電力系統鋼芯鋁絞線失效分析方法
2023-06-05 23:12:41 1
電力系統鋼芯鋁絞線失效分析方法
【專利摘要】本發明涉及一種電力系統鋼芯鋁絞線失效分析方法，包括步驟有：(1)收集技術資料；(2)檢查與分析試驗，分為宏觀檢查、成份分析、電化學腐蝕分析、電鏡及能譜分析、電阻率試驗及拉伸試驗；(3)綜合以上各項試驗結果，分析導線失效的原因，得出結論並出具失效分析結果。本發明方法作為監督檢驗工作的指導，在導線發生失效時能快速的判別其失效類型，查明事故原因。
【專利說明】電力系統鋼芯鋁絞線失效分析方法
【技術領域】
[0001]本發明電力系統鋼芯鋁絞線【技術領域】，尤其是一種電力系統鋼芯鋁絞線失效分析方法。
【背景技術】
[0002]導線斷裂失效是電網安全的大敵，對電網的電力傳輸造成極大經濟損失，對電力系統一次、二次設備均造成了很大衝擊，而且更換導線需要大量的時間及人力物力。目前對導線還沒有完善的監督檢查方法，僅限於外觀檢查、成份分析等試驗，隨著電壓等級升高，對導線載流、受力等要求均大大提高，傳統檢測模式逐漸不能滿足需要。通過對各種類型導線進行全面的分析試驗，掌握導線的表面特徵、組織特性、力學性能、材質老化現象、腐蝕、疲勞等特點，形成導線壽命的評價模式，有的放矢的進行監督檢驗工作。
[0003]架空導線是高壓輸電線路的主體，目前，國內外高壓輸配電網架空導線主要是鋼芯鋁絞導線。架空導線已服役25-40年，處於其壽命的中期。由於架空導線長期處於野外露天之下，經受風、雨、冰雪等惡劣的自然條件，容易發生各種事故，在役架空導線的維護、更新任務繁重，如何對在役架空導線的運行狀況進行科學評估，對剩餘壽命進行合理預測顯得十分重要，成為輸電工程及相關領域的一個研究熱點。
[0004]鋼芯鋁絞線(ACSR)導線是由內、外層鋁線及鍍鋅鋼芯線絞合在一起的一種複合結構。經大氣腐蝕及微動磨損後，ACSR導線的力學性能和電氣性能均降低，歷經年復一年的積累，可能導致線路斷股、斷線、甚至停電事故的發生，造成不可估量的損失。ACSR導線的損壞主要源於:1、導線的質量缺陷導致早期失效，主要為:(1)導線表面油汙、(2)導線過扭、⑶單線斷裂、⑷單線或導線的表面擦傷、(5)單線騎馬(跳線)、(6)單線拱起、(7)燈籠狀導線、(8)蛇型彎及(9)絞合松股；2、導線的腐蝕損傷；3、導線的微動損傷，主要為:
(I)，導線的舞動損傷、(2)導線的次擋距振動損傷及(3)導線的微風振動損傷；4、導線的蠕變損傷。
[0005]導線由於設計、製造、安裝、運行、檢修、管理方面的問題以及長期在烈日、冰雪、強風、油汙、海水等惡劣條件下運行造成斷裂失效，制定技術方案，進行各項試驗，對導線性能變化進行研究，歸納出導線的質量缺陷導致的失效，針對不同失效形式的導線進行失效分析，確定其失效原因，預防失效的再次發生，對於保障電網安全有極大的經濟效益。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是為了克服現有技術的不足，提供一種電力系統鋼芯鋁絞線失效分析方法。
[0007]本發明解決其技術問題是採取以下技術方案實現的:
[0008]一種電力系統鋼芯鋁絞線失效分析方法，包括步驟如下:
[0009](I)收集技術資料；
[0010](2)檢查與分析試驗，分為宏觀檢查、成份分析、電化學腐蝕分析、電鏡及能譜分析、電阻率試驗及拉伸試驗，每個試驗項目的具體方法為:
[0011]①宏觀檢查，宏觀檢查以肉眼檢查為主，同時採用10倍以下的放大鏡和80倍以下的雙筒體視顯微鏡進行觀察，觀察導線失效處形貌、導線磨損及腐蝕情況；
[0012]②成份分析試驗，使用原子發射光譜法和化學成份分析法進行成份分析試驗，直觀快捷的檢測出導線材質是否發生變化、導線腐蝕、電阻率下降現象；
[0013]③電化學腐蝕分析試驗，判斷導線是否受到腐蝕及其耐腐蝕性能；
[0014]④電鏡及能譜分析試驗，利用電鏡及能譜分析試驗，對導線失效部分進行點、線和區域分析，取得斷裂源、腐蝕產物、第二相、晶界偏析的數據，使用高解析度、高放大倍數的掃描電鏡觀察斷口、腐蝕、磨損及組織中的微觀形貌、碳化物分布和形態；使用能譜儀對微區進行化學成份分析，確定分析區域中的化學成份，輔助分析腐蝕的原因，確定導線的微動磨損程度及材料腐蝕程度；
[0015]⑤電阻率試驗；
[0016]⑥拉伸試驗，通過拉伸試驗，得到導線的屈服強度、抗拉強度、彈性模量、斷面收縮率、和斷後伸長率，測定導線的機械性能指標是否符合設計要求；
[0017](3)綜合以上各項試驗結果，分析導線失效的原因，得出結論並出具失效分析結果O
[0018]而且，所述步驟(I)的收集技術資料包括的內容有:
[0019]①設計資料收集:導線材料的技術要求，製造及處理工藝，失效位置，導線的型號、主要參數，出廠資料，檢驗記錄；
[0020]②服役情況收集:了解導線的服役時間，運行參數，以往的失效原因及更換情況，環境細節；
[0021]③現場調研數據收集:了解失效前夕和失效發生時的運行工況有無變化，失效時導線有無異常振動、電參數有無明顯變化；
[0022]④取樣收集:對導線失效部位進行保護，詳細記錄事故現場和導線失效情況，對失效細節應特別注意。
[0023]而且，所述步驟(2)中③步的電化學腐蝕分析試驗具體步驟包括:
[0024]1、電化學腐蝕試驗準備，
[0025]I)在導線中切取4mm的鋼芯和鋁試樣毛坯；
[0026]2)用200、600、800號金相砂紙逐級將小圓柱的一端面打磨至光亮，將一粗銅導線與小圓柱未打磨一面用釺焊焊住，接著使用環氧樹脂將試樣與銅導線密封成一個圓柱型，小圓柱試樣只露出打磨過的一端；
[0027]3)用矽膠將金屬與環氧樹脂接觸的小圓周塗上狹窄的一圈，放乾燥皿裡晾乾、備用；
[0028]I1、試驗，
[0029]I)檢測實驗室的溫度保持在10°C—25°C，使設備遠離或隔離有腐蝕性氣體源，保證設備運行的平穩；
[0030]2)計算暴露出的金屬圓面積；
[0031]3)配製3.5% NaCl的模擬海水溶液，倒入乾淨的電解池中，在電解池中插入輔助電極和鹽橋，將參比電極浸入鹽橋中，最後將工作電極即製作好的帶粗銅導線試樣的圓柱端浸入電解池溶液中，使得圓柱端中暴露出的金屬面對準鹽橋出口，兩者間距大約為2mm左右；
[0032]4)接好三個電極與工作站的連線，接著打開電化學工作站的電源，打開電腦中與工作站對應的測試與分析軟體；
[0033]5)進行開路電位的穩定測試，固定速率為IHz ；
[0034]6)開路電位測試後得到一個穩定的開路電位值，掃描速率為0.2mv/s ；
[0035]而且，所述步驟(2)中④電鏡及能譜分析試驗的具體試驗步驟為:
[0036]I)用體視顯微鏡觀測樣品表面的腐蝕情況，並拍攝照片；
[0037]2)使用無水乙醇、丙酮等有機試劑對樣品進行清洗；
[0038]3)使用掃描電子顯微鏡分別拍攝樣品表面腐蝕的二次電子圖像，並採集樣品表面腐蝕產物的X射線能譜，獲取表面的元素組分信息；
[0039]4)對樣品進行切割、鑲嵌、研磨、拋光，獲得樣品的拋光截面；
[0040]5)使用掃描電子顯微鏡拍攝樣品拋光截面不同放大倍數的背散射電子圖像，測量其腐蝕覆蓋物深度和基體遭受腐蝕的深度，並採集樣品表面腐蝕產物和深入基體腐蝕產物的X射線能譜，獲取元素組分信息；
[0041]6)在樣品的拋光截面上選取腐蝕較深的位置，採集X射線能譜面分布圖，獲取其重要化學元素的分布信息。
[0042]而且，所述步驟(2)中⑤電阻率試驗的具體方法為:
[0043]1、試樣準備，從導線上取相同長度的若干根鋼芯和鋁合金試樣毛坯進行電阻率測量試驗；
[0044]I1、試驗方法步驟:
[0045]I)測量直徑:在垂直於試樣軸線的同一截面上，從相互垂直的方向上測量，每個試樣測量三次，各測量點之間的距離應不小於200mm，計算其算術平均值；
[0046]2)長度測量:測量試樣的長度，每個試樣測量三次，計算其算術平均值；
[0047]3)電阻測量:測量試樣的電阻，每個試樣測量三次，計算其算術平均值。
[0048]而且，所述步驟(2)中⑥拉伸試驗的具體方法為:
[0049]1、試樣製備，根據要求製備導線樣品，試樣的每端都要設置強力卡箍以防止絞線層間移動；
[0050]I1、試驗設備,力學拉伸試驗採用Instron-5848型微小力試驗機,按相關試驗步驟進行。
[0051 ] 本發明的優點和積極效果是:
[0052]本發明方法作為監督檢驗工作的指導，在導線發生失效時能快速的判別其失效類型，查明事故原因。
【具體實施方式】
[0053]以下對本發明實施做進一步詳述，以下實施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發明的保護範圍。
[0054]一種電力系統鋼芯鋁絞線失效分析方法，該方法步驟如下:
[0055](I)收集技術資料，主要包括的內容有:
[0056]①設計資料收集:導線材料的技術要求，製造及處理工藝，失效位置，導線的型號、主要參數，出廠資料，檢驗記錄；
[0057]②服役情況收集:了解導線的服役時間，運行參數，以往的失效原因及更換情況，環境細節；
[0058]③現場調研數據收集:了解失效前夕和失效發生時的運行工況有無變化，失效時導線有無異常振動、電參數有無明顯變化；
[0059]④取樣收集:對導線失效部位進行保護，詳細記錄事故現場和導線失效情況，對失效細節應特別注意。
[0060](2)檢查與分析試驗，分為宏觀檢查、成份分析、電化學腐蝕分析、電鏡及能譜分析、電阻率試驗及拉伸試驗，共六個實驗項目，每個試驗項目的具體方法為:
[0061]①宏觀檢查，宏觀檢查以肉眼檢查為主，並可採用10倍以下的放大鏡和80倍以下的雙筒體視顯微鏡進行觀察，觀察導線失效處形貌、導線磨損、腐蝕等情況，宏觀檢查為後續其他分析做準備，由此可以得到導線失效的第一手資料，質量缺陷及較嚴重的微動損傷等導線失效形式一般可通過宏觀檢查發現；
[0062]②成份分析試驗，可使用原子發射光譜法和化學成份分析法進行成份分析試驗，成份分析實驗可以直觀快捷的檢測出導線材質是否發生變化，導線腐蝕、電阻率下降等失效形式會出現導線成份變化現象；
[0063]③電化學腐蝕分析試驗，電化學腐蝕分析實驗可以判斷導線是否受到腐蝕及其耐腐蝕性能，具體步驟包括:
[0064]1、電化學腐蝕試驗準備，
[0065]4)在導線中切取4mm的鋼芯和鋁試樣毛坯；
[0066]5)用200、600、800號金相砂紙逐級將小圓柱的一端面打磨至光亮,將一粗銅導線與小圓柱未打磨一面用釺焊焊住，接著使用環氧樹脂將試樣與銅導線密封成一個圓柱型，小圓柱試樣只露出打磨過的一端；
[0067]6)用矽膠將金屬與環氧樹脂接觸的小圓周塗上狹窄的一圈，放乾燥皿裡晾乾、備用；
[0068]I1、試驗，
[0069]I)檢測實驗室的溫度保持在10°C—25°C，使設備遠離或隔離有腐蝕性氣體源，保證設備運行的平穩；
[0070]2)計算暴露出的金屬圓面積；
[0071]3)配製3.5% NaCl的模擬海水溶液，倒入乾淨的電解池中，在電解池中插入輔助電極和鹽橋，將參比電極浸入鹽橋中，最後將工作電極即製作好的帶粗銅導線試樣的圓柱端浸入電解池溶液中，使得圓柱端中暴露出的金屬面對準鹽橋出口，兩者間距大約為2mm左右；
[0072]4)接好三個電極與工作站的連線，接著打開電化學工作站的電源，打開電腦中與工作站對應的測試與分析軟體
[0073]5)進行開路電位的穩定測試，從菜單位置中找到「穩態測試」一「開路電位」，彈出菜單後設置測量時間為20分鐘，固定速率為IHz ；
[0074]6)開路電位測試後得到一個穩定的開路電位值，接著在菜單位置找到「穩態測試」一「動電位掃描」，掃描速率為0.2mv/s ；
[0075]④電鏡及能譜分析試驗，利用電鏡及能譜分析試驗，對導線失效部分進行點、線和區域分析，可取得斷裂源、腐蝕產物、第二相、晶界偏析等重要數據，使用高解析度、高放大倍數的掃描電鏡觀察斷口、腐蝕、磨損及組織中的微觀形貌，碳化物分布和形態，使用能譜儀對微區進行化學成份分析，確定分析區域中的化學成份，電鏡及能譜分析試驗能夠輔助分析腐蝕的原因，確定導線的微動磨損程度及材料腐蝕程度，具體試驗步驟為:
[0076]I)用體視顯微鏡觀測樣品表面的腐蝕情況，並拍攝照片；
[0077]2)使用無水乙醇、丙酮等有機試劑對樣品進行清洗；
[0078]3)使用掃描電子顯微鏡分別拍攝樣品表面腐蝕的二次電子圖像，並採集樣品表面腐蝕產物的X射線能譜，獲取表面的元素組分信息；
[0079]4)對樣品進行切割、鑲嵌、研磨、拋光，獲得樣品的拋光截面；
[0080]5)使用掃描電子顯微鏡拍攝樣品拋光截面不同放大倍數的背散射電子圖像，測量其腐蝕覆蓋物深度和基體遭受腐蝕的深度，並採集樣品表面腐蝕產物和深入基體腐蝕產物的X射線能譜，獲取元素組分信息；
[0081]6)在樣品的拋光截面上選取腐蝕較深的位置，採集X射線能譜面分布圖，獲取其重要化學元素的分布信息。
[0082]⑤電阻率試驗，電阻率的增加會使導線發熱，加速了導線的蠕變老化過程，使導線的性能降低，承受的應力增大，反之，應力增大又加劇了導線的蠕變，具體方法為:
[0083]1、試樣準備，從導線上取相同長度的若干根鋼芯和鋁合金試樣毛坯進行電阻率測量試驗；
[0084]I1、試驗方法步驟:
[0085]I)測量直徑:在垂直於試樣軸線的同一截面上，從相互垂直的方向上測量，每個試樣測量三次，各測量點之間的距離應不小於200mm，計算其算術平均值；
[0086]2)長度測量:測量試樣的長度，每個試樣測量三次，計算其算術平均值；
[0087]3)電阻測量:測量試樣的電阻，每個試樣測量三次，計算其算術平均值；
[0088]⑥拉伸試驗，拉伸試驗測定導線的機械性能指標是否符合設計要求，通過拉伸試驗，可得到導線的屈服強度、抗拉強度、彈性模量、斷面收縮率、和斷後伸長率，導線在常溫時的力學性能指標有疲勞性能、強度、塑性、韌性、硬度、斷裂韌性等，在拉伸試驗機上施加一個緩慢增加的拉力，試樣便隨著拉力的增加而變形，直至斷裂。抗拉強度為材料在拉伸斷裂前所能夠承受的最大拉應力，屈服強度為材料開始產生宏觀塑性變形時的應力，伸長率指材料受外力(拉力)作用斷裂時，試棒伸長的長度與原來長度的百分比，具體方法為:
[0089]1、試樣製備，試樣參考GB/T229-2010《中華人民共和國國家標準金屬材料室溫拉伸試驗方法》和GB/T4338-2006《中華人民共和國國家標準金屬材料高溫拉伸試驗方法》的要求製備導線樣品，在切線和準備過程中試件不應受損壞，把試樣從線軸上切下來之前，試樣的每端都要設置強力卡箍以防止絞線層間移動；
[0090]I1、試驗設備,力學拉伸試驗採用美國Instron公司生產的Instron-5848型微小力試驗機或其他同類型萬能試驗機，該試驗機的試驗系統主要配置如下:主機為兩立柱機架，可選擇立式或可臥式，具有手動調節和鎖緊橫梁、全數位化控制橫梁驅動控制系統，橫梁速度任意可調、整機全數位化閉環控制和試驗數據採集、全數位化位移及力值測量通道；電動缸行程100mm，並帶有高精度的位置傳感器，精度為I微米；系統單位可設置為國際單位、公制和英制且可相互轉換，並配有各種傳感器(2kN、100N、5N載荷傳感器和可變標距引伸計，標距為10、25、50mm等)，接觸式攝像引伸計，-70?250度高低溫箱，全數位化應變通道，程序控制、拉伸、壓縮、彎曲、剝離、摩擦試驗和高低周疲勞試驗軟體包，拉壓(手動楔型、齒型、氣動、拉伸杆、壓縮杆等)、三點彎曲、四點彎曲等多種夾具。
[0091]設備的主要技術指標如下:最大靜態載荷2kN(200公斤)，動載荷400N，最小靜態載荷為2mN(0.2克)，速度範圍:0.001-1500mm/min，試驗空間600mm，動態頻率為1Hz ；
[0092](3)綜合以上各項試驗結果，分析導線失效的主要原因，得出結論並出具失效分析?艮告。
【權利要求】
1.一種電力系統鋼芯鋁絞線失效分析方法，其特徵在於包括步驟如下: (1)收集技術資料； (2)檢查與分析試驗，分為宏觀檢查、成份分析、電化學腐蝕分析、電鏡及能譜分析、電阻率試驗及拉伸試驗，每個試驗項目的具體方法為: ①宏觀檢查，宏觀檢查以肉眼檢查為主，同時採用10倍以下的放大鏡和80倍以下的雙筒體視顯微鏡進行觀察，觀察導線失效處形貌、導線磨損及腐蝕情況； ②成份分析試驗，使用原子發射光譜法和化學成份分析法進行成份分析試驗，直觀快捷的檢測出導線材質是否發生變化、導線腐蝕、電阻率下降現象； ③電化學腐蝕分析試驗，判斷導線是否受到腐蝕及其耐腐蝕性能； ④電鏡及能譜分析試驗，利用電鏡及能譜分析試驗，對導線失效部分進行點、線和區域分析，取得斷裂源、腐蝕產物、第二相、晶界偏析的數據，使用高解析度、高放大倍數的掃描電鏡觀察斷口、腐蝕、磨損及組織中的微觀形貌、碳化物分布和形態；使用能譜儀對微區進行化學成份分析，確定分析區域中的化學成份，輔助分析腐蝕的原因，確定導線的微動磨損程度及材料腐蝕程度； ⑤電阻率試驗； ⑥拉伸試驗，通過拉伸試驗，得到導線的屈服強度、抗拉強度、彈性模量、斷面收縮率、和斷後伸長率，測定導線的機械性能指標是否符合設計要求； (3)綜合以上各項試驗結果，分析導線失效的原因，得出結論並出具失效分析結果。
2.根據權利要求1所述的電力系統鋼芯鋁絞線失效分析方法，其特徵在於:所述步驟(1)的收集技術資料包括的內容有: ①設計資料收集:導線材料的技術要求，製造及處理工藝，失效位置，導線的型號、主要參數，出廠資料，檢驗記錄； ②服役情況收集:了解導線的服役時間，運行參數，以往的失效原因及更換情況，環境細節； ③現場調研數據收集:了解失效前夕和失效發生時的運行工況有無變化，失效時導線有無異常振動、電參數有無明顯變化； ④取樣收集:對導線失效部位進行保護，詳細記錄事故現場和導線失效情況，對失效細節應特別注意。
3.根據權利要求1所述的電力系統鋼芯鋁絞線失效分析方法，其特徵在於:所述步驟(2)中③步的電化學腐蝕分析試驗具體步驟包括: 1、電化學腐蝕試驗準備， 1)在導線中切取4mm的鋼芯和鋁試樣毛坯； 2)用200、600、800號金相砂紙逐級將小圓柱的一端面打磨至光亮，將一粗銅導線與小圓柱未打磨一面用釺焊焊住，接著使用環氧樹脂將試樣與銅導線密封成一個圓柱型，小圓柱試樣只露出打磨過的一端； 3)用矽膠將金屬與環氧樹脂接觸的小圓周塗上狹窄的一圈，放乾燥皿裡晾乾、備用； I1、試驗， I)檢測實驗室的溫度保持在10°c—25°C，使設備遠離或隔離有腐蝕性氣體源，保證設備運行的平穩； 2)計算暴露出的金屬圓面積； 3)配製3.5% NaCl的模擬海水溶液，倒入乾淨的電解池中，在電解池中插入輔助電極和鹽橋，將參比電極浸入鹽橋中，最後將工作電極即製作好的帶粗銅導線試樣的圓柱端浸入電解池溶液中，使得圓柱端中暴露出的金屬面對準鹽橋出口，兩者間距大約為2_左右； 4)接好三個電極與工作站的連線，接著打開電化學工作站的電源，打開電腦中與工作站對應的測試與分析軟體； 5)進行開路電位的穩定測試，固定速率為IHz； 6)開路電位測試後得到一個穩定的開路電位值，掃描速率為0.2mv/s。
4.根據權利要求1所述的電力系統鋼芯鋁絞線失效分析方法，其特徵在於:所述步驟(2)中④電鏡及能譜分析試驗的具體試驗步驟為: 1)用體視顯微鏡觀測樣品表面的腐蝕情況，並拍攝照片； 2)使用無水乙醇、丙酮等有機試劑對樣品進行清洗； 3)使用掃描電子顯微鏡分別拍攝樣品表面腐蝕的二次電子圖像，並採集樣品表面腐蝕產物的X射線能譜，獲取表面的元素組分信息； 4)對樣品進行切割、鑲嵌、研磨、拋光，獲得樣品的拋光截面； 5)使用掃描電子顯微鏡拍攝樣品拋光截面不同放大倍數的背散射電子圖像，測量其腐蝕覆蓋物深度和基體遭受腐蝕的深度，並採集樣品表面腐蝕產物和深入基體腐蝕產物的X射線能譜，獲取元素組分信息； 6)在樣品的拋光截面上選取腐蝕較深的位置，採集X射線能譜面分布圖，獲取其重要化學元素的分布信息。
5.根據權利要求1所述的電力系統鋼芯鋁絞線失效分析方法，其特徵在於:所述步驟(2)中⑤電阻率試驗的具體方法為: 1、試樣準備，從導線上取相同長度的若干根鋼芯和鋁合金試樣毛坯進行電阻率測量試驗; I1、試驗方法步驟: 1)測量直徑:在垂直於試樣軸線的同一截面上，從相互垂直的方向上測量，每個試樣測量三次，各測量點之間的距離應不小於200mm，計算其算術平均值； 2)長度測量:測量試樣的長度，每個試樣測量三次，計算其算術平均值； 3)電阻測量:測量試樣的電阻，每個試樣測量三次，計算其算術平均值。
6.根據權利要求1所述的電力系統鋼芯鋁絞線失效分析方法，其特徵在於:所述步驟(2)中⑥拉伸試驗的具體方法為: I、試樣製備，根據要求製備導線樣品，試樣的每端都要設置強力卡箍以防止絞線層間移動； I1、試驗設備,力學拉伸試驗採用Instron-5848型微小力試驗機,按相關試驗步驟進行。
【文檔編號】G01N3/00GK104166068SQ201410386890
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月7日 優先權日:2014年8月7日
【發明者】葉芳, 馬崇, 程明, 陳韶瑜, 李慶釗 申請人:國家電網公司, 國網天津市電力公司