郭瑞興 ，趙洪遠(yuǎn) ，段 綱 ，周 彬 ，劉國(guó)梁

（1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 211100；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濰坊供電公司，山東 濰坊 261021；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司建設(shè)公司，山東 濟(jì)南 250001；4.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司昌樂(lè)縣供電公司，山東 濰坊 262400）

0 引言

由于特高壓線(xiàn)路傳輸容量大，其對(duì)導(dǎo)線(xiàn)截面提出了更高的要求，進(jìn)而對(duì)直接承載導(dǎo)線(xiàn)拉力的耐張絕緣子串承載能力要求更高［1］。為解決這一問(wèn)題，可以通過(guò)增加絕緣子串聯(lián)數(shù)以減小單個(gè)絕緣子串所受拉力，但串聯(lián)數(shù)過(guò)多一方面增加了成本，同時(shí)導(dǎo)致安裝難度增加，另一方面不利于運(yùn)行維護(hù)［2］，因此研究采用串聯(lián)數(shù)較少、負(fù)荷等級(jí)較高的絕緣子串具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值，為此開(kāi)展了超高負(fù)荷等級(jí)絕緣子配套金具的研究工作。

1 絕緣子雙聯(lián)耐張串串型研究

在特高壓線(xiàn)路中，導(dǎo)線(xiàn)常采用8×JL/G1A-630/45鋼芯鋁絞線(xiàn)，其導(dǎo)線(xiàn)額定拉斷力為150.45 kN［3］，考慮八分裂導(dǎo)線(xiàn)組、導(dǎo)線(xiàn)拉斷力和安全系數(shù)等參數(shù)，一般而言對(duì)特高壓八分裂導(dǎo)線(xiàn)耐張串所需承載機(jī)械總負(fù)荷為1 346 kN。

通常耐張串可設(shè)計(jì)為雙聯(lián)，此時(shí)每聯(lián)絕緣子所需機(jī)械負(fù)荷為673 kN，將負(fù)荷等級(jí)上調(diào)至760 kN。多聯(lián)絕緣子串間的距離受很多因素的影響，一般情況下既要考慮絕緣子串之間的場(chǎng)強(qiáng)分布情況，同時(shí)要保證在運(yùn)行工況下每聯(lián)絕緣子之間避免接觸或者碰撞。由上述分析可知絕緣子間距受絕緣子串電氣性能和機(jī)械性能影響［4］。

電氣性能方面，參照科研單位在高海拔地區(qū)對(duì)雙聯(lián)絕緣子串的污耐壓試驗(yàn)結(jié)果，在等值附鹽密度為0.05 mg/cm2的情況下，當(dāng)雙聯(lián)鐘罩型絕緣子間距大于200 mm時(shí)，絕緣子的放電過(guò)程可獨(dú)立。由于絕緣子并聯(lián)增加了閃絡(luò)發(fā)生的可能性，因此絕緣子并聯(lián)的污閃電壓一般要低于單串絕緣子污閃電壓。當(dāng)絕緣子雙聯(lián)的凈空間距分別為200 mm和500 mm時(shí)，污閃電壓分別比單串低2.03%和5.08%。在等值附鹽密度為0.10 mg/cm2的情況下時(shí)，當(dāng)絕緣子雙聯(lián)凈空間距為500 mm時(shí)，放電過(guò)程獨(dú)立發(fā)展，此時(shí)雙串并聯(lián)的污閃電壓比單串時(shí)高3.9%。根據(jù)上述分析說(shuō)明雙串并聯(lián)時(shí)的污閃電壓與單串相比，污閃電壓變化不大，在分散性允許的范圍內(nèi)可能出現(xiàn)雙串并聯(lián)比單串高的情況，污閃電壓的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 單雙串絕緣子污閃電壓

分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見(jiàn)在等值附鹽密度為0.05 mg/cm2時(shí)聯(lián)間凈空距離增大后，污閃電壓反而降低。進(jìn)一步與單串結(jié)構(gòu)相比，在等值附鹽密度為0.1 mg/cm2，凈空間距為500 mm時(shí)，雙聯(lián)串污閃電壓反而比單串高3.9%。分析其原因，是由于試驗(yàn)本身的分散性造成的。綜合來(lái)看，聯(lián)間凈空間距大于200 mm時(shí)污閃電壓即可達(dá)到基本相同。

機(jī)械性能方面，考慮到直流特高壓絕緣子串的長(zhǎng)度一般較長(zhǎng)，在考慮聯(lián)間距時(shí)除了要考慮絕緣子盤(pán)徑外，還應(yīng)當(dāng)考慮受風(fēng)荷載作用引起的絕緣子串的偏移問(wèn)題。以重污區(qū)耐張絕緣子配置為例，考慮最嚴(yán)重情況下需配置絕緣子90片，單片高度240 mm，加上聯(lián)塔側(cè)金具總長(zhǎng)可達(dá)24 m，極端情況下絕緣子最大偏移可達(dá)95 mm，考慮到絕緣子盤(pán)徑400 mm，當(dāng)兩聯(lián)間中心距離不小于500 mm時(shí)，可以確保此種組裝形式下絕緣子間不會(huì)發(fā)生碰撞。

聯(lián)間距的確定要在機(jī)械性能滿(mǎn)足安全運(yùn)行的前提下，以雙聯(lián)結(jié)構(gòu)的污閃電壓不低于單聯(lián)結(jié)構(gòu)的污閃電壓為控制條件；按照采用盤(pán)徑400 mm的大噸位絕緣子，考慮200 mm聯(lián)間凈空距離可以滿(mǎn)足對(duì)于污閃電壓和機(jī)械性能的要求，結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，推薦輕冰區(qū)耐張絕緣子串采用650 mm的基本聯(lián)間距離，雙聯(lián)760 kN耐張串如圖1所示。

2 大噸位絕緣子配套金具研究

耐張絕緣子串金具主要包括聯(lián)塔金具、聯(lián)板、碗頭掛板、耐張線(xiàn)夾、跳線(xiàn)間隔棒、均壓環(huán)、屏蔽環(huán)等［5］。針對(duì)760 kN大噸位絕緣子主要研究其雙聯(lián)耐張串的配套金具，因此只分析對(duì)碗頭掛板、聯(lián)塔金具、跳線(xiàn)間隔棒等主要配套金具的設(shè)計(jì)。

2.1 碗頭掛板

依據(jù)GB/T 4056—2008《絕緣子串元件的球窩連接尺寸》，目前絕緣子串元件球窩配套碗頭掛板的標(biāo)稱(chēng)破壞載荷最大為550 kN，無(wú)法達(dá)到大噸位絕緣子760 kN的要求，根據(jù)碗頭掛板相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)結(jié)構(gòu)型式的要求［6］，結(jié)合國(guó)內(nèi)碗頭掛板的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并參考絕緣子廠(chǎng)家提供配套的絕緣子部件的尺寸，研究設(shè)計(jì)了760 kN絕緣子配套的碗頭掛板。

將配套金具碗頭掛板的碗頭部分設(shè)計(jì)為圓柱型，依照荷載將其外徑設(shè)計(jì)為120 mm，碗頭掛版整體構(gòu)造較為簡(jiǎn)潔，滿(mǎn)足與相關(guān)配件連接尺寸的要求，同時(shí)便于廠(chǎng)家加工。球窩的尺寸設(shè)計(jì)綜合考慮了荷載要求和配件的尺寸，最終球窩的頭部尺寸為41 mm，球窩半徑為50 mm，滿(mǎn)足大噸位絕緣子球頭頸部的荷載要求，同時(shí)二者連接方便靈活。其結(jié)構(gòu)型式如圖2所示。

圖1 760 kN絕緣子雙聯(lián)耐張串

圖2 碗頭掛板的設(shè)計(jì)

2.2 聯(lián)塔金具

聯(lián)塔金具是配套金具中重要組成部分。聯(lián)塔金具將耐張絕緣子串和鐵塔橫擔(dān)固定在一起，確保送電線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)穩(wěn)固，關(guān)系到送電線(xiàn)路能否安全穩(wěn)定運(yùn)行。在大風(fēng)工況下，導(dǎo)線(xiàn)有一定角度的風(fēng)偏，需要聯(lián)塔金具具備一定的轉(zhuǎn)動(dòng)量，因此聯(lián)塔金具既要有充分的機(jī)械負(fù)荷，將導(dǎo)線(xiàn)和絕緣子固定，同時(shí)又要有良好的轉(zhuǎn)動(dòng)性與耐磨性，防止聯(lián)塔金具磨損引發(fā)斷聯(lián)。目前特高壓輸電線(xiàn)路工程中常使用耳軸形式掛板，能夠保障其各個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)靈活。結(jié)合以往特高壓線(xiàn)路的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，綜合分析聯(lián)塔金具部分和鐵塔橫擔(dān)處的磨損情況，聯(lián)塔金具所承載的負(fù)荷大于絕緣子的荷載，為確保聯(lián)塔金具安全性，耳軸掛板的設(shè)計(jì)噸位要高于760 kN絕緣子一個(gè)等級(jí)。外觀(guān)形式參照目前使用的550 kN三聯(lián)絕緣子串，將耳軸掛板厚度增加到36 mm，螺桿桿徑增加到48 mm。分析導(dǎo)線(xiàn)耐張串的受力特點(diǎn)可知，聯(lián)塔金具采用整體鍛造加工方式，可達(dá)到加強(qiáng)組串機(jī)械性能的要求。聯(lián)塔金具具體的型式如圖3所示。

2.3 跳線(xiàn)間隔棒

圖3 聯(lián)塔金具設(shè)計(jì)

目前跳線(xiàn)常用的間隔棒分為剛性間隔棒和柔性間隔棒兩大類(lèi)。剛性間隔棒的優(yōu)點(diǎn)是能夠保證分裂子導(dǎo)線(xiàn)不發(fā)生任何相對(duì)位移，缺點(diǎn)是剛性間隔棒不能解決微風(fēng)振動(dòng)，無(wú)法有效抑制次檔距振蕩?；谏鲜鰞牲c(diǎn)原因，跳線(xiàn)間隔棒一般選取柔性間隔棒。根據(jù)間隔棒阻尼形式的差異，柔性間隔棒一般分為橡膠阻尼和彈簧阻尼兩大類(lèi)。橡膠阻尼方式是在間隔棒關(guān)節(jié)處置入橡膠墊，可以有效減小線(xiàn)路的振動(dòng)能量，在降低微風(fēng)振動(dòng)和次檔距振蕩方面效果顯著，并且從目前使用狀況來(lái)看，橡膠阻尼間隔棒運(yùn)行良好。彈簧阻尼間隔棒利用阻尼彈簧消耗能量，提高抗振能力。

特高壓線(xiàn)路跳線(xiàn)間隔棒的設(shè)計(jì)推薦使用橡膠阻尼間隔棒。在間隔棒直臂和夾頭本體的關(guān)節(jié)處，嵌入相應(yīng)的橡膠墊，用來(lái)抑制微風(fēng)振動(dòng)。另外為了減少導(dǎo)線(xiàn)的磨損、減緩振動(dòng)，在間隔棒的夾頭內(nèi)側(cè)嵌入橡膠墊。八分裂跳線(xiàn)橡膠阻尼間隔棒實(shí)物如圖4所示。

圖4 八分裂間隔棒設(shè)計(jì)

3 試驗(yàn)分析

對(duì)760 kN絕緣子雙聯(lián)耐張串配套金具進(jìn)行破壞荷載試驗(yàn)，試驗(yàn)中碗頭掛板判定的依據(jù)為達(dá)到標(biāo)稱(chēng)破壞載荷，保持60 s，試品沒(méi)有出現(xiàn)破壞；耐張線(xiàn)夾的判定依據(jù)為達(dá)到標(biāo)稱(chēng)破壞載荷，保持60 s金具與導(dǎo)線(xiàn)未發(fā)生相對(duì)滑移現(xiàn)象，并且導(dǎo)線(xiàn)沒(méi)有出現(xiàn)斷股或破壞。

3.1 碗頭掛板試驗(yàn)

選取3件碗頭掛板進(jìn)行試驗(yàn)分析，首先碗頭掛版的外觀(guān)尺寸、鍍鋅層厚度滿(mǎn)足要求。按照GB/T 2317.1—2008《電工金具試驗(yàn)方法 第1部分：機(jī)械試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)中的要求對(duì)碗頭掛版進(jìn)行破壞試驗(yàn)［7］，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可以看出選取的3件試品試驗(yàn)數(shù)據(jù)都符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，產(chǎn)品質(zhì)量為合格。碗頭掛板破壞試驗(yàn)中時(shí)間—試驗(yàn)力曲線(xiàn)詳見(jiàn)圖 5、圖 6和圖 7。

表2 機(jī)械試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 試驗(yàn)件1時(shí)間—試驗(yàn)力曲線(xiàn)

圖6 試驗(yàn)件2時(shí)間—試驗(yàn)力曲線(xiàn)

圖7 試驗(yàn)件3時(shí)間—試驗(yàn)力曲線(xiàn)

3.2 耐張線(xiàn)夾試驗(yàn)

通常耐張線(xiàn)夾試驗(yàn)使用對(duì)拉形式，將兩端分別夾于臥式拉力機(jī)上，依據(jù)GB/T 2317.1—2008《電力金具試驗(yàn)方法 第1部分：機(jī)械試驗(yàn)》要求進(jìn)行拉斷試驗(yàn)，逐步提高臥式拉力機(jī)張力直至增加到規(guī)定的握力值，然后保持拉力值60 s，試驗(yàn)中如果金具與導(dǎo)線(xiàn)沒(méi)有發(fā)生相對(duì)滑移現(xiàn)象，同時(shí)導(dǎo)線(xiàn)沒(méi)有出現(xiàn)斷股或破壞可以認(rèn)為耐張線(xiàn)夾為合格。耐張線(xiàn)夾試驗(yàn)分別進(jìn)行3組均為合格，具體情況如表3所示。

表3 握力試驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，本次研究開(kāi)發(fā)的760 kN絕緣子雙聯(lián)耐張串所配套的碗頭掛板、耐張線(xiàn)夾等金具符合國(guó)家、電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和工程技術(shù)規(guī)定，機(jī)械和電氣性能試驗(yàn)均滿(mǎn)足相關(guān)要求，能夠在工程中進(jìn)行推廣應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

研究大噸位絕緣子雙聯(lián)耐張串串型的設(shè)計(jì)，分別從電氣性能和機(jī)械性能兩個(gè)方面進(jìn)行分析，從而保證了串型的實(shí)用性；在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了配套金具的研究，包括碗頭掛板、聯(lián)塔金具和跳線(xiàn)間隔棒。大噸位絕緣子配套金具的設(shè)計(jì)參考了低噸位的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并采用整體鍛造方式加工，以提高組串的機(jī)械性能。最后通過(guò)試驗(yàn)表明所開(kāi)發(fā)的配套的碗頭掛板等非標(biāo)金具符合國(guó)家、電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和工程技術(shù)規(guī)定，機(jī)械和電氣性能試驗(yàn)均滿(mǎn)足要求。目前，研究的大噸位絕緣子雙聯(lián)耐張串非標(biāo)金具成功應(yīng)用于榆橫-濰坊特高壓交流輸變電工程。