500kV架空線路地線防振錘滑移分析及結構改造

方 權 張學鋒 侯金華 高虹亮 汪旭旭

（1.國網湖北省電力公司檢修公司 宜昌檢修分部，湖北 宜昌 443000；2.三峽大學 電氣與新能源學院，湖北宜昌443002）

自1925年最早出現的防振錘（Stock Bridge）［1］問世以來，電力金具市場已經涌現出多種型式的防振錘.在進行防振錘設計與研究時，研究人員常常將重點放在型號、安裝距離、安裝數量等方面［2］，或僅僅關注防振錘的力學特性［3］，而忽略了防振錘安裝以后出現的滑移問題.

防振錘滑移問題由來已久且廣泛存在于各省電網公司的運維工作中，如2005年江蘇“田鹽線”發生多起、2006年甘肅慶陽“梅西線”出現200多次［4］.雖然不斷有新型防滑移的防振錘投入運行使用，但是仍然不能解決防振錘滑移問題.新型的防振錘即使在室內試驗滿足防振錘技術條件，在運行一段時間后也會出現滑移現象.防振錘一旦滑移，便會失去抑制導線微風振動及消耗風能的作用.因此，根據防振錘運行環境、受力特性、自身結構特點設計新型的防滑移防振錘，可以減少防振錘滑移幾率，提高防振錘的可靠性，也能夠減輕運行部門的運檢工作量，保障電力系統的安全運行.

1 防振錘滑移分析

此次的研究對象為湖北省電力公司檢修公司宜昌分公司所轄500kV架空良導體地線（LHAGJ－150／25）上使用的防振錘，型號為FR－2型.FR－2型防振錘采用不對稱分布結構，具有4個固有頻率，防護的頻率范圍更寬、更有效［5］.

1.1 防振錘力學分析

防振錘在實際運行時可以和輸電線一起運動，從而吸收耗散輸電線的振動功率.防振錘的受力分析，要考慮防振錘的安裝姿態.輸電線檔距較大時，其剛度可以忽略不計，近似于懸鏈線.防振錘夾頭軸線與水平線之間存在夾角θ，當兩基桿塔不等高時，夾角θ也隨之增大.下面分別從靜態和動態兩個方面分析防振錘的受力狀態.

1）無風狀態

無風即輸電線－防振錘體系無振動，處于靜力平衡狀態.假設一檔線路，兩基桿塔高差為H，檔距為L，防振錘夾頭軸線與水平線間的夾角為θ，防振錘離懸掛點的距離為Lc，圖1是輸電線－防振錘體系示意圖.

圖1 輸電線－防振錘體系示意圖

設兩錘頭的重力為G1、G2，以防振錘夾頭中心為研究對象，f表示摩擦力，M表示彎矩，F表示輸電線對防振錘的支持力，如圖2所示.

圖2 無風狀態防振錘受力分析

輸電線處于懸鏈線狀態懸掛于兩基桿塔之間，則防振錘夾頭軸線與水平線的夾角θ可以用比載γ、防振錘到弧垂最低點間的線長LOC、輸電線應力σ0表示［6］，如式（1）所示.

由圖2可以得出靜止狀態下，相對于夾頭中心的彎矩平衡，如式（2）所示

Y向靜力平衡如式（3）所示

X向靜力平衡如式（4）所示

式中，μ為摩擦系數，S設為夾頭與輸電線實際接觸面，q為單位接觸面上的力，則qS是夾頭對輸電線握力的反力.

2）受迫振動情況下的受力分析

當輸電線處于微風振動情況時，防振錘也會隨之振動以降低近懸掛點處的振幅及應力分布狀態.根據振動力學理論，可以將輸電線－防振錘體系的振動看成簡諧慣性力激勵的受迫振動［7］.振動系統的簡化如圖3所示.

圖3 防振錘動力學模型

圖中c為輸電線－防振錘體系的阻尼系數，k為體系的剛度，m為防振錘荷重.假設輸電線的振幅為A，頻率為ω，沿y向做簡諧振動，其運動方程為

輸電線的振動會在防振錘上產生慣性力Fy，如式（7）所示

1.2 滑移原因分析

根據上一部分的受力分析可知，防振錘重力沿導線軸線方向的分力、材料配對、導線蠕變伸長等因素可能導致防振錘出現滑移現象.

1）重力沿導線軸線方向的分力

防振錘夾頭軸線往往與水平線間存在一個夾角θ，當防振錘的緊固螺栓松動時，就會導致摩擦力不足.由式（4）、（5）可知，摩擦力不足時，沿防振錘夾頭軸線方向的合力不再平衡，此時

由此可知，防振錘在線夾軸線方向的分量大于摩擦力時，防振錘就會在重力分量的驅動下發生滑移.

2）材料配對的影響

防振錘線夾夾頭一般采用鑄鋼或是高強度鋁合金材料制作，而輸電線（導線或是良導體地線）其外層絞線的材質為鋁，鋁材的塑性較好，但硬度較鑄鋼和鋁合金要差很多.由式（7）可知，在輸電線振動時，防振錘夾頭和輸電線之間存在一個大小方向不斷變化的慣性力，相對較硬的線夾夾頭作用在硬度較小的輸電線上時，輸電線在沖擊下產生擠壓變形，經過一定次數的積累，原本處于緊握狀態的防振錘線夾出現間隙而引起滑移.

南京線材廠對其設計的防滑防振錘進行了防振錘功率特性和疲勞試驗表明，同種類型的防振錘安裝在鋼芯鋁絞線上的滑移趨勢要大于安裝于鋼絞線上的情況，由此看出材料的配對可能引起防振錘滑移.

3）輸電線蠕變伸長引起松弛

輸電線由于其運行環境的復雜性，導致輸電線的狀態隨運行環境的改變而變化.輸電線張力不僅產生彈性伸長，也會產生永久性的蠕變伸長.在覆冰有風、檔距中央有非均布載荷的情況下，輸電線的應力隨之增大，輸電線更易產生塑性伸長.輸電線伸長會引起輸電線的直徑變小，從而導致防振錘滑移.

2 防滑移方案

2.1 防滑移方案列舉

為了改善防振錘滑移現象，結合防振錘運行環境及對象的特定性，可以從增大摩擦力、減小驅動力等方面入手.具體的方案為：通過改變結構，改變材料來改善接觸狀態、增大摩擦系數.圖4為所提出的4種防滑移方案：左上為彈性卡子式，右上為橡膠墊式，左下為金屬內套式，右下為預絞絲橡膠套式.

圖4 4種防滑移方案

彈性卡子式將線夾分成內外兩部分，通過彈性卡子緊固，當導線因蠕變、摩擦磨損變細時，彈性卡子會收緊線夾內外兩部分.橡膠墊式將兩個橡膠墊內嵌在線夾內，通過橡膠的回彈性能防止防振錘線夾松動.金屬內套式將導線與線夾通過錐形金屬鋁套固定在一起.預絞絲橡膠套式融合了橡膠墊與預絞絲雙重防滑作用而未改變原有線夾結構.

4種防滑移方案雖在理論上能夠抑制防振錘滑移，但是從制造成本、加工工藝、安裝難易等幾個方面考慮，最終選擇金屬內套式.表1為4種方案的對比結果.

表1 4種方案對比結果

2.2 方案有限元驗證

利用ANSYS13.0Workbench對前面最終選擇的金屬內套方案進行有限元接觸分析.

1）有限元模型簡化

金屬內套式防振錘防滑移的關鍵部件為金屬內套，其真實模型嵌合后，可認為是對稱結構，因此取其1／2部分，此外將其錐齒部分簡化為完整的錐套.同時將與金屬內套接觸的地線簡化為圓柱結構.兩者簡化后的模型如圖5所示.

圖5 金屬內套與地線簡化模型

2）網格化

圖6 網格化

3）加載計算

金屬內套式防振錘擰緊時螺栓力臂要大于地線反力的力臂，由力矩平衡計算可得線夾施加在地線上的力40kN左右，取40kN.根據《防振錘技術條件和試驗方法》關于線夾防振錘線夾對地線握力的試驗要求：大于2.5kN即為合格，取作用在金屬內套上沿地線軸向的力5kN.查摩擦系數表，鋁材取0.17.

4）接觸分析

圖7為金屬內套等效應力云圖，從圖中可知應力由外向里呈減小趨勢，即與線夾接觸部位應力最大，高達132MPa，1／2剖面處達到了265MPa以上，說明在擰緊螺栓的同時，鋁質金屬內套會擠壓變形，可靠地嵌合在一起，而與地線接觸處應力最小，基本在66MPa以下.

圖7 等效應力云圖

圖8為金屬內套與地線接觸面的摩擦應力云圖.從圖中可以看出，摩擦應力最大值43.8MPa出現在金屬內套的非錐齒處，而錐齒處的摩擦應力（15MPa左右）相對比較均勻，因此可以減少錐齒部分對地線的劃傷；經計算可知，接觸面間摩擦力值約為850N，大于防振錘重力（式8）沿導線軸線方向的分力值45N，能夠抑制防振錘出現滑移.

圖8 摩擦應力云圖

圖9為金屬內套與地線接觸面的接觸狀態圖，根據圖中顯示區域可知，接觸面整個區域基本處于粘著狀態（sticking），未見有滑移狀態（sliding）的區域.

圖9 接觸狀態圖

3 結 論

1）通過對防振錘的結構、組成、材料、運行環境及受力特性分析，找出了地線防振錘滑移的影響因素.并根據影響因素，利用建模軟件提出了4種防滑移方案.

2）針對提出的4種防滑移方案進行了綜合比較，確立金屬內套式防振錘為最佳方案，并利用ANSYS13.0Workbench對其進行有限元接觸分析.結果驗證表明，該方案能夠滿足防滑移的目的，是一種有效的設計方案.

3）由于對模型進行一些簡化，故后期有待進一步增加模型和實物的逼真性，進而探索結構的優化設計.

［1］ 榮國杰，李臣忠.4D系列防振錘的歷史與發展［J］.電力建設，2005，26（12）：62－66.

［2］ 張 旗，張 玲.架空線防振錘設計中的幾個問題［J］.電力學報，2005，20（2）：169－171.

［3］ 徐乃管，王景朝，董玉明.關于防振錘性能的探討［J］.電力建設，2001，22（3）：8－11.

［4］ 夏泓軒，夏德森.防振錘線夾滑移分析及預防措施［J］.電力建設，2008，29（8）：108－109.

［5］ 侯景鵬，吳興宏，孫自堂，等.防振錘的動力特性分析［J］.水電能源科學，2011，29（2）：172－173.

［6］ 孟遂民，孔 偉.架空輸電線路設計［M］.北京：中國電力出版社，2007：60－66.

［7］ 郭應龍.輸電線路舞動［M］.北京：中國電力出版社，2002：41－51.