架空输电线路导地线断股、断线分析方法

高压测试技术

输电线路导地线的断股是运维中较为常见的缺陷，断股会影响线路载流量、引发电晕、降低线路机械性能。导地线断线是目前仍时有发生的严重故障，抢修难度大、停电时间长。断股和断线的原因可以统一进行归纳，今天来讲讲架空线路导地线断股、断线的常见原因和验证思路。

1 断股断线常见原因及特征

1.1 机械破坏

① 断线机理

当严重覆冰、极端大风等情况下导线拉伸应力超出导线机械强度时，导线中的结构薄弱点裂纹逐渐扩展，导线出现塑性变形直至颈缩断裂。

当导线承受微风振动等长期振动作用，线夹出口容易出现微动磨损，同时线夹出口也是是应力集中区域，磨损、应力集中效应叠加导致该处导线径向裂纹的生成与扩展，在周期性应力的作用下裂纹逐步发展，最终导致导线疲劳断裂。

② 断口特征

纯粹由于拉伸应力超出导线机械强度引发的断线一般为韧性断裂（塑性断裂），断口为杯状（断口周边有剪切唇），有明显的缩颈现象，如图1。

图1 机械拉断导线断口[对一起超高压线路子导线断线情况的分析_张建斌]

疲劳引发的断裂，断口可分为疲劳源区、疲劳扩展区、瞬断区三个区域。疲劳源区是疲劳裂纹的萌生区，由局部应力集中引起；疲劳扩展区是疲劳断裂断口的特征区域，典型特征是贝纹线，如图2所示，一般认为，贝纹线是疲劳裂纹扩展过程中线股承受载荷剧烈变化引起。瞬断区是微动疲劳铝股线最后断裂的区域，是疲劳裂纹失稳扩展后形成的塑性断口，呈现大量的韧窝结构。

(a)宏观贝纹线（此处以金具图片为例）

(b)微观贝纹线

图2 疲劳断口特征-贝纹线

1.2 高温熔断

① 断线机理

当导线遭遇超过通流能力的大电流，或者局部位置电阻非正常增大，则导线薄弱点（电阻最大点）将产生高温。高温超过导线材质熔点则导线迅速熔断，高温未超过导线熔点时，导线也可能因高温下材质机械强度下降而发生塑性变形或颈缩，此时变形位置电阻进一步增大、发热继续增加，最终导致导线断裂。

造成导线承受高温的原因有两类，一类是短时大电流，如雷电流、线路跳闸（包括雷击、异物短路、脱冰跳跃等）的工频短路电流，一类是负荷电流引发的温升，如导线某处接触不良、断股、电接触界面锈蚀等导致电阻增大、发热。

一般认为雷电流持续时间短（微妙级）、能量有限，仅会引发断股，其能量不足以引发断线，而工频短路电流持续时间长，温升效应更显著。如果是负荷电流引发的温升，其持续时间较长，往往会伴随腐蚀、产生脱碳等现象。

② 断口特征

典型高温熔断断口如下。

(a) 颈缩明显

图3 高温熔断导线断口

高温熔断断口特征是断口含有熔坑、金属熔融物等熔融迹象。部分断口同时伴有颈缩现象，有的断口颈缩明显，有的断口颈缩不明显，这与断口断裂的主导原因有关，如果断裂主要是熔断产生，断口温度极高、断裂过程持续时间较短，或者断口承受机械应力不大，则颈缩显现不明显，如上图(b)；如果断裂时断口温度一般、温度升高后导线机械强度下降造成断裂，则颈缩区域会非常长，如上图(a)。

有时断线的断口两端表面形态不完全一致，如一段熔融形态明显，而另一端表面平整。如果地线断线后某一断口下垂与导线发生放电烧融，可能会使两端断口形态差异较大。

1.3 腐蚀

① 断线机理

钢材质导线表面一般有镀锌层作为防腐镀层，铝包钢线则为钢材质导线表面包覆铝层，铝层在改善通流能力的同时也起到良好的防腐作用。然而，当镀锌层或铝层发生磨损，或者因环境中的腐蚀介质破坏表面保护层，导致钢材质与大气接触，则导线会迅速发生腐蚀。微动磨损+腐蚀是目前运行中导地线断线、断股的常见原因。

腐蚀导致导线截面变小、导线与其他部件接触不良，从而导致电阻增大、发热增加，最终导致断线。

② 断口特征

发生腐蚀后的导线，可能在发展成断线的过程中经历高温过程，则断口可能出现熔断特征，也可能部分单丝锈蚀严重但对导线整体导电性能尚未形成严重影响，则该单丝断裂时可能不会出现熔断过程，单丝断面无显著融化迹象，也即纯粹锈断的单丝断口将呈现平口的脆断特征，同时如果断裂后时间较长，断口也将被锈蚀产物覆盖，如图4。

发生磨损的导线表面出现表层局部破损等，如图5。

图4 断口被锈蚀产物覆盖

图5 导线表层磨损、锈蚀

发生腐蚀的导线，表面往往有发黄痕迹，通过能谱分析，可检出S、F、Cl等元素，如果断口存在O元素，说明发生氧化过程，但该氧化过程可能是断线瞬间产生，S、F、Cl元素则为自然界腐蚀过程容易带入的元素，断线瞬间不足以从外界代入相应元素。

对于钢芯铝绞线、铝包钢绞线，当内部出现磨损导致钢股表层镀锌层、铝包钢股线表面铝层破坏，内部股线将迅速出现腐蚀，但此时表面导线可能并无锈蚀产生，因此仅检查表面无法发现内部的锈蚀情况，相应情况值得今后寻找合适的无损检测手段予以攻克。

2 断线断股原因分析验证

2.1 断口形态分析

利用宏观检查、微观检查对断口形态进行分析，微观检查可采用扫描电镜（SEM）进行。基于上文分析，不同原因引发的断线断口形态不同：

① 断口为颈缩明显，无熔融痕迹，断口为杯状

很可能是拉伸应力过大引发的断裂。

② 断口呈熔融状

说明断口经历了高温过程，但高温有可能是断线的原因，也有可能是断线后于其他导线发生放电引发的熔融。因此需要与其他分析手段配合进行分析。

③ 断口存在贝纹线，部分区域呈韧窝状

断裂可能是疲劳引发。

④ 断口或断口附近存在发黄、发红迹象

说明断口经历了腐蚀过程，断裂可能与腐蚀有关。

2.2 基本参数测量

基本参数测量包括单丝直径（铝股、钢股直径）、导线外径、节径比、20℃直流电阻。对于铝包钢线，还可包括表面铝层厚度。

常见钢芯铝绞线、钢绞线、铝包钢绞线的检测数据判断可依据标准：《GB/T 1179-2017圆线同心绞架空导线》、《YB/T 183—2000稀土锌铝合金镀层钢绞线》（部分含稀土的钢绞线可参照此标准）。

如果出现钢股锈蚀，则钢股直径、导线外径可能比标准、新导线增大（单丝锈蚀产物体积膨胀），也有可能缩小（锈蚀后力学性能下降，局部拉伸），节径比减小，锈蚀较为严重时会使20℃直流电阻值增加。

需注意的是导线直流电阻的增加可能集中在某一部位，也可能是整体都有增加，前者极可能引发局部过热，后者引发局部过热概率较小。

2.3 力学性能测试

为验证导线是否在运行中出现力学性能下降，或者新线力学性能不满足要求而导致断线、断股，可进行单丝拉伸检测、整体拉断应力检测。

单丝拉伸分钢股、铝股单丝拉伸两类，钢股单丝拉伸包括１％伸长下的试验应力、拉断应力、拉断时的伸长率，铝股单丝拉伸包括拉断应力、拉断时的伸长率。

常见钢芯铝绞线、钢绞线、铝包钢绞线的检测数据判断同样可依据标准：《GB/T 1179-2017圆线同心绞架空导线》。

2.4 材质分析

为分析导线材质是否满足标准要求、断口有无腐蚀痕迹，可开展材质元素分析。

前者可采用八元素法，对导线整体材质进行分析，对比导线材质与标准有无偏差。常用标准：《GB/T 17937-2009 电工用铝包钢线》、《GB/T 1179-2017 圆线同心绞架空导线》，实际上现场遇到的大部分断线、断股，与导线材质没有关联，因此仅是从排除的角度进行辅助分析。

后者可采用能谱分析（EDS），可对断口附近区域的表面元素进行分析，如果检出S、F、Cl元素，则断口附近断裂前可能已发生腐蚀。如果断口之外大量区域存在O元素，则可能断裂之前导线已发生氧化。

图6 能谱分析例子（检出S元素）

2.5 金相分析

金相分析首先确定故障/缺陷导地线的金相组织形态，确定其内部组织结构是否符合标准要求，其次对故障/缺陷导地线是否存在内部铸造缺陷（如针孔、疏松）、观察断口处裂纹深度及发展方向、是否存在脱碳、腐蚀情况等情况进行检查，对断裂原因进行辅助分析。

图7 金相发现的材质孔洞[基于X射线数字成像技术的500kV输电线路四分裂导线间隔棒断裂分析]

如果发现存在脱碳现象，则说明相应部位曾经受到相对长时间的高温过程。

2.6 过热电流源的确定

如果导地线断口有熔融痕迹，或者金相分析发现有脱碳痕迹，说明导线曾经受过热工况。过热工况包括承受雷电流、工频短路电流、负荷电流三类。

为确定导地线是否曾承受雷电流作用，可通过雷电定位系统对故障、缺陷时间段内的雷电活动进行查询，确定故障、缺陷位置附近是否曾有雷电活动。此外，离变电站较近的杆塔遭受雷击发生跳闸时，站内的故障录播装置可能将雷电过电压情况记录在故障录播图中，可作为直接证据。

此外对故障、缺陷位置杆塔的绝缘子、塔身进行检查，是否有闪络、放电痕迹，如均没有则故障、缺陷位置导地线可能没有经历过故障短路电流的作用，也即断线、断股可能仅仅由雷击造成。

一般认为雷电流持续时间短（微妙级）、能量有限，仅会引发断股，其能量不足以引发断线，而工频短路电流持续时间长，温升效应更显著。如果是负荷电流引发的温升，其持续时间较长，往往会伴随腐蚀、产生脱碳等现象。

3 小结

① 纯粹由于拉伸应力超出导线机械强度引发的断线为韧性断裂，断口为杯状，有明显的缩颈现象；疲劳断裂断口的典型特征是存在贝纹线；

② 高温熔断断口特征是断口含有熔坑、金属熔融物等熔融迹象；发生腐蚀导线，可能在发展成断线的过程中经历高温，则断口可能出现熔断特征，而纯粹锈断的单丝断口将呈现平口的脆断特征；

③ 导地线的断线、断股分析手段主要包括断口形态分析、基本参数、力学性能、材质分析、金相分析等；

④ 分析过程一般为通过断口形态分析确定断口断裂类型（韧性断裂、脆性断裂、有无锈蚀、有无过热过程），再通过力学、材质、金相分析予以分析确认，对于曾经历过热过程的寻找过热电流源；

⑤ 腐蚀与微动磨损叠加是当前导地线断线、断股的常见原因，往往发生在线夹出口，磨损、腐蚀较为轻微仅引发局部电阻增大时，可能在雷电流、工频短路电流的作用下产生断股断线，磨损、腐蚀严重时可能直接造成导地线断线。磨损痕迹可通过宏观分析寻找，腐蚀痕迹可通过能谱分析、金相分析确定。

来源：Langmuirt