，常年平均风速在8～11 m·s-1，风向与输电导线的角度约80°。笔者以断裂耐张线夹为研究对象，通过化学成分检测、几何尺寸测量、断口形貌观察以及力学仿真计算等方法对耐张线夹进行检验，分析了耐张线夹的断裂原因并提出了相应措施,为输电线路的安全可靠运行提供保障。

图1 1号断裂耐张线夹宏观形貌Fig.1 Macro morphology of the No.1 fractured strain clamp

图2 2号断裂耐张线夹宏观形貌Fig.2 Macro morphology of the No.2 fractured strain clamp

1 理化检验

1.1 化学成分分析

耐张线夹的设计材料为1050A铝合金，耐张压接管型号为NY-300/40。采用Spectro型定量光谱仪对1号和2号耐张线夹打磨后的表面进行化学成分分析，分析结果如表1所示。1号和2号耐张线夹的铝含量大于或等于99.5%(质量分数，下同)，硅含量小于0.25%，铁含量小于0.4%，耐张线夹的化学成分符合设计要求。

表1 断裂耐张线夹的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of the fractured strain clamps (mass fraction) %

1.2 几何尺寸测量

根据《电力金具手册》上NY-300/40压接管的尺寸，采用游标卡尺和钢卷尺对2号耐张线夹的压接管尺寸进行测量。压接管外径的设计直径为40 mm，2号断裂耐张线夹压接管直径的测量值为40.5 mm；钢锚耳环设计直径为18 mm，2号断裂耐张线夹钢锚耳环直径的测量值为18.2 mm。压接管外径和钢锚耳环直径与设计直径基本相符。线夹在压接后长度会有所增长，因此压接管长度测量值仅供参考。

1.3 断口分析

对1号断裂耐张线夹断口进行宏观观察，根据断口宏观形貌选择4个区域，如图3所示。分别对4个区域进行扫描电镜(SEM)观察，如图4所示。各区域均可观察到相互平行的辉纹条带，呈现出疲劳断裂的特征，均处于疲劳裂纹扩展区，属于疲劳断裂。

图3 1号断裂耐张线夹的断口宏观形貌Fig.3 Macro morphology of fracture of the No.1 fractured strain clamp

图4 1号断裂耐张线夹的断口SEM形貌Fig.4 SEM morphology of fracture of the No.1 fractured strain clamp:a)position 1;b)position 2;c)position 3;d)position 4

1.4 力学仿真计算

为了研究耐张线夹断裂过程的应力分布情况，采用有限元方法建立耐张线夹模型，施加边界条件和载荷，计算耐张线夹的应力分布情况，耐张线夹模型如图5所示。

图5 耐张线夹的有限元计算三维模型Fig.5 The three-dimensional model of finite element calculation for the strain clamp

有限元模型采用三维实体单元建模，铝弹性模量70 GPa，泊松比0.3，塑性延伸强度100 MPa,抗拉强度150 MPa。钢锚弹性模量210 GPa,泊松比0.3，塑性延伸强度1 000 MPa,抗拉强度1 500 MPa。

通过在C位置施加向下4 mm位移模拟导线微风振动。施加边界条件约束时，A位置和B位置全固定，计算的应力云图如图6所示。由图6可知，耐张线夹端部位置受到约束可造成耐张线夹转折位置的应力集中，该应力集中部位与实际断裂部位一致。

图6 A位置和B位置全固定时耐张线夹的应力分布云图Fig.6 Stress distribution nephogram of the strain clamp when position A and position B were fixed

改变边界条件，A位置固定，在B位置施加不同方向的位移，计算的应力云图如图7所示。由图7可知，在B位置施加不同方向的位移时，耐张线夹的转折位置产生应力集中。

图7 B位置施加不同方向位移时耐张线夹的应力分布云图Fig.7 Stress distribution nephogram of the strain clamp under different direction displacement at position B:a)applying 3 mm displacement in x direction;b)applying -3 mm displacement in y direction;c)applying 3 mm displacement in z direction

2 分析与讨论

断裂耐张线夹的材料为1050A铝合金，其几何结构尺寸与设计尺寸基本一致。耐张线夹断口表面有疲劳辉纹条带，推断耐张线夹的断裂方式为疲劳断裂。有限元计算结果表明耐张线夹端部位置受到约束或施加不同方向位移时可造成耐张线夹转角部位的应力集中，且应力集中位置和耐张线夹的真实断裂位置相符。

此段输电线路常年平均风速在8～11 m·s-1，风向与输电导线的角度约80°，当有持续风垂直吹向输电导线时，导线背风侧产生上下交替的卡门旋涡，输电导线会受到上下交变的力而发生高频低幅值微风振动[8-9]。导线的微风振动会使耐张线夹转角部位的应力集中位置产生较大的交变应力，耐张线夹转角的薄弱位置在较大交变应力的作用下会产生多处疲劳裂纹源。

综上所述，耐张线夹的转角部位由于端部位置受到约束产生应力集中，削弱了耐张线夹的强度[10-11]，在应力集中处容易形成多处裂纹源。输电线路受风力的影响产生高频低幅值微风振动，在耐张线夹转角部位的应力集中位置会产生较大的交变应力，裂纹源在交变应力的作用下生长并发生扩展，当疲劳裂纹扩展到一定尺寸，耐张线夹的剩余截面不足以承受外界载荷时最终发生断裂[12]。

3 结论及建议

耐张线夹的根部局部受到约束，在较大应力作用下耐张线夹转角应力集中部位形成裂纹；输电线路受风力的影响发生高频低幅值微风振动，在耐张线夹转角部位的应力集中位置会产生较大的交变应力，裂纹在交变应力的作用下扩展最终发生疲劳断裂。

建议采用无人机、望远镜等手段加强对耐张线夹的巡视；在安装和设计上进行优化避免耐张线夹局部区域应力集中，如采用新型双板式耐张线夹及柔性小间隔棒配合使用，以减小微风振动、舞动对耐张线夹的影响[13]。