500 kV線路用抗舞間隔棒的研制與性能測試

趙書杰， 呂中賓， 楊曉輝，賈 迪， 張希希， 劉澤輝

(1． 國網輸電線路舞動防治技術實驗室(國網河南省電力公司電力科學研究院), 河南 鄭州 450052；2． 中國能源建設集團南京線路器材有限公司，江蘇 南京 211514;3. 潤電能源科學技術有限公司，河南 鄭州 450052)

0 引言

舞動[1-3]是冬季影響輸電線路安全運行的主要因素，舞動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構破壞等難以直接恢復的事故。分裂導線間隔棒是架空輸電線路必不可少的防護金具[4-6]，作用是在正常運行情況下保持分裂導線的幾何形狀，限制子導線之間的相對運動。由于長期掛網使用和振動疲勞，尤其在舞動多發地區，間隔棒可能出現框板扭曲變形、阻尼關節失效、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，間隔棒附近導線磨損、斷股甚至斷線，給線路安全運行帶來極大隱患。

眾多電力工作者針對輸電線路間隔棒出現的故障進行研究并提出了對應的改進措施。胡建平等[7]分析了間隔棒的常見故障，利用有限元法對間隔棒在線路正常運行、短路、不均勻覆冰3種工況下的受力狀態、應力分布等力學性能進行仿真，通過模態分析計算間隔棒振動時的固有頻率，指出間隔棒線夾是易發生故障的部位，風致振動和應力集中產生的疲勞是引起間隔棒機械破壞的最主要因素，但沒有提出具體改進措施。程學啟等[8]分析了相間間隔棒串型結構特點，對容易發生破壞的子導線間隔棒進行優化設計，研制了新型子導線間隔棒，但其機械性能僅通過了型式試驗相關要求測試。

輸電線路的抗舞措施通過提高線路的電氣和機械強度來消除或減輕舞動造成的危害，提高線路塔線體系抵抗舞動的能力。提高舞動多發區線路用金具的機械強度，提升金具掛網運行的安全系數，確保金具在舞動過程中不發生損壞，是輸電線路塔線體系抗舞措施提升的重要組成部分。國網公司重點實驗室“輸電線路舞動防治技術實驗室”以舞動防治為研究主題，實驗室擁有的真型舞動試驗線路具有10基桿塔，全程3.715 km，經過多年研究改進，線路已具備全年1/3時間起舞的試驗能力。本文針對舞動區間隔棒受損問題，依托真型舞動試驗線路，在舞動區間隔棒受損特征統計及原因分析的基礎上，研制開發了一種適用于舞動區使用的新型抗舞間隔棒，并進行了極限承載試驗，對新研發間隔棒的整體機械性能進行評估。

1 舞動條件下間隔棒載荷分析

導線舞動[9-12]主要包括垂直導線平面的橫向馳振運動和以分裂導線軸向為中心的扭轉運動，導線舞動軌跡近似類橢圓形狀。風作用在導線上的升力FL，阻力FD和扭矩M按式(1—3)計算：

(1)

(2)

(3)

式中：ρ，v，d分別是空氣密度、風速和導線直徑；CL(α)，CD(α)，CM(α)分別是導線的升力系數、阻力系數和扭轉系數，與風攻角α有關。

作用在間隔棒上的風壓載荷[13]：

WS=W0μAS

(4)

式中：W0是基準風壓標準值，W0=U2/1600；μ是風壓高度變化系數；AS是間隔棒的受風面積。

間隔棒隨分裂導線舞動過程中主要運動形式及其載荷包括兩大類，下面分別進行分析。

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

(2) 子導線運動差異引起的間隔棒運動。間隔棒與分裂導線運動的差異性，主要由子導線與分裂導線整體舞動之間的運動差異造成。表現在：子導線與間隔棒扭轉運動差異導致線夾繞連接處扭轉運動產生扭力；橫向弛振運動的差異產生徑向力；不同子導線運動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。舞動條件下間隔棒各個方向上的受力如圖1。

圖1 舞動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線發生作用的載體，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 間隔棒受損統計及原因分析

2.1 受損統計

現場間隔棒舞動受損主要形式有：(1) 阻尼關節限位凸臺失效，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

真型舞動試驗基地在2014年試驗線路運維中發現間隔棒損壞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、阻尼關節)出現受損，而某些間隔棒的線夾和阻尼關節都出現受損。

圖3 尖山真型試驗線路間隔棒損壞照片Fig.3 Pictures of damaged spacers on full-scale test line

圖4為間隔棒的受損部位統計結果：線夾受損、框板受損、阻尼關節失效的間隔棒分別有28支，11支和31支，分別占受損總數的52.8%，20.8%和58.5%。間隔棒的受損主要集中在線夾、阻尼關節處，框板受損主要形式是與相間間隔棒連接處的連接孔在導線舞動過程中撕裂。

圖4 受損部位統計Fig.4 Damage location statistics of spacers

2.2 原因分析

2.2.1 線路工況惡劣

線路舞動常發生于冬季，當發生不均勻覆冰時或大風天氣下，導線發生大幅度、長時間的舞動。導線舞動能量大、舞動時周期性動態載荷、防舞裝置在導線舞動中的載荷影響是造成舞動區線路間隔棒較一般線路受損嚴重的直接原因。

2.2.2 未針對舞動工況進行差異化配置

研究表明，對于惡劣運行環境下的間隔棒，應進行結構優化和機械強度匹配，以適應覆冰舞動、大風等嚴酷工況[14]。目前線路用間隔棒大多依據電力行業標準DL/T 1098—2009[15]進行選型、設計及入網型式試驗，沒有針對舞動區線路的特殊要求進行差異化選型配置，這是造成舞動區間隔棒受損的主要原因。如：DL/T 1098—2009標準中要求扭轉振動情況下間隔棒線夾扭轉角度不超過10°～15°，而實際運行中線夾的扭轉可達到25°。在這種情況下，間隔棒線夾尾部強烈撞擊限位凸臺，造成限位結構失效。

2.2.3 金具疲勞損壞

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

3 新型抗舞間隔棒的研發

本文根據間隔棒舞動承載特點及其受損特征，對間隔棒進行結構優化和材料優選，研發了適用于舞動區的新型抗舞間隔棒。

3.1 結構優化

3.1.1 阻尼關節

間隔棒的阻尼關節位于線夾與框架的連接處，起到一定的阻尼作用，同時承擔瞬時向心力和長期振動疲勞。傳統間隔棒通過關節橡膠墊的阻尼緩沖作用使線夾可在導線軸向扭轉力作用下沿切線方向轉動一定角度，并大多在框板上設置凸臺或者腰孔結構起限位作用。

舞動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生大角度的扭轉偏移，在扭轉角大于設計的限位角時，線夾尾部會劇烈磨損限位凸臺，造成限位結構失效。

由于輸電線路在不同覆冰程度和舞動強度下可能產生的扭轉偏移角不同，故取消間隔棒限位凸臺設計，通過在線夾與框板連接處設置蝶形阻尼關節橡膠墊使得間隔棒獲得較大的扭轉活動裕度，如圖5。將傳統間隔棒的凸臺限位硬連接結構改進為橡膠墊限位軟連接結構，實現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載荷能力。

圖5 阻尼關節Fig.5 Damping joint

3.1.2 框板

框板是間隔棒發揮支撐作用和保持分裂導線間隔的核心部件，其上分布的預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線相連接的載體，間隔棒承受的機械載荷較為集中，框板成為與防舞裝置連接組合的最大薄弱點。傳統間隔棒的板制結構已無法滿足舞動區機械載荷的要求，通過采用扣合式雙框板結構，框架每條邊的兩側設計有配對的凸臺及凹槽結構，起到加強作用。兩框板安裝扣合后形成類似管狀的結構，受力更加均衡，防止導線大幅舞動引起框板扭曲變形或與防舞裝置連接框板的撕裂現象。

圖6 框架結構橫截面Fig.6 The cross-section of the frame

3.1.3 線夾

線夾用于握緊子導線，是間隔棒附著在分裂導線上的基礎。線夾應能對導線施加長期可靠的握緊力且不損傷導線。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，并采用鉸鏈式結構。

分裂子導線與間隔棒扭轉運動的差異，導致子導線對線夾施加一定大小的法向剪切力，使承載線夾繞阻尼關節作扭轉運動；子導線間運動差異性越大，承載線夾作扭轉運動時對阻尼關節的沖擊越劇烈，阻尼關節的磨損越嚴重。為降低線夾作扭轉運動時對阻尼關節的沖擊，對框板與線夾尺寸比例進行優化[16]。通過增加間隔棒框板尺寸、縮短線夾長度的方式，減小線夾扭轉沖擊力的力臂長度，均衡間隔棒所受扭轉載荷。表1是分裂間距為450 mm的四分裂間隔棒優化前后線夾與框板尺寸，優化后的線夾/框板比例為0.592，抵抗扭轉載荷的能力可提升6.2%。

表1 優化前后尺寸比較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，橡膠墊采用高強度耐候性的三元乙丙橡膠。對于舞動多發區線路，可以適當提升相關結構的材質，進一步提高間隔棒的機械強度。

國內常用鑄造鋁合金材質有ZL101、ZL102、ZL104等。通過工程材料成本及鋁合金材質的機械性能比較，抗舞間隔棒線夾和框架選用ZL104材質并進行T1處理。ZL104材質強度高于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

通過以上結構優化和材質選型，研制出適用于舞動區500 kV線路的新型抗舞間隔棒，四分裂形式間隔棒實物照片如圖7所示，適用于分裂間距為450 mm，導線標稱截面為400/20、400/25、400/35的四分裂導線。

圖7 新型抗舞間隔棒實物照片Fig.7 Real photo of the new typeanti-galloping spacer

4 試驗測試

按照電力行業標準DL/T 1098—2009的試驗方法，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，對傳統間隔棒(簡稱傳統型)和新型抗舞間隔棒(簡稱抗舞型)進行機械性能測試比較,如圖8所示。

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

圖8(a)是線夾順線握力試驗。間隔棒線夾夾持D22導線，在標準規定的2.5 kN順線握力下，傳統型和抗舞型線夾相對導線均未發生滑移。當繼續增大拉力時，傳統型間隔棒分別在10 kN，10 kN，12 kN時，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，橡膠墊滑移超過2.5 mm。試驗表明，抗舞型間隔棒夾頭橡膠墊采用厚度為12 mm的厚型膠墊，相比傳統型間隔棒采用的常規厚度夾頭橡膠墊，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線大幅舞動過程中出現的線夾位置滑移。

圖8(b)是線夾垂直方向壓力試驗。在標準規定的6 kN垂直壓力載荷下，傳統型和抗舞型間隔棒未發生損壞。當繼續增大壓力時，傳統型和抗舞型間隔棒破壞情況如表3和圖9所示：傳統型間隔棒分別在6 kN，8 kN垂直壓力載荷時，線夾尾部、框架凸臺發生斷裂；而抗舞型間隔棒分別在15 kN，15 kN垂直壓力載荷時，線夾中部，框架轉角發生破壞。試驗表明，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構避免了限位凸臺和線夾尾部的剛性接觸，同時框架和線夾采用ZL104材質，提高了間隔棒抗扭轉載荷的能力。

表3 垂直方向壓力試驗結果Tab.3 Result of pressure test in vertical direction

圖9 垂直壓力試驗結果Fig.9 Result of pressure test in vertical direction

圖8(c)是向心力試驗。在標準規定的12.9 kN向心力載荷(折算到拉力F=108 kN)下，傳統型和抗舞型間隔棒均未發生損壞。當繼續增大拉力時，傳統型間隔棒分別在172.8 kN, 174.4 kN拉力載荷下，框架凸臺破壞；而抗舞型間隔棒在251.8 kN, 251.6 kN拉力載荷下未破壞，受試驗夾具條件限制，無法繼續施加載荷。試驗表明，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線間鞭擊的能力得到提高。

圖8(d)是整體承載強度試驗。試驗方法是：固定間隔棒的線夾，對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，傳統型間隔棒分別在載荷29 kN，28.6 kN時，線夾損壞；抗舞型間隔棒在載荷35.4 kN，36.2 kN時，線夾損壞。試驗表明，抗舞型間隔棒相比傳統型整體承載強度提升24%，整體承載強度的提升使間隔棒在導線舞動過程中耐受機械載荷的性能提升，結構可靠性提高。

5 結語

間隔棒受損特征統計表明，間隔棒受損嚴重部位集中在線夾與框板連接處，沒有針對舞動區線路特點進行間隔棒的差異化選型設計是造成舞動區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、扣合式雙框板設計及線夾與框板比例優化等結構優化，并選用高強度ZL104鋁合金材料，研發了一種適合在舞動區使用的新型抗舞間隔棒。試驗表明，相比傳統型間隔棒，新型抗舞間隔棒在順線握力、抗扭轉力、向心力以及框板整體承載強度幾方面得到大幅度提升。

新型抗舞間隔棒適用于舞動區線路，目前已經在河南省舞動較為嚴重的7條500 kV輸電線路得到應用。800余套新型抗舞間隔棒自2016年掛網應用以來沒有出現受損及導線磨損問題，有力保障了輸電線路安全運行。