电力系统钢芯铝绞线失效分析方法
【专利摘要】本发明涉及一种电力系统钢芯铝绞线失效分析方法，包括步骤有：(1)收集技术资料；(2)检查与分析试验，分为宏观检查、成份分析、电化学腐蚀分析、电镜及能谱分析、电阻率试验及拉伸试验；(3)综合以上各项试验结果，分析导线失效的原因，得出结论并出具失效分析结果。本发明方法作为监督检验工作的指导，在导线发生失效时能快速的判别其失效类型，查明事故原因。
【专利说明】电力系统钢芯铝绞线失效分析方法
【技术领域】
[0001]本发明电力系统钢芯铝绞线【技术领域】，尤其是一种电力系统钢芯铝绞线失效分析方法。
【背景技术】
[0002]导线断裂失效是电网安全的大敌，对电网的电力传输造成极大经济损失，对电力系统一次、二次设备均造成了很大冲击，而且更换导线需要大量的时间及人力物力。目前对导线还没有完善的监督检查方法，仅限于外观检查、成份分析等试验，随着电压等级升高，对导线载流、受力等要求均大大提高，传统检测模式逐渐不能满足需要。通过对各种类型导线进行全面的分析试验，掌握导线的表面特征、组织特性、力学性能、材质老化现象、腐蚀、疲劳等特点，形成导线寿命的评价模式，有的放矢的进行监督检验工作。
[0003]架空导线是高压输电线路的主体，目前，国内外高压输配电网架空导线主要是钢芯铝绞导线。架空导线已服役25-40年，处于其寿命的中期。由于架空导线长期处于野外露天之下，经受风、雨、冰雪等恶劣的自然条件，容易发生各种事故，在役架空导线的维护、更新任务繁重，如何对在役架空导线的运行状况进行科学评估，对剩余寿命进行合理预测显得十分重要，成为输电工程及相关领域的一个研究热点。
[0004]钢芯铝绞线(ACSR)导线是由内、外层铝线及镀锌钢芯线绞合在一起的一种复合结构。经大气腐蚀及微动磨损后，ACSR导线的力学性能和电气性能均降低，历经年复一年的积累，可能导致线路断股、断线、甚至停电事故的发生，造成不可估量的损失。ACSR导线的损坏主要源于:1、导线的质量缺陷导致早期失效，主要为:(1)导线表面油污、(2)导线过扭、⑶单线断裂、⑷单线或导线的表面擦伤、(5)单线骑马(跳线)、(6)单线拱起、(7)灯笼状导线、(8)蛇型弯及(9)绞合松股；2、导线的腐蚀损伤；3、导线的微动损伤，主要为:
(I)，导线的舞动损伤、(2)导线的次挡距振动损伤及(3)导线的微风振动损伤；4、导线的蠕变损伤。
[0005]导线由于设计、制造、安装、运行、检修、管理方面的问题以及长期在烈日、冰雪、强风、油污、海水等恶劣条件下运行造成断裂失效，制定技术方案，进行各项试验，对导线性能变化进行研究，归纳出导线的质量缺陷导致的失效，针对不同失效形式的导线进行失效分析，确定其失效原因，预防失效的再次发生，对于保障电网安全有极大的经济效益。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种电力系统钢芯铝绞线失效分析方法。
[0007]本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的:
[0008]一种电力系统钢芯铝绞线失效分析方法，包括步骤如下:
[0009](I)收集技术资料；
[0010](2)检查与分析试验，分为宏观检查、成份分析、电化学腐蚀分析、电镜及能谱分析、电阻率试验及拉伸试验，每个试验项目的具体方法为:
[0011]①宏观检查，宏观检查以肉眼检查为主，同时采用10倍以下的放大镜和80倍以下的双筒体视显微镜进行观察，观察导线失效处形貌、导线磨损及腐蚀情况；
[0012]②成份分析试验，使用原子发射光谱法和化学成份分析法进行成份分析试验，直观快捷的检测出导线材质是否发生变化、导线腐蚀、电阻率下降现象；
[0013]③电化学腐蚀分析试验，判断导线是否受到腐蚀及其耐腐蚀性能；
[0014]④电镜及能谱分析试验，利用电镜及能谱分析试验，对导线失效部分进行点、线和区域分析，取得断裂源、腐蚀产物、第二相、晶界偏析的数据，使用高分辨率、高放大倍数的扫描电镜观察断口、腐蚀、磨损及组织中的微观形貌、碳化物分布和形态；使用能谱仪对微区进行化学成份分析，确定分析区域中的化学成份，辅助分析腐蚀的原因，确定导线的微动磨损程度及材料腐蚀程度；
[0015]⑤电阻率试验；
[0016]⑥拉伸试验，通过拉伸试验，得到导线的屈服强度、抗拉强度、弹性模量、断面收缩率、和断后伸长率，测定导线的机械性能指标是否符合设计要求；
[0017](3)综合以上各项试验结果，分析导线失效的原因，得出结论并出具失效分析结果O
[0018]而且，所述步骤(I)的收集技术资料包括的内容有:
[0019]①设计资料收集:导线材料的技术要求，制造及处理工艺，失效位置，导线的型号、主要参数，出厂资料，检验记录；
[0020]②服役情况收集:了解导线的服役时间，运行参数，以往的失效原因及更换情况，环境细节；
[0021]③现场调研数据收集:了解失效前夕和失效发生时的运行工况有无变化，失效时导线有无异常振动、电参数有无明显变化；
[0022]④取样收集:对导线失效部位进行保护，详细记录事故现场和导线失效情况，对失效细节应特别注意。
[0023]而且，所述步骤(2)中③步的电化学腐蚀分析试验具体步骤包括:
[0024]1、电化学腐蚀试验准备，
[0025]I)在导线中切取4mm的钢芯和铝试样毛坯；
[0026]2)用200、600、800号金相砂纸逐级将小圆柱的一端面打磨至光亮，将一粗铜导线与小圆柱未打磨一面用钎焊焊住，接着使用环氧树脂将试样与铜导线密封成一个圆柱型，小圆柱试样只露出打磨过的一端；
[0027]3)用硅胶将金属与环氧树脂接触的小圆周涂上狭窄的一圈，放干燥皿里晾干、备用；
[0028]I1、试验，
[0029]I)检测实验室的温度保持在10°C—25°C，使设备远离或隔离有腐蚀性气体源，保证设备运行的平稳；
[0030]2)计算暴露出的金属圆面积；
[0031]3)配制3.5% NaCl的模拟海水溶液，倒入干净的电解池中，在电解池中插入辅助电极和盐桥，将参比电极浸入盐桥中，最后将工作电极即制作好的带粗铜导线试样的圆柱端浸入电解池溶液中，使得圆柱端中暴露出的金属面对准盐桥出口，两者间距大约为2mm左右；
[0032]4)接好三个电极与工作站的连线，接着打开电化学工作站的电源，打开电脑中与工作站对应的测试与分析软件；
[0033]5)进行开路电位的稳定测试，固定速率为IHz ；
[0034]6)开路电位测试后得到一个稳定的开路电位值，扫描速率为0.2mv/s ；
[0035]而且，所述步骤(2)中④电镜及能谱分析试验的具体试验步骤为:
[0036]I)用体视显微镜观测样品表面的腐蚀情况，并拍摄照片；
[0037]2)使用无水乙醇、丙酮等有机试剂对样品进行清洗；
[0038]3)使用扫描电子显微镜分别拍摄样品表面腐蚀的二次电子图像，并采集样品表面腐蚀产物的X射线能谱，获取表面的元素组分信息；
[0039]4)对样品进行切割、镶嵌、研磨、抛光，获得样品的抛光截面；
[0040]5)使用扫描电子显微镜拍摄样品抛光截面不同放大倍数的背散射电子图像，测量其腐蚀覆盖物深度和基体遭受腐蚀的深度，并采集样品表面腐蚀产物和深入基体腐蚀产物的X射线能谱，获取元素组分信息；
[0041]6)在样品的抛光截面上选取腐蚀较深的位置，采集X射线能谱面分布图，获取其重要化学元素的分布信息。
[0042]而且，所述步骤(2)中⑤电阻率试验的具体方法为:
[0043]1、试样准备，从导线上取相同长度的若干根钢芯和铝合金试样毛坯进行电阻率测量试验；
[0044]I1、试验方法步骤:
[0045]I)测量直径:在垂直于试样轴线的同一截面上，从相互垂直的方向上测量，每个试样测量三次，各测量点之间的距离应不小于200mm，计算其算术平均值；
[0046]2)长度测量:测量试样的长度，每个试样测量三次，计算其算术平均值；
[0047]3)电阻测量:测量试样的电阻，每个试样测量三次，计算其算术平均值。
[0048]而且，所述步骤(2)中⑥拉伸试验的具体方法为:
[0049]1、试样制备，根据要求制备导线样品，试样的每端都要设置强力卡箍以防止绞线层间移动；
[0050]I1、试验设备,力学拉伸试验采用Instron-5848型微小力试验机,按相关试验步骤进行。
[0051 ] 本发明的优点和积极效果是:
[0052]本发明方法作为监督检验工作的指导，在导线发生失效时能快速的判别其失效类型，查明事故原因。
【具体实施方式】
[0053]以下对本发明实施做进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
[0054]一种电力系统钢芯铝绞线失效分析方法，该方法步骤如下:
[0055](I)收集技术资料，主要包括的内容有:
[0056]①设计资料收集:导线材料的技术要求，制造及处理工艺，失效位置，导线的型号、主要参数，出厂资料，检验记录；
[0057]②服役情况收集:了解导线的服役时间，运行参数，以往的失效原因及更换情况，环境细节；
[0058]③现场调研数据收集:了解失效前夕和失效发生时的运行工况有无变化，失效时导线有无异常振动、电参数有无明显变化；
[0059]④取样收集:对导线失效部位进行保护，详细记录事故现场和导线失效情况，对失效细节应特别注意。
[0060](2)检查与分析试验，分为宏观检查、成份分析、电化学腐蚀分析、电镜及能谱分析、电阻率试验及拉伸试验，共六个实验项目，每个试验项目的具体方法为:
[0061]①宏观检查，宏观检查以肉眼检查为主，并可采用10倍以下的放大镜和80倍以下的双筒体视显微镜进行观察，观察导线失效处形貌、导线磨损、腐蚀等情况，宏观检查为后续其他分析做准备，由此可以得到导线失效的第一手资料，质量缺陷及较严重的微动损伤等导线失效形式一般可通过宏观检查发现；
[0062]②成份分析试验，可使用原子发射光谱法和化学成份分析法进行成份分析试验，成份分析实验可以直观快捷的检测出导线材质是否发生变化，导线腐蚀、电阻率下降等失效形式会出现导线成份变化现象；
[0063]③电化学腐蚀分析试验，电化学腐蚀分析实验可以判断导线是否受到腐蚀及其耐腐蚀性能，具体步骤包括:
[0064]1、电化学腐蚀试验准备，
[0065]4)在导线中切取4mm的钢芯和铝试样毛坯；
[0066]5)用200、600、800号金相砂纸逐级将小圆柱的一端面打磨至光亮,将一粗铜导线与小圆柱未打磨一面用钎焊焊住，接着使用环氧树脂将试样与铜导线密封成一个圆柱型，小圆柱试样只露出打磨过的一端；
[0067]6)用硅胶将金属与环氧树脂接触的小圆周涂上狭窄的一圈，放干燥皿里晾干、备用；
[0068]I1、试验，
[0069]I)检测实验室的温度保持在10°C—25°C，使设备远离或隔离有腐蚀性气体源，保证设备运行的平稳；
[0070]2)计算暴露出的金属圆面积；
[0071]3)配制3.5% NaCl的模拟海水溶液，倒入干净的电解池中，在电解池中插入辅助电极和盐桥，将参比电极浸入盐桥中，最后将工作电极即制作好的带粗铜导线试样的圆柱端浸入电解池溶液中，使得圆柱端中暴露出的金属面对准盐桥出口，两者间距大约为2mm左右；
[0072]4)接好三个电极与工作站的连线，接着打开电化学工作站的电源，打开电脑中与工作站对应的测试与分析软件
[0073]5)进行开路电位的稳定测试，从菜单位置中找到“稳态测试”一“开路电位”，弹出菜单后设置测量时间为20分钟，固定速率为IHz ；
[0074]6)开路电位测试后得到一个稳定的开路电位值，接着在菜单位置找到“稳态测试”一“动电位扫描”，扫描速率为0.2mv/s ；
[0075]④电镜及能谱分析试验，利用电镜及能谱分析试验，对导线失效部分进行点、线和区域分析，可取得断裂源、腐蚀产物、第二相、晶界偏析等重要数据，使用高分辨率、高放大倍数的扫描电镜观察断口、腐蚀、磨损及组织中的微观形貌，碳化物分布和形态，使用能谱仪对微区进行化学成份分析，确定分析区域中的化学成份，电镜及能谱分析试验能够辅助分析腐蚀的原因，确定导线的微动磨损程度及材料腐蚀程度，具体试验步骤为:
[0076]I)用体视显微镜观测样品表面的腐蚀情况，并拍摄照片；
[0077]2)使用无水乙醇、丙酮等有机试剂对样品进行清洗；
[0078]3)使用扫描电子显微镜分别拍摄样品表面腐蚀的二次电子图像，并采集样品表面腐蚀产物的X射线能谱，获取表面的元素组分信息；
[0079]4)对样品进行切割、镶嵌、研磨、抛光，获得样品的抛光截面；
[0080]5)使用扫描电子显微镜拍摄样品抛光截面不同放大倍数的背散射电子图像，测量其腐蚀覆盖物深度和基体遭受腐蚀的深度，并采集样品表面腐蚀产物和深入基体腐蚀产物的X射线能谱，获取元素组分信息；
[0081]6)在样品的抛光截面上选取腐蚀较深的位置，采集X射线能谱面分布图，获取其重要化学元素的分布信息。
[0082]⑤电阻率试验，电阻率的增加会使导线发热，加速了导线的蠕变老化过程，使导线的性能降低，承受的应力增大，反之，应力增大又加剧了导线的蠕变，具体方法为:
[0083]1、试样准备，从导线上取相同长度的若干根钢芯和铝合金试样毛坯进行电阻率测量试验；
[0084]I1、试验方法步骤:
[0085]I)测量直径:在垂直于试样轴线的同一截面上，从相互垂直的方向上测量，每个试样测量三次，各测量点之间的距离应不小于200mm，计算其算术平均值；
[0086]2)长度测量:测量试样的长度，每个试样测量三次，计算其算术平均值；
[0087]3)电阻测量:测量试样的电阻，每个试样测量三次，计算其算术平均值；
[0088]⑥拉伸试验，拉伸试验测定导线的机械性能指标是否符合设计要求，通过拉伸试验，可得到导线的屈服强度、抗拉强度、弹性模量、断面收缩率、和断后伸长率，导线在常温时的力学性能指标有疲劳性能、强度、塑性、韧性、硬度、断裂韧性等，在拉伸试验机上施加一个缓慢增加的拉力，试样便随着拉力的增加而变形，直至断裂。抗拉强度为材料在拉伸断裂前所能够承受的最大拉应力，屈服强度为材料开始产生宏观塑性变形时的应力，伸长率指材料受外力(拉力)作用断裂时，试棒伸长的长度与原来长度的百分比，具体方法为:
[0089]1、试样制备，试样参考GB/T229-2010《中华人民共和国国家标准金属材料室温拉伸试验方法》和GB/T4338-2006《中华人民共和国国家标准金属材料高温拉伸试验方法》的要求制备导线样品，在切线和准备过程中试件不应受损坏，把试样从线轴上切下来之前，试样的每端都要设置强力卡箍以防止绞线层间移动；
[0090]I1、试验设备,力学拉伸试验采用美国Instron公司生产的Instron-5848型微小力试验机或其他同类型万能试验机，该试验机的试验系统主要配置如下:主机为两立柱机架，可选择立式或可卧式，具有手动调节和锁紧横梁、全数字化控制横梁驱动控制系统，横梁速度任意可调、整机全数字化闭环控制和试验数据采集、全数字化位移及力值测量通道；电动缸行程100mm，并带有高精度的位置传感器，精度为I微米；系统单位可设置为国际单位、公制和英制且可相互转换，并配有各种传感器(2kN、100N、5N载荷传感器和可变标距引伸计，标距为10、25、50mm等)，接触式摄像引伸计，-70?250度高低温箱，全数字化应变通道，程序控制、拉伸、压缩、弯曲、剥离、摩擦试验和高低周疲劳试验软件包，拉压(手动楔型、齿型、气动、拉伸杆、压缩杆等)、三点弯曲、四点弯曲等多种夹具。
[0091]设备的主要技术指标如下:最大静态载荷2kN(200公斤)，动载荷400N，最小静态载荷为2mN(0.2克)，速度范围:0.001-1500mm/min，试验空间600mm，动态频率为1Hz ；
[0092](3)综合以上各项试验结果，分析导线失效的主要原因，得出结论并出具失效分析?艮告。
【权利要求】
1.一种电力系统钢芯铝绞线失效分析方法，其特征在于包括步骤如下: (1)收集技术资料； (2)检查与分析试验，分为宏观检查、成份分析、电化学腐蚀分析、电镜及能谱分析、电阻率试验及拉伸试验，每个试验项目的具体方法为: ①宏观检查，宏观检查以肉眼检查为主，同时采用10倍以下的放大镜和80倍以下的双筒体视显微镜进行观察，观察导线失效处形貌、导线磨损及腐蚀情况； ②成份分析试验，使用原子发射光谱法和化学成份分析法进行成份分析试验，直观快捷的检测出导线材质是否发生变化、导线腐蚀、电阻率下降现象； ③电化学腐蚀分析试验，判断导线是否受到腐蚀及其耐腐蚀性能； ④电镜及能谱分析试验，利用电镜及能谱分析试验，对导线失效部分进行点、线和区域分析，取得断裂源、腐蚀产物、第二相、晶界偏析的数据，使用高分辨率、高放大倍数的扫描电镜观察断口、腐蚀、磨损及组织中的微观形貌、碳化物分布和形态；使用能谱仪对微区进行化学成份分析，确定分析区域中的化学成份，辅助分析腐蚀的原因，确定导线的微动磨损程度及材料腐蚀程度； ⑤电阻率试验； ⑥拉伸试验，通过拉伸试验，得到导线的屈服强度、抗拉强度、弹性模量、断面收缩率、和断后伸长率，测定导线的机械性能指标是否符合设计要求； (3)综合以上各项试验结果，分析导线失效的原因，得出结论并出具失效分析结果。
2.根据权利要求1所述的电力系统钢芯铝绞线失效分析方法，其特征在于:所述步骤(1)的收集技术资料包括的内容有: ①设计资料收集:导线材料的技术要求，制造及处理工艺，失效位置，导线的型号、主要参数，出厂资料，检验记录； ②服役情况收集:了解导线的服役时间，运行参数，以往的失效原因及更换情况，环境细节； ③现场调研数据收集:了解失效前夕和失效发生时的运行工况有无变化，失效时导线有无异常振动、电参数有无明显变化； ④取样收集:对导线失效部位进行保护，详细记录事故现场和导线失效情况，对失效细节应特别注意。
3.根据权利要求1所述的电力系统钢芯铝绞线失效分析方法，其特征在于:所述步骤(2)中③步的电化学腐蚀分析试验具体步骤包括: 1、电化学腐蚀试验准备， 1)在导线中切取4mm的钢芯和铝试样毛坯； 2)用200、600、800号金相砂纸逐级将小圆柱的一端面打磨至光亮，将一粗铜导线与小圆柱未打磨一面用钎焊焊住，接着使用环氧树脂将试样与铜导线密封成一个圆柱型，小圆柱试样只露出打磨过的一端； 3)用硅胶将金属与环氧树脂接触的小圆周涂上狭窄的一圈，放干燥皿里晾干、备用； I1、试验， I)检测实验室的温度保持在10°c—25°C，使设备远离或隔离有腐蚀性气体源，保证设备运行的平稳； 2)计算暴露出的金属圆面积； 3)配制3.5% NaCl的模拟海水溶液，倒入干净的电解池中，在电解池中插入辅助电极和盐桥，将参比电极浸入盐桥中，最后将工作电极即制作好的带粗铜导线试样的圆柱端浸入电解池溶液中，使得圆柱端中暴露出的金属面对准盐桥出口，两者间距大约为2_左右； 4)接好三个电极与工作站的连线，接着打开电化学工作站的电源，打开电脑中与工作站对应的测试与分析软件； 5)进行开路电位的稳定测试，固定速率为IHz； 6)开路电位测试后得到一个稳定的开路电位值，扫描速率为0.2mv/s。
4.根据权利要求1所述的电力系统钢芯铝绞线失效分析方法，其特征在于:所述步骤(2)中④电镜及能谱分析试验的具体试验步骤为: 1)用体视显微镜观测样品表面的腐蚀情况，并拍摄照片； 2)使用无水乙醇、丙酮等有机试剂对样品进行清洗； 3)使用扫描电子显微镜分别拍摄样品表面腐蚀的二次电子图像，并采集样品表面腐蚀产物的X射线能谱，获取表面的元素组分信息； 4)对样品进行切割、镶嵌、研磨、抛光，获得样品的抛光截面； 5)使用扫描电子显微镜拍摄样品抛光截面不同放大倍数的背散射电子图像，测量其腐蚀覆盖物深度和基体遭受腐蚀的深度，并采集样品表面腐蚀产物和深入基体腐蚀产物的X射线能谱，获取元素组分信息； 6)在样品的抛光截面上选取腐蚀较深的位置，采集X射线能谱面分布图，获取其重要化学元素的分布信息。
5.根据权利要求1所述的电力系统钢芯铝绞线失效分析方法，其特征在于:所述步骤(2)中⑤电阻率试验的具体方法为: 1、试样准备，从导线上取相同长度的若干根钢芯和铝合金试样毛坯进行电阻率测量试验; I1、试验方法步骤: 1)测量直径:在垂直于试样轴线的同一截面上，从相互垂直的方向上测量，每个试样测量三次，各测量点之间的距离应不小于200mm，计算其算术平均值； 2)长度测量:测量试样的长度，每个试样测量三次，计算其算术平均值； 3)电阻测量:测量试样的电阻，每个试样测量三次，计算其算术平均值。
6.根据权利要求1所述的电力系统钢芯铝绞线失效分析方法，其特征在于:所述步骤(2)中⑥拉伸试验的具体方法为: I、试样制备，根据要求制备导线样品，试样的每端都要设置强力卡箍以防止绞线层间移动； I1、试验设备,力学拉伸试验采用Instron-5848型微小力试验机,按相关试验步骤进行。
【文档编号】G01N3/00GK104166068SQ201410386890
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年8月7日 优先权日:2014年8月7日
【发明者】叶芳, 马崇, 程明, 陈韶瑜, 李庆钊 申请人:国家电网公司, 国网天津市电力公司