高压架空输电线路锈蚀地线力学性能分析_卢银炜.pdf

第 卷第 期红水河 年 月 高压架空输电线路锈蚀地线力学性能分析卢银炜，赵 港，韦佩才，曾伟超，李明骏，黄金领（中国南方电网有限责任公司超高压输电公司南宁局，广西 南宁）摘 要：为探析高压架空输电线路锈蚀地线在运行中及张力更换时发生断线的主要力学因素，笔者采用钢绞线拉伸试验、钢绞线拆股钢丝三点弯曲试验、拆股钢绞线预张扭转试验、钢绞线金相观察等对锈蚀架空地线进行力学分析。试验结果表明：长期投运的架空地线会发生蠕变和锈蚀，蠕变和锈蚀对钢绞线的抗拉强度影响不明显，但对钢绞线的塑性性能影响显著；钢绞线产生的锈蚀和蠕变显著影响其塑性力学性能，这是地线在运行中及张力更换时发生断裂掉线的最主要原因。该研究成果可为高压架空输电线路锈蚀地线的运维策略制定以及更换方法选择提供理论指导。关键词：高压架空输电线路；锈蚀；架空地线；力学性能中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：,(,):,:;引言架空地线是指在高压和超高压线路上直接与大地连通的导线，架空地线又称避雷线。由于架空地线对导线的屏蔽，以及导线、架空地线间的耦合作用，从而减少了雷电直击导线的机会。当雷直击杆塔时，雷电流可以通过架空地线进行分流，提高耐雷水平，因此，架空地线具有显著的防雷作用。高压架空地线是裸露的导线，长期暴露在空气中，受到大气中的水分、腐蚀气体、盐类物质的作用，其表面逐渐发生腐蚀，并且随着投运时间的增加，腐蚀越来越严重，造成架空地线的力学性 收稿日期：；修回日期：作者简介：卢银炜（），男（壮族），广西南宁人，助理工程师，学士，主要从事输电线路的维护和检修工作。：。通信作者：黄金领（），男（壮族），广西河池人，高级工程师，学士，主要从事输电线路的维护和检修工作。：。红水河 年第 期能发生变化，在运行中可能发生断裂掉线或在更换过程中受到外力作用发生断线。年，中国南方电网超高压输电公司在开展某 直流线 号 号放线段左架空地线更换过程中，旧地线在牵引机轮盘内突然发生断裂，回抽坠落割断 号 号封网绳后，掉落至下方 的带电线路上，造成该线路停运并引发山火。此事故虽未造成人员伤亡，但带来了巨大的经济损失，造成了一定的社会影响。中国南方电网公司对此事故调查后发现造成事故的主要原因是旧地线长期受到腐蚀，其力学性能发生显著的变化，在牵引机的作用下产生扭力，使得锈蚀地线发生脆断。国内不少学者对地线断裂进行了一系列的相关研究：黄金领等通过对旧地线的机械性能试验数据、断口特征、扭矩计算、档中扭转录像、过滑车扭转录像以及牵引轮盘内扭转的综合分析，发现旧地线张力更换断裂的主要原因是因抗扭、抗弯折等塑性性能严重下降，但该研究是通过综合分析来判断旧地线张力更换断裂的主要原因，变量较多，没有针对性地单独对力学性能方面进行深入的研究；张明等通过对架空地线腐蚀断裂试样进行形貌观察、射线衍射分析和扫描电镜分析，结果显示空气中的 是关键因素，与钢绞线产生的化学反应造成镀锌地线的腐蚀加速至断裂，该研究是针对空气中的气体影响因素，也没有对内在的力学性能变化进行相应的研究。针对目前锈蚀地线在运行和张力更换中遇到的状况，本文通过钢绞线拉伸试验、钢绞线拆股钢丝三点弯曲试验、拆股钢绞线预张扭转试验、钢绞线金相观察，得出锈蚀地线的最大荷载、最大弯曲度、扭转圈数等，从而对锈蚀架空地线进行力学分析，研究其受影响最大的力学性能，为高压架空输电线路锈蚀地线的运维策略制定以及更换方法选择提供理论指导，防止架空地线发生断裂掉线现象。钢绞线拉伸试验为使试验数据准确、真实，该试验采用旧、新地线进行对比分析，旧地线选自断线事故现场投运了 的 锈蚀架空地线，新地线选取全新的 钢绞线。）整股钢绞线拉伸试验。新、旧地线样品均分为 组，在试验机的拉力作用下，新、旧地线分别得到了 组试验数据。测试数据表明，旧钢绞线的平均破断拉力为 ，新钢绞线的平均破断拉力为。旧、新钢绞线的破断拉力相差。）拆股钢丝拉伸试验。旧钢绞线外层钢丝选取 件样品，钢芯选取 件样品，经过试验得到 组数据（见表）。经过对表 的数据进行分析，结果显示，旧钢绞线拆股外围钢丝的平均抗拉强度为 ，芯线的平均抗拉强度为 ，两者相差，表明外侧钢绞线的抗拉强度有所降低。由于新钢绞线表面有较厚的镀锌层，影响钢丝的夹紧，无法测试其拆股钢丝的抗拉强度，因此，根据中华人民共和国工业和信息化部发布的 镀锌钢绞线的规定，拆股钢丝的抗拉强度为 ，钢绞线破断拉力为。经对比，旧钢绞线外层钢丝的抗拉强度降低了，芯线的抗拉强度没有降低，旧钢绞线的破断拉力仍然满足使用要求。分析钢绞线拉伸试验得到的数据表明，钢绞线在投运 后，虽然其抗拉强度有所下降，但是下降较为细微，变量可忽略不计。由此可见，长时间服役的钢绞线产生的腐蚀和蠕变没有显著影响到钢绞线的抗拉强度。拆股钢绞线三点弯曲试验该试验将新、旧地线拆股成单根钢丝，选取新地线 件样品，旧地线 件样品，在 三点弯曲强度试验机的作用下得到 组数据（见表），三表 旧钢绞线拆股钢丝拉伸试验数据表试样编号直径 原始标距 面积 最大力 抗拉强度 备注 号 外层钢绞线 号 外层钢绞线 号 外层钢绞线 号 外层钢绞线 号 外层钢绞线 号 外层钢绞线 号 外层钢绞线芯 号 钢芯芯 号 钢芯芯 号 钢芯卢银炜，赵 港，韦佩才，等：高压架空输电线路锈蚀地线力学性能分析点弯曲试验曲线见图、图。材料弯曲试验是测定材料承受弯曲载荷时的力学特性试验，主要用于测定脆性和低塑性材料的抗弯强度，并能反映塑性指标的挠度以及检查材料的表面质量。送检的钢绞线已经服役了 ，钢绞线受到重力和风载作用会发生缓慢的蠕变，材料的塑性将持续劣化，通过弯曲试验可以检验其延展性、均匀性展性和均匀性，测定材料的塑性形变。依据 金属材料 弯曲试验方法，采用三点弯曲试验方法测定钢绞线的抗弯能力。测试结果表明，旧钢绞线钢丝的平均弯曲角度仅为，新钢绞线在弯曲过程中均未发生断裂。由此说明，旧钢绞线经过 的使用，由于材料的蠕变和表面腐蚀显著影响到材料的塑性变形能力。表 三点弯曲试验数据表试样编号最大荷载值 直径 跨距 最大位移 最大弯曲角度（）断裂与否旧钢绞线 断裂 断裂 断裂 断裂 断裂新钢绞线 未断裂 未断裂 未断裂图 旧钢绞线三点弯曲试验曲线图 新钢绞线三点弯曲试验曲线 拆股钢绞线预张扭转试验该试验选取的试样：旧钢绞线内层单股试样，旧钢绞线外层单股试样、试样、试样，新钢绞线外层单股试样。在线材卷绕扭转试验机的作用下得到 组试验数据（见表）。扭转试验是测定材料抵抗扭矩作用的一种表 拆股钢绞线扭转试验数据表试样编号有效长度标准扭转圈数扭转圈数试验结果单股钢绞线施加张力试样 未断无锈蚀试样 折断锈蚀试样 折断锈蚀试样 折断锈蚀试样 未断无锈蚀试验，是材料机械性能试验的基本试验方法之一，可以测定脆性材料和塑性材料的强度和塑性，通过观察扭转试样的断口形状能判断出材料性能和受力情况。对于经常承受扭矩的零件（如轴、弹簧等）材料需进行扭转试验。依据国家标准 金属材料 线材 第一部分：单向扭转试验方法对送检钢绞线单根钢丝进行预张扭转试验。测试结果表明：旧钢绞线外侧钢丝的预张扭转圈数均为 圈（），芯线预张扭转圈数为 圈（）；新钢绞线钢丝预张扭转圈数为 圈（）。由此可见，旧钢绞线外侧钢丝的扭转圈数相对于芯线的和新钢绞线的，两者分别相差 倍和 倍，数据比对存在极大的差异。扭转试验结果同样说明，旧钢绞线使用过程中的蠕变和腐蚀，显著影响到钢绞线的塑性性能。钢绞线金相观察该试验分别从送检的新、旧钢绞线上切割 长的钢丝，采用镶样机压成圆柱状样品，再经过砂纸打磨、机械抛光和硝酸腐刻制成金相试样。金相观察分析是金属材料检验分析的一种重 红水河 年第 期要手段，通过观测和计算金相显微组织来确定金属与合金的三维空间组织形貌，从而建立材料成分、组织和性能之间的定量关系。借助光学显微镜观察钢绞线的组织特征，通过新、旧钢绞线形貌比对，观察结果表明：旧钢绞线腐蚀严重，出现明显腐蚀坑；且晶粒相界要模糊些，表面未腐蚀的镀锌层晶粒较细。金相观察结果表明，旧钢绞线材料的晶粒明显比新钢绞线材料的晶粒细些，镀锌层的晶界也有所增加，说明旧钢绞线材料经历了一定的塑性变形。试验结果由上述的试验，可得出以下结果：钢绞线拉伸试验表明了锈蚀钢绞线的破断拉力有所降低，但不显著；钢绞线拆股钢丝三点弯曲试验、拆股钢绞线预张扭转试验、钢绞线金相观察都表明了锈蚀钢绞线的蠕变和表面腐蚀已经显著影响到钢绞线的塑性力学性能，进而显著影响其疲劳性能，锈蚀钢绞线在反复卷曲过程中易出现断裂现象。长期投运的架空地线在水分、腐蚀气体、盐类物质的作用下，钢绞线会发生蠕变和锈蚀，但蠕变和锈蚀对钢绞线的抗拉强度影响不明显。在理想状态下，架空地线只受顺地线方向的水平牵引力，而不受横向切力以及扭力的作用，地线不受影响，不易发生断线的情况；但蠕变和锈蚀对钢绞线的塑性性能影响显著，体现在当受到横向切力以及扭力时，极易发生脆断，造成掉线事故。因此，在张力更换架空地线时或者日常运维时，需要特别注意不要使架空地线受到过大的横向切力以及扭力。运维建议对于服役多年的老线路，应加强线路的日常巡视，利用“人巡机巡”两位一体的运维模式，提高线路巡视的覆盖率，及时排查架空地线锈蚀隐患；对锈蚀架空地线进行科学的力学性能评估，做到早发现早处置，避免隐患升级，造成隐患处置难度增加，而花费更大的人力物力。锈蚀架空地线在反复折扭过程中极易发生脆断，因此，使用张力更换架空地线时，应做到：）在现场布置牵引机、张力机时应注意选点，宜布置在线路中心线上，避免牵引架空地线时内角过小；）牵引机、张力机进出线的仰角不宜大于；）更换架空地线过程中，牵引机卷扬轮、张力机导线轮、导线线轴、导引绳及牵引绳卷筒的受力方向应与其自身的轴线相垂直。另外，在地线牵引过程中转角较大的节点应该加 装 防 跑 线 装置，尤其应在牵引机、张力机的地线进出口附近加装防跑线装置。结语综上所述，对于服役多年的老线路，架空地线在水分、腐蚀气体、盐类物质的作用下，钢绞线会发生蠕变和锈蚀，对其塑性性能具有显著的影响，是高压架空输电线路锈蚀地线在运行中及张力更换时发生断线的主要力学因素。当受到横向切力以及扭力时，极易发生脆断，造成掉线事故，这也是地线在运行中及张力更换时没有外力破坏的情况下，发生断裂掉线的最主要原因。因此，在张力更换架空地线时或者日常运维时，需要特别注意不要使架空地线受到过大的横向切力以及扭力。针对地线在运行中及张力更换时可能发生断裂掉线的情况，应该采取多巡视、多维护的方式开展日常运维工作；在更换架空地线时，应充分做好现场勘查，严格审核施工方案，科学布置张力机、牵引机的位置，采用现在先进的防止跑线、掉线装置做好防护，避免发生断裂掉线。参考文献：中国南方电网超高压输电公司高压直流设备基础北京：中国电力出版社，邓静伟，张宇，陈波，等外层腐蚀对输电线路架空地线承载力的影响土木工程与管理学报，（）：刘敏，蒋一博，林安，等架空地线的腐蚀研究现状材料保护，（）：张明，余建飞，詹约章，等 输电线路架空地线腐蚀断裂原因分析湖北电力，（）：詹约章架空输电线路设施腐蚀的监测方法及预防措施材料保护，（）：郑亚明，欧阳平，安琳锈蚀钢绞线力学性能的试验研究现代交通技术，（）：吴雪峰锈蚀钢绞线力学性能和粘结性能研究长沙：中南大学，黄金领，王元军，韦佩才，等 线路旧地线张力更换断裂原因分析广西电力，（）：，镀锌钢绞线 ，金属材料 弯曲试验方法，金属材料 线材 第一部分：单向扭转试验方法 陈俊甫，管志平，杨昌海，等金属棒试样拉伸和扭转试验应变范围和力学特性对比吉林大学学报（工学版），（）：（下转第 页）红水河 年第 期图 推力外循环冷却器油箱内部滤网 措施实施之后的效果经过实施以上处理措施之后，统计出该机组再次满负荷连续运行时的推力轴承瓦温数据，如表 所示。从表 可以看出，措施实施之后机组推力轴承瓦温最高值为 ，较之前最高瓦温 降低约 ，成效显著。机组推力轴承瓦温降低，证实所采取措施效果明显，为机组高负荷长时间连续安全运行提供强有力的保障。表 推力轴承瓦温数据表日期瓦号 结语机组推力轴承瓦温数据变化监视