图 1OPGW线夹断裂现场
光纤复合架空地线（OPGW）是一种35 kV及以上电压等级输电线路上使用的新型架空地线，不仅具有防雷功能，还能实现信息传输，在我国电力系统中得到了广泛应用[1-5]。
架设在野外高空区域的架空输电线路长期暴露于雨水、冰冻、大风、雷电及污染物等恶劣气候环境中[6-8]，这些因素会加速设备的腐蚀，不仅缩短了设备的使用寿命，还可能引发过载荷、跳闸等故障，甚至导致线路断线、铁塔倒塌等严重事故，进而威胁电网的安全运行[9-14]。
在一轮降雪冰冻天气中，某500 kV输电线路的58号铁塔发生了OPGW线夹断裂故障（见图1），OPGW因此跌落至铁塔横担并引发了放电跳闸。该线夹材料为YL112压铸铝合金，已服役近17 a。故障发生时，现场气象条件极为恶劣，出现严重冻雨，温度为－2~0 ℃，风速为1 m/s。实测结果显示，故障发生时该线夹所连接的OPGW覆冰厚度达30 mm。
1. 理化检验
1.1 宏观观察
该线夹外观存在大面积腐蚀发黑痕迹，套壳底部轴销结构附近有两处断裂位置（见图2）。两处断口的宏观形貌分别如图3和图4所示。由图3~4可知：断面崭新且无陈旧痕迹；在轴销结构与套壳连接部位的断口（断裂位置1）上观察到孔洞，同时存在撕裂棱线，根据棱线走向可判断断裂源于连接部位的内部孔洞，而在线夹套壳出口侧断口（断裂位置2）上未发现明显的裂纹源区。
1.2 化学成分分析
采用光谱分析法对断裂线夹套壳进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：断裂夹套壳的化学成分中Cu元素质量分数低于标准GB/T15115—2009《压铸铝合金》对YL112铝合金的要求。
Table 1.线夹套壳的化学成分分析结果
1.3 金相检验
在线夹套壳上截取平整部位，将其打磨、抛光、腐蚀（以氢氟酸、盐酸和硝酸溶于水得到的混合酸溶液为腐蚀溶液），以制备成试样，再将其置于光学显微镜下观察，结果如图5所示。由图5可知：试样中合金组织主要由先析α-Al和共晶硅组成[15-16]；组织中共晶硅为粗大的针片状结构，沿着α-Al枝晶密集分布，割裂基体，表明铝合金未做变质处理；部分α-Al与共晶硅交界处存在析出的第二相。
1.4 力学性能测试
对线夹套壳进行抗拉强度测试，结果如表2所示。由表2可知：5个试样的抗拉强度为158~217 MPa，表明线夹服役17 a后的抗拉强度已不符合GB/T 15114—2023《铝合金压铸件》中YL112铝合金抗拉强度不小于320 MPa的要求。
Table 2.线夹套壳抗拉强度测试结果
对线夹套壳进行硬度测试，一共测试5个点，结果分别为103，103，102，101，101 HBW，平均值为102 HBW，满足标准GB/T 15114—2023中硬度不小于85 HBW的要求。
1.5 扫描电镜（SEM）分析
在断裂源附近断口截取试样，将其置于扫描电镜下观察，结果如图6所示。由图6可知：断面上存在直径为50~200 μm的微孔，推测微孔是铝合金铸造过程中工艺不良导致的[17]；断口组织呈韧窝特征，由此可推断其断裂模式为韧性断裂[18]。
2. 综合分析
根据故障时的覆冰情况以及故障区段档距、OPGW型号等数据，使用有限元分析软件对该输电线路58~60号档段OPGW及线夹的受力情况进行仿真，受力云图如图7所示。由图7可知：58号铁塔断裂线夹受到的拉应力为47.1 kN，达到该金具设计破坏载荷的67.3%。
根据载荷计算结果，故障时OPGW施加在线夹上的拉应力未达到破坏载荷，因此该线夹断裂原因主要是材料存在缺陷。
该线夹受腐蚀影响附着了黑色氧化物，其底部为可打开的轴销结构，套壳至轴销的连接处存在变截面应力集中区域，为线夹受力薄弱部位。套壳Cu元素含量偏低，化学成分不符合标准要求。YL112铝合金中的Cu元素固溶于Al形成CuAl2，并与α-Al和Si共同构成共晶体，可显著提升铝合金的强度[19]。缺少Cu元素会使CuAl2的含量降低，对铝合金的强度产生不利影响。
线夹显微组织中析出的第二相主要成分为Al-CuAl2-Si，该第二相在铝合金内部组织中会降低材料的耐腐蚀性能，且第二相周围通常是易腐蚀的位置。线夹在服役过程中，受气候、环境污染物、金属表面状态、承受载荷等因素的影响逐渐发生腐蚀，合金经磨损或与腐蚀介质发生化学反应后出现元素流失，其中Cu元素含量降低尤为明显，已不满足标准要求，同时材料抗拉强度下降。此外，铝合金组织中大量未变质的针片状共晶硅结构不均匀地分布于基体上，作为与铝基体结构差异较大的强化相，在施加荷载时，其针尖、边角等部位会割裂基体，为裂纹源的萌生及裂纹的发展提供条件[20]。
断口线夹内部存在孔洞，材料疏松，有助于裂纹的进一步扩展，说明套壳在压铸过程中除气、除渣等关键工艺环节技术水平较低[21]。采用数字射线成像仪分别对断裂线夹和锻造铝合金线夹进行射线检测，发现相比于断裂铸造铝合金线夹气孔密集的情况，锻造铝合金线夹的内部组织均匀且密实，不存在明显气孔。
3. 结语与建议
OPGW线夹断裂的主要原因是：线夹在长期运行过程中受腐蚀作用的影响，材料的抗拉强度下降；当受到OPGW覆冰载荷时，线夹受力薄弱部位未变质，共晶硅强化相的针尖、边角会加剧应力集中并使材料产生裂纹源，而铝合金的强化相与铸造孔洞又为裂纹扩展提供了通道，最终导致线夹断裂。对此提出如下建议：对近期覆冰厚度超过设计覆冰厚度的220 kV及以上输电线路开展一次无人机精巡全线排查，及时发现线路缺陷，重点加强覆冰金具受损情况的监测，若发现金具损伤，需尽快采取检修措施或带电消缺，防止发生二次事故；强化设备入网质量检测，鉴于输电线路使用的压铸铝合金线夹质量普遍较差，应结合专项抽检，以及时发现质量不过关的产品，同时建议500 kV及以上线路与220 kV重冰区线路的铝合金线夹套壳材料选用性能更优的锻造铝合金；严格执行输电线路金具的安装与检修工艺，强化施工人员能力培训，严格遵循正确操作流程，落实关键技术环节，确保金具安装位置正确。
来源--材料与测试网