相間間隔棒的防振與防舞彈簧阻尼裝置

王星涵，顏京忠，王茂成，金曉唐，王紹輝

（1.國網(wǎng)山東省電力公司龍口市供電公司，山東 煙臺 265700；2.國網(wǎng)山東省電力公司蓬萊市供電公司，山東 煙臺 265600；3.國網(wǎng)山東省電力公司煙臺供電公司，山東 煙臺 264001；4.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；5.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海），山東 威海 264200）

0 引言

防舞相間間隔棒能有效遏制線路覆冰舞動，自2010年以來，已經(jīng)在全國架空輸電線路中得到了廣泛應(yīng)用。但由于使用過程中存在夾具易脫落、導(dǎo)線斷股甚至磨斷的問題，成為電網(wǎng)安全運(yùn)行的隱患，各地曾發(fā)生多起相間間隔棒與雙分裂導(dǎo)線脫落現(xiàn)象，引起生產(chǎn)部門的高度重視。目前已安裝的防舞相間間隔棒主要起到支撐、隔離作用，防止相間短路，但加劇振動。2016年3月，國家電網(wǎng)公司運(yùn)檢［2016］413號文中第5.2條規(guī)定，應(yīng)避免在跨鐵路、高速路和重要輸電通道的跨越檔內(nèi)安裝相間間隔棒，說明現(xiàn)有防舞相間間隔棒技術(shù)并不成熟。

相間間隔棒最早由加拿大人提出，是防止線路不同步舞動導(dǎo)致相間短路非常有效的措施［1-10］；文獻(xiàn)［11-12］所述單彈簧阻尼裝置僅限于相間間隔棒受壓情況下發(fā)生彈簧形變，文獻(xiàn)［13-14］所述雙彈簧阻尼裝置在相間間隔棒受拉或受壓情況下均能發(fā)生彈簧形變，彈簧的剛度系數(shù)限制了文獻(xiàn)［11-14］所述的兩種彈簧阻尼裝置只能適于防振或僅限于防舞。導(dǎo)線覆冰舞動和微風(fēng)振動所產(chǎn)生的效果截然相反，導(dǎo)線覆冰舞動是大幅度、低頻率的，舞動幅度小至2～3 m，大至4～6 m，而導(dǎo)線的微風(fēng)振動是小幅度、高頻率的，因此，防振和防舞的理論計算模型是截然不同的，現(xiàn)有彈簧阻尼裝置因其剛度系數(shù)的限制達(dá)不到既能防舞又能防振的效果，生產(chǎn)一線緊迫需求研發(fā)出高效耗能的阻尼裝置。

設(shè)計一種既能防舞又能防振的相間間隔棒，最大限度地消耗導(dǎo)線舞動能量，減少導(dǎo)線舞動幅度，降低對相鄰桿塔強(qiáng)度的影響，避免出現(xiàn)倒塔事故；最大限度地消耗導(dǎo)線微風(fēng)振動能量，避免出現(xiàn)導(dǎo)線斷股、斷線等事故。

1 防振防舞彈簧阻尼裝置構(gòu)成

防振防舞彈簧阻尼裝置［15］由圓柱筒體、活塞、軸桿、空腔、防振彈簧、防舞彈簧、底座、防松螺栓等組成；其中，圓柱筒體由槽型扁腳、連接孔和圓柱凸起組成，活塞上有若干換氣孔，軸桿下聯(lián)帶連接孔的單扁腳，底座下聯(lián)圓筒體，如圖1所示。

圖1 彈簧阻尼裝置組裝總成

防振防舞彈簧阻尼裝置的設(shè)計原則是：在導(dǎo)線微風(fēng)振動過程中消耗導(dǎo)線振動能量，避免導(dǎo)線斷股、斷線；在導(dǎo)線覆冰舞動過程中消耗導(dǎo)線舞動能量，減少導(dǎo)線舞動幅度，避免相間導(dǎo)線短路。設(shè)計一種同時具有防振、防舞功能的彈簧阻尼裝置，如圖2～5所示。圓柱筒體頂部設(shè)帶兩個安裝孔的槽型扁腳，內(nèi)頂面中心部位設(shè)有一圓柱形凸起，圓柱筒體底部與底座絲扣連接，底座下面連接圓筒體；在圓柱筒體內(nèi)設(shè)置防振上彈簧、防舞上彈簧和防振下彈簧、防舞下彈簧，防振上彈簧、防振下彈簧分別套在防舞上彈簧、防舞下彈簧內(nèi)，防振上彈簧、防舞上彈簧和防振下彈簧、防舞下彈簧以聯(lián)有軸桿的活塞隔離開；軸桿一端連接帶換氣孔的活塞，另一端連接帶兩個安裝的單扁腳，先后通過底座和圓筒體伸出圓柱筒體外。

圖2 彈簧筒結(jié)構(gòu)

圖3 底座與固定筒體

圖4 活塞軸桿和防振彈簧

防振上彈簧和防舞上彈簧底部均固定于活塞的上表面，防舞上彈簧頂部與圓柱筒體頂部之間預(yù)留防振上彈簧的形變空間；防振上彈簧的頂部套設(shè)于圓柱筒體的圓柱形凸起上，避免橫向錯位。

防振下彈簧和防舞下彈簧均套于軸桿外圍；防舞彈簧的底部固定于底座的上表面，防舞下彈簧頂部與活塞之間預(yù)留防振下彈簧的形變空間；防振下彈簧的上、下兩端分別與活塞、底座相接觸但不固定，確保軸桿的軸向自由度，避免導(dǎo)線覆冰舞動過程中復(fù)合絕緣子芯棒受扭。

2 防振防舞彈簧阻尼裝置工作原理

在導(dǎo)線微風(fēng)振動過程中，活塞上、下高頻率位移，上、下防振彈簧隨之交替受壓，消耗導(dǎo)線微風(fēng)振動能量，避免導(dǎo)線斷股、斷線和緊固螺栓松動以及相間間隔棒從導(dǎo)線上掉落。在導(dǎo)線覆冰舞動、彈簧阻尼裝置受拉過程中，活塞下移，下防振防舞機(jī)構(gòu)的防振彈簧壓縮至防舞彈簧位置時，防振彈簧將與防舞彈簧共同受壓并消耗舞動的能量；在導(dǎo)線覆冰舞動、彈簧阻尼裝置受壓過程中，活塞同時帶動上防振防舞機(jī)構(gòu)的防舞彈簧上移至上防振防舞機(jī)構(gòu)的頂部位置時，防舞彈簧受壓并消耗舞動的能量，此過程中，上防振防舞機(jī)構(gòu)的防振彈簧始終處于彈性受壓狀態(tài)；通過上下兩個防舞彈簧和防振彈簧彈性變形的完美組合，自動達(dá)到新的平衡。

使用時，將裝置的上連接件安裝于相間間隔棒中的復(fù)合絕緣子端部金具上，將裝置的下連接件安裝于相間間隔棒中的調(diào)整板上，如圖6所示。兩個防舞彈簧的結(jié)構(gòu)高度應(yīng)不影響兩個防振彈簧在微風(fēng)振動過程中獨(dú)立工作，也就是說，兩個防振彈簧比兩個防舞彈簧高出微風(fēng)振動形變量的一半及以上，以便在導(dǎo)線微風(fēng)振動過程中，只有防振彈簧在工作；防振彈簧的彈簧圈直徑小于防舞彈簧的彈簧圈直徑，并大于軸桿外徑，工作過程中不應(yīng)相互接觸、磨損。在導(dǎo)線微風(fēng)振動或覆冰舞動過程中，防振彈簧和防舞彈簧的固有頻率不應(yīng)在導(dǎo)線微風(fēng)振動或覆冰舞動的頻率范圍內(nèi)，避免發(fā)生共振。

圖6 具有防振防舞彈簧阻尼功能的220 kV相間間隔棒

防振彈簧和防舞彈簧均采用SUS304-WP型不銹鋼材質(zhì)，不考慮金具安全系數(shù)2.5［16］，否則彈簧形變失真。其他構(gòu)件需考慮金具安全系數(shù)，并熱鍍鋅。

3 防振防舞彈簧阻尼裝置數(shù)據(jù)計算

3.1 防振彈簧

導(dǎo)線微風(fēng)振動風(fēng)速1～5 m／s對應(yīng)的導(dǎo)線振動頻率為 9.26～46.3 Hz［17］，對應(yīng)的激振力單位幅值為0.11～1.3 N／m，相間間隔棒的間距不超過 200 m［10］，則導(dǎo)線微風(fēng)振動對應(yīng)的激振力幅值為22～260 N；考慮到安全裕度，防振彈簧的額定機(jī)械荷載取290 N。防振彈簧的理論計算：根據(jù)圓柱形螺旋壓縮彈簧計算公式［18-19］，輸入數(shù)據(jù)如表 1 所示。

得出計算結(jié)果如表2，得出防振彈簧的最大壓力292.2 N和最小壓力29.2 N，滿足導(dǎo)線微風(fēng)振動橫向力范圍。

防振彈簧的剛度系數(shù)［18-19］為

防振彈簧的固有頻率為

式中：n為頻率，Hz；K為彈簧的剛度系數(shù)；m為彈簧承受載荷的質(zhì)量，g。

表1 防振彈簧的設(shè)計數(shù)據(jù)

表2 防振彈簧的計算結(jié)果

顯然，防振彈簧的固有頻率不在導(dǎo)線微風(fēng)振動的頻率范圍內(nèi)，不會發(fā)生共振現(xiàn)象。

防振彈簧的自振頻率為

顯然，防振彈簧在導(dǎo)線微風(fēng)振動過程中也不會發(fā)生自振現(xiàn)象。

3.2 防舞彈簧

非舞動條件下，相間間隔棒（含端部連接金具）額定機(jī)械拉伸荷載不小于8 kN，破壞機(jī)械荷載為10 kN［20］。LGJ-400／35型單導(dǎo)線安全系數(shù)為 2.5，在 0.1～1.0 Hz頻率范圍內(nèi)的橫向舞動力為 3 756～9 648 N［21］，則LGJ-400／35型雙分裂導(dǎo)線的最大橫向舞動力約為7 512～19 296 N，雙分裂導(dǎo)線相間間隔棒所受的最大軸向拉、壓力約為雙分裂導(dǎo)線的最大橫向舞動力的2倍，即約為15.0～38.5 kN。考慮到安全裕度，取防舞彈簧的軸向額定機(jī)械荷載為40 kN。防舞彈簧的理論計算：根據(jù)圓柱形螺旋壓縮彈簧計算公式［18-19］，輸入數(shù)據(jù)如表3所示。

計算結(jié)果如表4所示，得出防舞彈簧的最大壓力42.4 kN和最小壓力4.2 kN，滿足導(dǎo)線橫向舞動力范圍。

防舞彈簧的剛度系數(shù)為

防舞彈簧的固有頻率為

顯然，防舞彈簧的固有頻率不在覆冰舞動的頻率范圍內(nèi)，不會發(fā)生共振現(xiàn)象。

防舞彈簧的自振頻率為

顯然，防舞彈簧在導(dǎo)線覆冰舞動過程中也不會發(fā)生自振現(xiàn)象。

3.3 彈簧阻尼裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

使用spring單元模擬彈簧，在必要的位置建立了接觸。使用rigid單元模擬了螺紋連接。加載位置位于結(jié)構(gòu)螺栓孔幾何中心，固定一端，在另一端施加載荷，計算模型如圖7所示。

圖7 彈簧阻尼裝置計算模型

通過有限元分析，發(fā)現(xiàn)筒體（材質(zhì)Q235，屈服強(qiáng)度235 MPa）與槽形扁腳（材質(zhì)Q235）之間銜接強(qiáng)度偏低，如圖8和圖9，需要改為Q345鋼（屈服強(qiáng)度345 MPa）或45號鋼（屈服強(qiáng)度355 MPa），并進(jìn)行熱處理；其他構(gòu)件滿足強(qiáng)度要求。

圖8 筒體應(yīng)力云圖

圖9 帶槽形扁腳的封頂應(yīng)力云圖

表3 防舞彈簧的設(shè)計數(shù)據(jù)

表4 防舞彈簧的計算結(jié)果

4 結(jié)語

設(shè)計了同時具有防振、防舞功能的彈簧阻尼裝置，可以避免防舞相間間隔棒在使用過程中易脫落、導(dǎo)線斷股甚至磨斷。該裝置中，上下兩個防振彈簧比上下兩個防舞彈簧高出微風(fēng)振動形變量的一半及以上，在導(dǎo)線微風(fēng)振動過程中，只有防振彈簧在工作；防振彈簧的彈簧圈直徑小于防舞彈簧的彈簧圈直徑，并大于軸桿外徑，工作過程中不相互接觸、磨損。在導(dǎo)線覆冰舞動過程中，防振上彈簧、防舞上彈簧或防振下彈簧、防舞下彈簧隨活塞低頻位移而交替受壓，消耗導(dǎo)線舞動能量。防振彈簧和防舞彈簧不考慮金具安全系數(shù)。其固有頻率不在導(dǎo)線微風(fēng)振動和覆冰舞動的頻率范圍內(nèi)，不會產(chǎn)生導(dǎo)線與彈簧共振現(xiàn)象以及彈簧自振現(xiàn)象。通過有限元分析，建議筒體材質(zhì)應(yīng)采用Q345鋼或45號鋼。