趙書杰， 呂中賓， 楊曉輝，賈 迪， 張希希， 劉澤輝

(1． 國網(wǎng)輸電線路舞動(dòng)防治技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院), 河南 鄭州 450052；2． 中國能源建設(shè)集團(tuán)南京線路器材有限公司，江蘇 南京 211514;3. 潤電能源科學(xué)技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450052)

0 引言

舞動(dòng)[1-3]是冬季影響輸電線路安全運(yùn)行的主要因素，舞動(dòng)除引起線路電氣跳閘外，還可能造成線路金具受損或塔線結(jié)構(gòu)破壞等難以直接恢復(fù)的事故。分裂導(dǎo)線間隔棒是架空輸電線路必不可少的防護(hù)金具[4-6]，作用是在正常運(yùn)行情況下保持分裂導(dǎo)線的幾何形狀，限制子導(dǎo)線之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。由于長期掛網(wǎng)使用和振動(dòng)疲勞，尤其在舞動(dòng)多發(fā)地區(qū)，間隔棒可能出現(xiàn)框板扭曲變形、阻尼關(guān)節(jié)失效、螺栓松脫、連接處磨損甚至撕裂等問題，造成防舞裝置連接失效，間隔棒附近導(dǎo)線磨損、斷股甚至斷線，給線路安全運(yùn)行帶來極大隱患。

眾多電力工作者針對(duì)輸電線路間隔棒出現(xiàn)的故障進(jìn)行研究并提出了對(duì)應(yīng)的改進(jìn)措施。胡建平等[7]分析了間隔棒的常見故障，利用有限元法對(duì)間隔棒在線路正常運(yùn)行、短路、不均勻覆冰3種工況下的受力狀態(tài)、應(yīng)力分布等力學(xué)性能進(jìn)行仿真，通過模態(tài)分析計(jì)算間隔棒振動(dòng)時(shí)的固有頻率，指出間隔棒線夾是易發(fā)生故障的部位，風(fēng)致振動(dòng)和應(yīng)力集中產(chǎn)生的疲勞是引起間隔棒機(jī)械破壞的最主要因素，但沒有提出具體改進(jìn)措施。程學(xué)啟等[8]分析了相間間隔棒串型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)容易發(fā)生破壞的子導(dǎo)線間隔棒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制了新型子導(dǎo)線間隔棒，但其機(jī)械性能僅通過了型式試驗(yàn)相關(guān)要求測試。

輸電線路的抗舞措施通過提高線路的電氣和機(jī)械強(qiáng)度來消除或減輕舞動(dòng)造成的危害，提高線路塔線體系抵抗舞動(dòng)的能力。提高舞動(dòng)多發(fā)區(qū)線路用金具的機(jī)械強(qiáng)度，提升金具掛網(wǎng)運(yùn)行的安全系數(shù)，確保金具在舞動(dòng)過程中不發(fā)生損壞，是輸電線路塔線體系抗舞措施提升的重要組成部分。國網(wǎng)公司重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“輸電線路舞動(dòng)防治技術(shù)實(shí)驗(yàn)室”以舞動(dòng)防治為研究主題，實(shí)驗(yàn)室擁有的真型舞動(dòng)試驗(yàn)線路具有10基桿塔，全程3.715 km，經(jīng)過多年研究改進(jìn)，線路已具備全年1/3時(shí)間起舞的試驗(yàn)?zāi)芰?。本文針?duì)舞動(dòng)區(qū)間隔棒受損問題，依托真型舞動(dòng)試驗(yàn)線路，在舞動(dòng)區(qū)間隔棒受損特征統(tǒng)計(jì)及原因分析的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)了一種適用于舞動(dòng)區(qū)使用的新型抗舞間隔棒，并進(jìn)行了極限承載試驗(yàn)，對(duì)新研發(fā)間隔棒的整體機(jī)械性能進(jìn)行評(píng)估。

1 舞動(dòng)條件下間隔棒載荷分析

導(dǎo)線舞動(dòng)[9-12]主要包括垂直導(dǎo)線平面的橫向馳振運(yùn)動(dòng)和以分裂導(dǎo)線軸向?yàn)橹行牡呐まD(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)線舞動(dòng)軌跡近似類橢圓形狀。風(fēng)作用在導(dǎo)線上的升力FL，阻力FD和扭矩M按式(1—3)計(jì)算：

(1)

(2)

(3)

式中：ρ，v，d分別是空氣密度、風(fēng)速和導(dǎo)線直徑；CL(α)，CD(α)，CM(α)分別是導(dǎo)線的升力系數(shù)、阻力系數(shù)和扭轉(zhuǎn)系數(shù)，與風(fēng)攻角α有關(guān)。

作用在間隔棒上的風(fēng)壓載荷[13]：

WS=W0μAS

(4)

式中：W0是基準(zhǔn)風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值，W0=U2/1600；μ是風(fēng)壓高度變化系數(shù)；AS是間隔棒的受風(fēng)面積。

間隔棒隨分裂導(dǎo)線舞動(dòng)過程中主要運(yùn)動(dòng)形式及其載荷包括兩大類，下面分別進(jìn)行分析。

(1) 伴隨分裂導(dǎo)線整體舞動(dòng)的間隔棒運(yùn)動(dòng)。這種運(yùn)動(dòng)形式下，間隔棒與分裂導(dǎo)線整體的運(yùn)動(dòng)過程基本保持一致。由于間隔棒為導(dǎo)線的約束邊界，舞動(dòng)過程中視導(dǎo)線為運(yùn)動(dòng)主體、間隔棒為被動(dòng)受力對(duì)象，在隨分裂導(dǎo)線整體運(yùn)動(dòng)過程中，間隔棒除了在氣動(dòng)特征參數(shù)升力FL和阻力FD的周期作用下進(jìn)行馳振運(yùn)動(dòng)外，整體受指向類橢圓中心的向心力作用，繞中心進(jìn)行周期性扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。此外，在整體馳振運(yùn)動(dòng)中，間隔棒還受到自身重力G和表面風(fēng)壓載荷WS的作用。

(2) 子導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)差異引起的間隔棒運(yùn)動(dòng)。間隔棒與分裂導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)的差異性，主要由子導(dǎo)線與分裂導(dǎo)線整體舞動(dòng)之間的運(yùn)動(dòng)差異造成。表現(xiàn)在：子導(dǎo)線與間隔棒扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)差異導(dǎo)致線夾繞連接處扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生扭力；橫向弛振運(yùn)動(dòng)的差異產(chǎn)生徑向力；不同子導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)差異造成沿框板方向上的拉壓力及垂直框板方向上的軸向力。舞動(dòng)條件下間隔棒各個(gè)方向上的受力如圖1。

圖1 舞動(dòng)條件下間隔棒的受力情況Fig.1 The stress condition of the spacer under conductor galloping

此外，作為相間間隔棒、雙擺防舞器等裝置與導(dǎo)線發(fā)生作用的載體，間隔棒還受到相間間隔棒軸向拉壓載荷、雙擺防舞器的壓重載荷等作用。

2 間隔棒受損統(tǒng)計(jì)及原因分析

2.1 受損統(tǒng)計(jì)

現(xiàn)場間隔棒舞動(dòng)受損主要形式有：(1) 阻尼關(guān)節(jié)限位凸臺(tái)失效，甚至線夾脫落；(2) 與防舞裝置連接的框板扭曲變形，甚至撕裂，見圖2；(3) 緊固件螺栓松脫，R銷脫落等。

圖2 某500 kV線路與防舞裝置相連的間隔棒框板撕裂Fig.2 The damage located at the spacer′s frame connected with anti-galloping device in 500 kV transmission line

真型舞動(dòng)試驗(yàn)基地在2014年試驗(yàn)線路運(yùn)維中發(fā)現(xiàn)間隔棒損壞53支，情形如圖3。間隔棒的損壞情況不盡相同，某些間隔棒僅線夾(或框板、阻尼關(guān)節(jié))出現(xiàn)受損，而某些間隔棒的線夾和阻尼關(guān)節(jié)都出現(xiàn)受損。

圖3 尖山真型試驗(yàn)線路間隔棒損壞照片F(xiàn)ig.3 Pictures of damaged spacers on full-scale test line

圖4為間隔棒的受損部位統(tǒng)計(jì)結(jié)果：線夾受損、框板受損、阻尼關(guān)節(jié)失效的間隔棒分別有28支，11支和31支，分別占受損總數(shù)的52.8%，20.8%和58.5%。間隔棒的受損主要集中在線夾、阻尼關(guān)節(jié)處，框板受損主要形式是與相間間隔棒連接處的連接孔在導(dǎo)線舞動(dòng)過程中撕裂。

圖4 受損部位統(tǒng)計(jì)Fig.4 Damage location statistics of spacers

2.2 原因分析

2.2.1 線路工況惡劣

線路舞動(dòng)常發(fā)生于冬季，當(dāng)發(fā)生不均勻覆冰時(shí)或大風(fēng)天氣下，導(dǎo)線發(fā)生大幅度、長時(shí)間的舞動(dòng)。導(dǎo)線舞動(dòng)能量大、舞動(dòng)時(shí)周期性動(dòng)態(tài)載荷、防舞裝置在導(dǎo)線舞動(dòng)中的載荷影響是造成舞動(dòng)區(qū)線路間隔棒較一般線路受損嚴(yán)重的直接原因。

2.2.2 未針對(duì)舞動(dòng)工況進(jìn)行差異化配置

研究表明，對(duì)于惡劣運(yùn)行環(huán)境下的間隔棒，應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和機(jī)械強(qiáng)度匹配，以適應(yīng)覆冰舞動(dòng)、大風(fēng)等嚴(yán)酷工況[14]。目前線路用間隔棒大多依據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1098—2009[15]進(jìn)行選型、設(shè)計(jì)及入網(wǎng)型式試驗(yàn)，沒有針對(duì)舞動(dòng)區(qū)線路的特殊要求進(jìn)行差異化選型配置，這是造成舞動(dòng)區(qū)間隔棒受損的主要原因。如：DL/T 1098—2009標(biāo)準(zhǔn)中要求扭轉(zhuǎn)振動(dòng)情況下間隔棒線夾扭轉(zhuǎn)角度不超過10°～15°，而實(shí)際運(yùn)行中線夾的扭轉(zhuǎn)可達(dá)到25°。在這種情況下，間隔棒線夾尾部強(qiáng)烈撞擊限位凸臺(tái)，造成限位結(jié)構(gòu)失效。

2.2.3 金具疲勞損壞

在舞動(dòng)、次檔距振蕩較為頻繁的地區(qū)，間隔棒承受較為嚴(yán)重的振動(dòng)疲勞載荷，在長期運(yùn)行條件下，易造成間隔棒螺栓松動(dòng)[6]、防舞裝置連接件磨損、阻尼關(guān)節(jié)橡膠墊損壞。

3 新型抗舞間隔棒的研發(fā)

本文根據(jù)間隔棒舞動(dòng)承載特點(diǎn)及其受損特征，對(duì)間隔棒進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料優(yōu)選，研發(fā)了適用于舞動(dòng)區(qū)的新型抗舞間隔棒。

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1.1 阻尼關(guān)節(jié)

間隔棒的阻尼關(guān)節(jié)位于線夾與框架的連接處，起到一定的阻尼作用，同時(shí)承擔(dān)瞬時(shí)向心力和長期振動(dòng)疲勞。傳統(tǒng)間隔棒通過關(guān)節(jié)橡膠墊的阻尼緩沖作用使線夾可在導(dǎo)線軸向扭轉(zhuǎn)力作用下沿切線方向轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，并大多在框板上設(shè)置凸臺(tái)或者腰孔結(jié)構(gòu)起限位作用。

舞動(dòng)造成間隔棒連接部位磨損，主要原因是間隔棒線夾在扭力作用下可能發(fā)生大角度的扭轉(zhuǎn)偏移，在扭轉(zhuǎn)角大于設(shè)計(jì)的限位角時(shí)，線夾尾部會(huì)劇烈磨損限位凸臺(tái)，造成限位結(jié)構(gòu)失效。

由于輸電線路在不同覆冰程度和舞動(dòng)強(qiáng)度下可能產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)偏移角不同，故取消間隔棒限位凸臺(tái)設(shè)計(jì)，通過在線夾與框板連接處設(shè)置蝶形阻尼關(guān)節(jié)橡膠墊使得間隔棒獲得較大的扭轉(zhuǎn)活動(dòng)裕度，如圖5。將傳統(tǒng)間隔棒的凸臺(tái)限位硬連接結(jié)構(gòu)改進(jìn)為橡膠墊限位軟連接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了連接形式的彈性緩沖和阻尼限位作用，避免了在較大扭轉(zhuǎn)力矩作用下線夾尾部與框板剛性接觸，提高了間隔棒抗扭轉(zhuǎn)載荷能力。

圖5 阻尼關(guān)節(jié)Fig.5 Damping joint

3.1.2 框板

框板是間隔棒發(fā)揮支撐作用和保持分裂導(dǎo)線間隔的核心部件，其上分布的預(yù)留孔保證了相間間隔棒、雙擺防舞器等裝置與間隔棒相連。

作為防舞裝置與分裂導(dǎo)線相連接的載體，間隔棒承受的機(jī)械載荷較為集中，框板成為與防舞裝置連接組合的最大薄弱點(diǎn)。傳統(tǒng)間隔棒的板制結(jié)構(gòu)已無法滿足舞動(dòng)區(qū)機(jī)械載荷的要求，通過采用扣合式雙框板結(jié)構(gòu)，框架每條邊的兩側(cè)設(shè)計(jì)有配對(duì)的凸臺(tái)及凹槽結(jié)構(gòu)，起到加強(qiáng)作用。兩框板安裝扣合后形成類似管狀的結(jié)構(gòu)，受力更加均衡，防止導(dǎo)線大幅舞動(dòng)引起框板扭曲變形或與防舞裝置連接框板的撕裂現(xiàn)象。

圖6 框架結(jié)構(gòu)橫截面Fig.6 The cross-section of the frame

3.1.3 線夾

線夾用于握緊子導(dǎo)線，是間隔棒附著在分裂導(dǎo)線上的基礎(chǔ)。線夾應(yīng)能對(duì)導(dǎo)線施加長期可靠的握緊力且不損傷導(dǎo)線。為防止線夾握力松弛，夾頭橡膠墊采用厚度為12 mm的厚型膠墊，并采用鉸鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。

分裂子導(dǎo)線與間隔棒扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的差異，導(dǎo)致子導(dǎo)線對(duì)線夾施加一定大小的法向剪切力，使承載線夾繞阻尼關(guān)節(jié)作扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；子導(dǎo)線間運(yùn)動(dòng)差異性越大，承載線夾作扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)阻尼關(guān)節(jié)的沖擊越劇烈，阻尼關(guān)節(jié)的磨損越嚴(yán)重。為降低線夾作扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)阻尼關(guān)節(jié)的沖擊，對(duì)框板與線夾尺寸比例進(jìn)行優(yōu)化[16]。通過增加間隔棒框板尺寸、縮短線夾長度的方式，減小線夾扭轉(zhuǎn)沖擊力的力臂長度，均衡間隔棒所受扭轉(zhuǎn)載荷。表1是分裂間距為450 mm的四分裂間隔棒優(yōu)化前后線夾與框板尺寸，優(yōu)化后的線夾/框板比例為0.592，抵抗扭轉(zhuǎn)載荷的能力可提升6.2%。

表1 優(yōu)化前后尺寸比較Tab.1 Comparison of the spacer′s size before and after optimization

3.2 材料選型

傳統(tǒng)間隔棒框架本體和線夾大多采用ZL102鋁合金材料，橡膠墊采用高強(qiáng)度耐候性的三元乙丙橡膠。對(duì)于舞動(dòng)多發(fā)區(qū)線路，可以適當(dāng)提升相關(guān)結(jié)構(gòu)的材質(zhì)，進(jìn)一步提高間隔棒的機(jī)械強(qiáng)度。

國內(nèi)常用鑄造鋁合金材質(zhì)有ZL101、ZL102、ZL104等。通過工程材料成本及鋁合金材質(zhì)的機(jī)械性能比較，抗舞間隔棒線夾和框架選用ZL104材質(zhì)并進(jìn)行T1處理。ZL104材質(zhì)強(qiáng)度高于ZL101、ZL102等合金，鑄造性能好，無熱裂傾向，氣密性高，線收縮小，同時(shí)耐蝕性好。

表2 ZL102和ZL104材料性能比較Tab.2 Comparison of material properties for ZL102 and ZL104

3.3 新型抗舞間隔棒

通過以上結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材質(zhì)選型，研制出適用于舞動(dòng)區(qū)500 kV線路的新型抗舞間隔棒，四分裂形式間隔棒實(shí)物照片如圖7所示，適用于分裂間距為450 mm，導(dǎo)線標(biāo)稱截面為400/20、400/25、400/35的四分裂導(dǎo)線。

圖7 新型抗舞間隔棒實(shí)物照片F(xiàn)ig.7 Real photo of the new typeanti-galloping spacer

4 試驗(yàn)測試

按照電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1098—2009的試驗(yàn)方法，通過間隔棒的順線握力、垂直拉壓力、向心力和框板承載能力等極限承載破壞試驗(yàn)，對(duì)傳統(tǒng)間隔棒(簡稱傳統(tǒng)型)和新型抗舞間隔棒(簡稱抗舞型)進(jìn)行機(jī)械性能測試比較,如圖8所示。

圖8 極限承載破壞試驗(yàn)Fig.8 Ultimate bearing test for spacers

圖8(a)是線夾順線握力試驗(yàn)。間隔棒線夾夾持D22導(dǎo)線，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2.5 kN順線握力下，傳統(tǒng)型和抗舞型線夾相對(duì)導(dǎo)線均未發(fā)生滑移。當(dāng)繼續(xù)增大拉力時(shí)，傳統(tǒng)型間隔棒分別在10 kN，10 kN，12 kN時(shí)，橡膠墊滑移超過2.5 mm；抗舞型間隔棒分別在12 kN，14 kN，15 kN時(shí)，橡膠墊滑移超過2.5 mm。試驗(yàn)表明，抗舞型間隔棒夾頭橡膠墊采用厚度為12 mm的厚型膠墊，相比傳統(tǒng)型間隔棒采用的常規(guī)厚度夾頭橡膠墊，線夾順線握力提升28%。線夾順線握力的提升，可有效防止間隔棒在隨分裂導(dǎo)線大幅舞動(dòng)過程中出現(xiàn)的線夾位置滑移。

圖8(b)是線夾垂直方向壓力試驗(yàn)。在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的6 kN垂直壓力載荷下，傳統(tǒng)型和抗舞型間隔棒未發(fā)生損壞。當(dāng)繼續(xù)增大壓力時(shí)，傳統(tǒng)型和抗舞型間隔棒破壞情況如表3和圖9所示：傳統(tǒng)型間隔棒分別在6 kN，8 kN垂直壓力載荷時(shí)，線夾尾部、框架凸臺(tái)發(fā)生斷裂；而抗舞型間隔棒分別在15 kN，15 kN垂直壓力載荷時(shí)，線夾中部，框架轉(zhuǎn)角發(fā)生破壞。試驗(yàn)表明，抗舞型間隔棒抗垂直拉壓載荷提升114%，橡膠墊限位軟連接結(jié)構(gòu)避免了限位凸臺(tái)和線夾尾部的剛性接觸，同時(shí)框架和線夾采用ZL104材質(zhì)，提高了間隔棒抗扭轉(zhuǎn)載荷的能力。

表3 垂直方向壓力試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Result of pressure test in vertical direction

圖9 垂直壓力試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Result of pressure test in vertical direction

圖8(c)是向心力試驗(yàn)。在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的12.9 kN向心力載荷(折算到拉力F=108 kN)下，傳統(tǒng)型和抗舞型間隔棒均未發(fā)生損壞。當(dāng)繼續(xù)增大拉力時(shí)，傳統(tǒng)型間隔棒分別在172.8 kN, 174.4 kN拉力載荷下，框架凸臺(tái)破壞；而抗舞型間隔棒在251.8 kN, 251.6 kN拉力載荷下未破壞，受試驗(yàn)夾具條件限制，無法繼續(xù)施加載荷。試驗(yàn)表明，抗舞型間隔棒向心力載荷提升44%以上，向心力載荷提升使間隔棒抵抗子導(dǎo)線間鞭擊的能力得到提高。

圖8(d)是整體承載強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)方法是：固定間隔棒的線夾，對(duì)連接框板的連接板施加反方向作用力，逐漸加載，直至間隔棒損壞。在作用力不斷加載的過程中，傳統(tǒng)型間隔棒分別在載荷29 kN，28.6 kN時(shí)，線夾損壞；抗舞型間隔棒在載荷35.4 kN，36.2 kN時(shí)，線夾損壞。試驗(yàn)表明，抗舞型間隔棒相比傳統(tǒng)型整體承載強(qiáng)度提升24%，整體承載強(qiáng)度的提升使間隔棒在導(dǎo)線舞動(dòng)過程中耐受機(jī)械載荷的性能提升，結(jié)構(gòu)可靠性提高。

5 結(jié)語

間隔棒受損特征統(tǒng)計(jì)表明，間隔棒受損嚴(yán)重部位集中在線夾與框板連接處，沒有針對(duì)舞動(dòng)區(qū)線路特點(diǎn)進(jìn)行間隔棒的差異化選型設(shè)計(jì)是造成舞動(dòng)區(qū)間隔棒受損的主要原因。本文通過蝶形阻尼橡膠墊限位連接、扣合式雙框板設(shè)計(jì)及線夾與框板比例優(yōu)化等結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并選用高強(qiáng)度ZL104鋁合金材料，研發(fā)了一種適合在舞動(dòng)區(qū)使用的新型抗舞間隔棒。試驗(yàn)表明，相比傳統(tǒng)型間隔棒，新型抗舞間隔棒在順線握力、抗扭轉(zhuǎn)力、向心力以及框板整體承載強(qiáng)度幾方面得到大幅度提升。

新型抗舞間隔棒適用于舞動(dòng)區(qū)線路，目前已經(jīng)在河南省舞動(dòng)較為嚴(yán)重的7條500 kV輸電線路得到應(yīng)用。800余套新型抗舞間隔棒自2016年掛網(wǎng)應(yīng)用以來沒有出現(xiàn)受損及導(dǎo)線磨損問題，有力保障了輸電線路安全運(yùn)行。