鮑明正，祝永坤，吳 昊，楊志超，于開(kāi)文

（國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司，呼和浩特 010010）

0 引言

懸垂線夾是輸電線路使用最多的金具之一，用于將導(dǎo)線固定在絕緣子串上或?qū)⒈芾拙€懸掛在直線桿塔上，也可用于換位桿塔上支持換位導(dǎo)線及耐張轉(zhuǎn)角桿塔上固定跳線[1]，其性能直接影響著架空線路的使用壽命。引起懸垂線夾故障的原因主要有自然環(huán)境和線夾質(zhì)量等。懸垂線夾受氣候條件及環(huán)境的作用，主要承受風(fēng)荷載、垂直載荷及線材與接觸面的摩擦力，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，尤其在大風(fēng)、大檔距等惡劣條件下，懸垂線夾的承重軸磨損情況頻發(fā)，嚴(yán)重的甚至出現(xiàn)斷裂。因此，深入分析懸垂線夾的磨損原因，制訂有效的防范措施，對(duì)確保線路的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行十分必要。

1 線路基本情況

某±500 kV 直流輸電線路已投運(yùn)12 年，途經(jīng)高山峻嶺、丘陵及草原，地形地貌復(fù)雜，線路桿塔多沿山谷溝壑走向，檔距大小不均勻。線路所在地區(qū)為典型的中溫帶季風(fēng)氣候，常年風(fēng)力較大，年平均風(fēng)速在5 m/s以上，受復(fù)雜地形影響，存在風(fēng)速大、風(fēng)向和風(fēng)速變化頻繁的特點(diǎn)。2021 年4 月，運(yùn)維人員巡視發(fā)現(xiàn)該線路732號(hào)塔地線懸垂線夾承重軸單側(cè)斷裂，地線無(wú)斷股情況。該塔位于丘陵地區(qū)（如圖1所示），塔型為G13 型，呼稱高54 m，地線懸垂線夾型號(hào)為XGU-2F型。

圖1 某±500 kV直流輸電線路732號(hào)塔所處地形Fig.1 Landform of tower 732 of a ±500 kV DC transmission line

后續(xù)進(jìn)一步全面檢查發(fā)現(xiàn)，該線路721 號(hào)、730號(hào)、736 號(hào)、740 號(hào)塔懸垂線夾承重軸同樣存在不同程度的磨損現(xiàn)象，其中721號(hào)、736號(hào)塔磨損較嚴(yán)重，721 號(hào)、736 號(hào)塔地線線夾承重軸直徑為16 mm，磨損后的直徑分別為14.6 mm、13.4 mm。721 號(hào)塔的磨損斷面為8.578 mm2，占比4.27%；736號(hào)塔的磨損斷面為21.22 mm2，占比10.55%。

2 懸垂線夾承重軸磨損原因分析

2.1 外觀檢查

本次承重軸斷裂的地線懸垂線夾出廠日期為2009 年，其承重軸斷口明顯分兩個(gè)部分：一部分?jǐn)嗫诠饬粒砻嫫交?，為磨損所致的陳舊斷口，此部分占斷口面積80%以上；另外一部分?jǐn)嗫诔蚀嘈詳嗔烟卣?，為最后的瞬時(shí)斷裂區(qū)。斷口上未觀察到明顯的制造缺陷。

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[2-4]，XGU-2F 型懸垂線夾本體及壓板應(yīng)采用牌號(hào)不低于KT33-8 的可鍛鑄鐵制造，破壞荷載不小于38.2 kN，查看廠家出具的試驗(yàn)報(bào)告，732號(hào)塔符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

經(jīng)實(shí)際測(cè)量，732 號(hào)塔所用的懸垂線夾長(zhǎng)度為195 mm，高度為90 mm，質(zhì)量為1.98 kg，與GB/T 2315—2017《電力金具標(biāo)稱破壞載荷系列及連接型式尺寸》的要求存在差距[5]。此外，對(duì)地線懸垂線夾承重軸直徑與掛板螺栓孔徑的配合情況進(jìn)行了檢查，對(duì)于槽型連接的金具，直徑16 mm的螺栓所匹配的孔徑為18 mm，誤差不得超過(guò)±0.5 mm。經(jīng)測(cè)量，732號(hào)塔地線懸垂線夾掛板孔徑為18.8 mm，考慮運(yùn)行年限較長(zhǎng)，掛板同樣存在磨損的情況，可以認(rèn)為掛板的孔徑滿足規(guī)范要求[5]。732 號(hào)塔磨損地線線夾如圖2所示。外觀尺寸檢查結(jié)果如表1所示。

圖2 732號(hào)塔磨損地線線夾Fig.2 Worn ground line clamp of tower 732

表1 外觀尺寸檢查結(jié)果Tab.1 Appearance size check result

732號(hào)塔地線懸垂線夾的掛板有明顯的電焊加工補(bǔ)強(qiáng)痕跡（如圖3 所示），在焊接加固零件過(guò)程中掛孔變形，并產(chǎn)生焊渣，掛孔內(nèi)壁未根據(jù)要求進(jìn)行打磨，通過(guò)觸摸掛孔內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)有明顯凸起，凸起位置與承重軸斷裂位置吻合，說(shuō)明掛孔內(nèi)壁的凸起部位加劇了懸垂線夾承重軸的磨損。掛板的磨損程度較承重軸的磨損程度輕，主要是由于掛板和承重軸的材質(zhì)不同，掛板的材質(zhì)為碳素結(jié)構(gòu)鋼，硬度高于制造承重軸的鑄鐵材料。

圖3 732號(hào)塔地線線夾掛板加工補(bǔ)強(qiáng)痕跡Fig.3 Processing and reinforcing marks of ground line clamp of tower 732

2.2 材質(zhì)檢測(cè)

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[6-7]，對(duì)受損懸垂線夾（使用材料KTH330）開(kāi)展金相檢測(cè)、材料拉伸性能和布氏硬度檢測(cè)。

將受損的懸垂線夾表面進(jìn)行打磨處理后開(kāi)展金相檢測(cè)，金相組織均為鐵素體加團(tuán)絮狀石墨，是黑心可鍛鑄鐵的正常組織，符合懸垂線夾可用可鍛鑄鐵制造的規(guī)定。

拉伸性能測(cè)試結(jié)果如表2 所示。1 號(hào)樣品（732號(hào)塔受損線夾）的a 組拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別為328.2 MPa 和6.4%，均低于CB/T 9440—2010《可鍛鑄鐵件》標(biāo)準(zhǔn)要求；b組拉伸強(qiáng)度為324.8 MPa，低于上述標(biāo)準(zhǔn)要求，其余結(jié)果合格[3]。

表2 拉伸性能測(cè)試結(jié)果Tab.2 Tensile performance test results

對(duì)送樣懸垂線夾進(jìn)行布氏硬度檢測(cè)，打磨外表面，分兩點(diǎn)測(cè)量其硬度，布氏硬度測(cè)試結(jié)果如表3所示，結(jié)果符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[7]。

表3 布氏硬度測(cè)試結(jié)果Tab.3 Brinell hardness test results

2.3 運(yùn)行條件分析

2.3.1 架空地線張力受風(fēng)力的影響

通過(guò)查閱平斷面定位圖及現(xiàn)場(chǎng)地理、氣象資料發(fā)現(xiàn)，承重軸磨損嚴(yán)重的730 號(hào)、732 號(hào)塔兩側(cè)檔距比均較大，同樣在兩側(cè)檔距比較大的桿塔上存在金具順線路方向磨損缺陷。具體情況為：726 號(hào)、729號(hào)塔光纜掛環(huán)因受縱向不平衡張力影響，長(zhǎng)期與光纜支架摩擦，導(dǎo)致磨損程度較大（如圖4所示），其中726 號(hào)、729 號(hào)塔兩側(cè)檔距比分別達(dá)到了2.83 和7.33。金具磨損桿塔檔距明細(xì)見(jiàn)表4。

圖4 光纜掛環(huán)磨損情況Fig.4 Abrasion of optical cable hanging ring

表4 金具磨損桿塔檔距明細(xì)Tab.4 Span of hardware worn tower m

以732 號(hào)塔為例，其大號(hào)側(cè)檔距為459 m，小號(hào)側(cè)檔距為740 m，檔距比為1.61。在風(fēng)力作用下，小號(hào)側(cè)檔內(nèi)導(dǎo)線所受到的水平荷載較大號(hào)側(cè)檔內(nèi)導(dǎo)線水平荷載大得多，造成地線懸垂線夾順線路方向向小號(hào)側(cè)偏移運(yùn)動(dòng)，當(dāng)風(fēng)力減弱后，在檔內(nèi)地線張力的作用下，懸垂線夾順線路方向向大號(hào)側(cè)運(yùn)動(dòng)，這種往復(fù)的順線路方向運(yùn)動(dòng)，較兩側(cè)檔距比較小的桿塔更為頻繁，加劇了732 號(hào)塔地線懸垂線夾承重軸的磨損。當(dāng)線夾承重軸發(fā)生磨損后，由于承重軸截面由圓形變?yōu)闄E圓形，其與線夾掛板的接觸面由“面接觸”變成了“點(diǎn)接觸”，產(chǎn)生應(yīng)力集中，這種特性也會(huì)進(jìn)一步加劇承重軸磨損。

2.3.2 架空地線微風(fēng)振動(dòng)影響

架空地線受到橫向風(fēng)的作用時(shí)，導(dǎo)線背風(fēng)面將形成按一定頻率上下交替出現(xiàn)的氣流旋渦，它的依次出現(xiàn)和脫離使得導(dǎo)線受到同一頻率的上下交變的沖擊力，在同步效應(yīng)的作用下，地線的風(fēng)振使得地線圍繞耳軸中心有個(gè)小角度往復(fù)位移，相應(yīng)的承重軸和聯(lián)板也存在一個(gè)小角度往復(fù)相對(duì)位移，從而使得聯(lián)板和耳軸往復(fù)摩擦導(dǎo)致磨損。

2.3.3 地形及氣象因素影響

查看現(xiàn)場(chǎng)照片、衛(wèi)星地圖定位以及平斷面定位圖，732號(hào)塔位于山坡之上，地形為跨越山谷的典型凹字形區(qū)域，復(fù)雜的地形影響風(fēng)的速度和局部風(fēng)向，形成局部微氣象，架空地線在風(fēng)力作用下，使地線懸垂線夾發(fā)生順線路方向的運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)造成地線懸垂線夾的掛板與船體承重軸磨損，磨損使受力截面減小，最后承重軸發(fā)生單側(cè)斷裂。統(tǒng)計(jì)全部金具磨損塔位地形條件如表5所示，由表5可知，跨越山谷、連續(xù)上下坡地區(qū)容易出現(xiàn)金具磨損。

表5 金具磨損桿塔地形統(tǒng)計(jì)Tab.5 Topographic statistics of hardware worn tower

2.3.4 懸垂線夾荷載影響

該線路GJ-100 型地線覆冰時(shí)綜合荷載為19.77 N/m，懸垂線夾的破壞荷載不小于40 kN，按照GB 50545—2010《110 kV～750 kV 架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》以及《電力金具手冊(cè)》（第二版）[1，8]，驗(yàn)算線夾的允許最大垂直檔距為809 m。對(duì)比出現(xiàn)懸垂線夾磨損桿塔的允許最大垂直檔距使用率，732 號(hào)塔允許最大垂直檔距使用率最高，較大的垂直荷載加速了線夾的磨損進(jìn)程。金具磨損桿塔垂直檔距統(tǒng)計(jì)如表6所示。

表6 金具磨損桿塔垂直檔距統(tǒng)計(jì)Tab.6 Statistics of vertical span of hardware worn tower

3 斷裂過(guò)程及原因分析

732 號(hào)塔地線懸垂線夾運(yùn)行年限為12 年，所在地形以丘陵為主，線路為南北走向，與主導(dǎo)風(fēng)向西北風(fēng)夾角約45°，常年季風(fēng)較大。該線路自投運(yùn)以來(lái)，出現(xiàn)過(guò)多處因微風(fēng)振動(dòng)導(dǎo)致的防振錘滑移缺陷。依據(jù)《國(guó)網(wǎng)蒙東電力風(fēng)區(qū)分布圖》（2020 版）[9]，缺陷發(fā)生區(qū)段屬于27 m/s 的風(fēng)區(qū)。2021 年3 月以來(lái)，缺陷發(fā)生地區(qū)出現(xiàn)了4 次大風(fēng)天氣，1 次暴雪天氣，尤其是3 月15 日最大陣風(fēng)達(dá)11 級(jí)，距離732 號(hào)塔40 km地區(qū)出現(xiàn)33.2 m/s的最大風(fēng)速，局部陣風(fēng)的作用，進(jìn)一步加劇了732 號(hào)塔懸垂線夾的磨損。處于山區(qū)尤其是微氣象區(qū)的輸電線路，受復(fù)雜地形和特殊氣象條件的影響，極易形成導(dǎo)、地線懸垂線夾磨損的條件[10-13]，在受到風(fēng)力長(zhǎng)期作用下線夾擺動(dòng)頻繁，導(dǎo)致地線線夾承重軸長(zhǎng)期磨損，局部的瞬時(shí)大風(fēng)也使金具的機(jī)械性能發(fā)生突變，最終因承重軸磨損嚴(yán)重、局部應(yīng)力過(guò)大發(fā)生承重軸單側(cè)斷裂。

綜上所述，架空地線懸垂線夾承重軸斷裂原因?yàn)閼掖咕€夾制造工藝、尺寸不合格，在大檔距比條件下長(zhǎng)期存在縱向不平衡張力，復(fù)雜地形下長(zhǎng)期的微風(fēng)振動(dòng)及較大垂直荷載和水平荷載影響，造成懸垂線夾形成順線路單擺運(yùn)動(dòng)，逐步磨損至斷裂。

4 防范措施

4.1 設(shè)計(jì)規(guī)劃階段

4.1.1 提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制檔距比

設(shè)計(jì)階段充分調(diào)研微地形、微氣象區(qū)域，收集該地區(qū)在運(yùn)線路的運(yùn)行情況，注意山谷中的塔位和大跨越塔位，在排塔定位時(shí)應(yīng)盡量避免出現(xiàn)大高差和垂直檔距較小的情況，同時(shí)應(yīng)控制桿塔兩側(cè)檔距比不大于1.5。

4.1.2 采用雙線夾，分解垂直荷載

對(duì)于跨越山谷、連續(xù)上下坡、山頂?shù)貐^(qū)的桿塔，地線懸垂串應(yīng)采用雙聯(lián)結(jié)構(gòu)，宜采用雙掛點(diǎn)，且單聯(lián)應(yīng)滿足斷聯(lián)工況荷載的要求，降低單個(gè)地線懸垂線夾承載的垂直荷載。

4.1.3 采用新材料，提高線夾耐磨能力

采用高錳鋼等高強(qiáng)度材質(zhì)的金具以及耐磨金具，提高金具的耐磨性和耐腐蝕性。通過(guò)金具上焊接附加部件，增大點(diǎn)、面接觸等兩種金具接觸方式下的接觸面積。

4.2 運(yùn)維階段

4.2.1 加強(qiáng)輸電線路架空地線懸垂線夾運(yùn)行管理

適時(shí)開(kāi)展全面檢查，重點(diǎn)是大檔距、大高差、微地形、微氣象區(qū)段架空地線懸垂線夾受力情況觀測(cè)與檢查，檢查過(guò)程中注意收集現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速信息，掌握線路運(yùn)行環(huán)境。

4.2.2 加強(qiáng)架空地線懸垂線夾日常維護(hù)與檢測(cè)

懸垂線夾的墊片遮住了掛板與承重軸的連接部位，在日常線路巡視中很難發(fā)現(xiàn)掛板與承重軸的磨損情況，運(yùn)維單位需按照DL/T 741—2010《架空輸電線路運(yùn)行規(guī)程》要求定期開(kāi)展導(dǎo)地線打開(kāi)線夾檢查[14]，對(duì)于微地形、微氣候等特殊區(qū)域應(yīng)適當(dāng)縮短檢查周期，對(duì)已發(fā)生磨損的桿塔應(yīng)做好記錄，并根據(jù)磨損情況縮短檢查周期。

4.2.3 及時(shí)更換缺陷線夾，增加線夾強(qiáng)度

根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)改進(jìn)懸垂線夾工藝，將懸垂線夾槽材料由鑄鐵改為鑄鋼，或者對(duì)懸垂線夾承重軸進(jìn)行防磨處理，增加懸垂線夾耳軸的磨損余量。

4.2.4 特殊區(qū)域架空地線線夾進(jìn)行單改雙加強(qiáng)

對(duì)大檔距、大高差、微地形地區(qū)單聯(lián)單掛點(diǎn)型式的地線金具進(jìn)行改造，增加一組地線懸垂線夾，以減輕線夾承受的荷載，提升輸電線路運(yùn)行的可靠性。