大噸位絕緣子配套金具研究

郭瑞興 ，趙洪遠 ，段 綱 ，周 彬 ，劉國梁

（1.中國能源建設(shè)集團江蘇省電力設(shè)計院有限公司，江蘇 南京 211100；2.國網(wǎng)山東省電力公司濰坊供電公司，山東 濰坊 261021；3.國網(wǎng)山東省電力公司建設(shè)公司，山東 濟南 250001；4.國網(wǎng)山東省電力公司昌樂縣供電公司，山東 濰坊 262400）

0 引言

由于特高壓線路傳輸容量大，其對導線截面提出了更高的要求，進而對直接承載導線拉力的耐張絕緣子串承載能力要求更高［1］。為解決這一問題，可以通過增加絕緣子串聯(lián)數(shù)以減小單個絕緣子串所受拉力，但串聯(lián)數(shù)過多一方面增加了成本，同時導致安裝難度增加，另一方面不利于運行維護［2］，因此研究采用串聯(lián)數(shù)較少、負荷等級較高的絕緣子串具有重要的工程應用價值，為此開展了超高負荷等級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

在特高壓線路中，導線常采用8×JL/G1A-630/45鋼芯鋁絞線，其導線額定拉斷力為150.45 kN［3］，考慮八分裂導線組、導線拉斷力和安全系數(shù)等參數(shù)，一般而言對特高壓八分裂導線耐張串所需承載機械總負荷為1 346 kN。

通常耐張串可設(shè)計為雙聯(lián)，此時每聯(lián)絕緣子所需機械負荷為673 kN，將負荷等級上調(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強分布情況，同時要保證在運行工況下每聯(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)對雙聯(lián)絕緣子串的污耐壓試驗結(jié)果，在等值附鹽密度為0.05 mg/cm2的情況下，當雙聯(lián)鐘罩型絕緣子間距大于200 mm時，絕緣子的放電過程可獨立。由于絕緣子并聯(lián)增加了閃絡發(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。當絕緣子雙聯(lián)的凈空間距分別為200 mm和500 mm時，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，當絕緣子雙聯(lián)凈空間距為500 mm時，放電過程獨立發(fā)展，此時雙串并聯(lián)的污閃電壓比單串時高3.9%。根據(jù)上述分析說明雙串并聯(lián)時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，污閃電壓的實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 單雙串絕緣子污閃電壓

分析實驗數(shù)據(jù)可見在等值附鹽密度為0.05 mg/cm2時聯(lián)間凈空距離增大后，污閃電壓反而降低。進一步與單串結(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，雙聯(lián)串污閃電壓反而比單串高3.9%。分析其原因，是由于試驗本身的分散性造成的。綜合來看，聯(lián)間凈空間距大于200 mm時污閃電壓即可達到基本相同。

機械性能方面，考慮到直流特高壓絕緣子串的長度一般較長，在考慮聯(lián)間距時除了要考慮絕緣子盤徑外，還應當考慮受風荷載作用引起的絕緣子串的偏移問題。以重污區(qū)耐張絕緣子配置為例，考慮最嚴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)金具總長可達24 m，極端情況下絕緣子最大偏移可達95 mm，考慮到絕緣子盤徑400 mm，當兩聯(lián)間中心距離不小于500 mm時，可以確保此種組裝形式下絕緣子間不會發(fā)生碰撞。

聯(lián)間距的確定要在機械性能滿足安全運行的前提下，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；按照采用盤徑400 mm的大噸位絕緣子，考慮200 mm聯(lián)間凈空距離可以滿足對于污閃電壓和機械性能的要求，結(jié)合以往工程經(jīng)驗，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、耐張線夾、跳線間隔棒、均壓環(huán)、屏蔽環(huán)等［5］。針對760 kN大噸位絕緣子主要研究其雙聯(lián)耐張串的配套金具，因此只分析對碗頭掛板、聯(lián)塔金具、跳線間隔棒等主要配套金具的設(shè)計。

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稱破壞載荷最大為550 kN，無法達到大噸位絕緣子760 kN的要求，根據(jù)碗頭掛板相關(guān)標準中對結(jié)構(gòu)型式的要求［6］，結(jié)合國內(nèi)碗頭掛板的設(shè)計經(jīng)驗，并參考絕緣子廠家提供配套的絕緣子部件的尺寸，研究設(shè)計了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)計為圓柱型，依照荷載將其外徑設(shè)計為120 mm，碗頭掛版整體構(gòu)造較為簡潔，滿足與相關(guān)配件連接尺寸的要求，同時便于廠家加工。球窩的尺寸設(shè)計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，滿足大噸位絕緣子球頭頸部的荷載要求，同時二者連接方便靈活。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

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固定在一起，確保送電線路導線穩(wěn)固，關(guān)系到送電線路能否安全穩(wěn)定運行。在大風工況下，導線有一定角度的風偏，需要聯(lián)塔金具具備一定的轉(zhuǎn)動量，因此聯(lián)塔金具既要有充分的機械負荷，將導線和絕緣子固定，同時又要有良好的轉(zhuǎn)動性與耐磨性，防止聯(lián)塔金具磨損引發(fā)斷聯(lián)。目前特高壓輸電線路工程中常使用耳軸形式掛板，能夠保障其各個方向轉(zhuǎn)動靈活。結(jié)合以往特高壓線路的設(shè)計經(jīng)驗，綜合分析聯(lián)塔金具部分和鐵塔橫擔處的磨損情況，聯(lián)塔金具所承載的負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)計噸位要高于760 kN絕緣子一個等級。外觀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。分析導線耐張串的受力特點可知，聯(lián)塔金具采用整體鍛造加工方式，可達到加強組串機械性能的要求。聯(lián)塔金具具體的型式如圖3所示。

2.3 跳線間隔棒

圖3 聯(lián)塔金具設(shè)計

目前跳線常用的間隔棒分為剛性間隔棒和柔性間隔棒兩大類。剛性間隔棒的優(yōu)點是能夠保證分裂子導線不發(fā)生任何相對位移，缺點是剛性間隔棒不能解決微風振動，無法有效抑制次檔距振蕩。基于上述兩點原因，跳線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。橡膠阻尼方式是在間隔棒關(guān)節(jié)處置入橡膠墊，可以有效減小線路的振動能量，在降低微風振動和次檔距振蕩方面效果顯著，并且從目前使用狀況來看，橡膠阻尼間隔棒運行良好。彈簧阻尼間隔棒利用阻尼彈簧消耗能量，提高抗振能力。

特高壓線路跳線間隔棒的設(shè)計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，嵌入相應的橡膠墊，用來抑制微風振動。另外為了減少導線的磨損、減緩振動，在間隔棒的夾頭內(nèi)側(cè)嵌入橡膠墊。八分裂跳線橡膠阻尼間隔棒實物如圖4所示。

圖4 八分裂間隔棒設(shè)計

3 試驗分析

對760 kN絕緣子雙聯(lián)耐張串配套金具進行破壞荷載試驗，試驗中碗頭掛板判定的依據(jù)為達到標稱破壞載荷，保持60 s，試品沒有出現(xiàn)破壞；耐張線夾的判定依據(jù)為達到標稱破壞載荷，保持60 s金具與導線未發(fā)生相對滑移現(xiàn)象，并且導線沒有出現(xiàn)斷股或破壞。

3.1 碗頭掛板試驗

選取3件碗頭掛板進行試驗分析，首先碗頭掛版的外觀尺寸、鍍鋅層厚度滿足要求。按照GB/T 2317.1—2008《電工金具試驗方法 第1部分：機械試驗》標準中的要求對碗頭掛版進行破壞試驗［7］，實驗數(shù)據(jù)如表2所示。由表2可以看出選取的3件試品試驗數(shù)據(jù)都符合相關(guān)標準的要求，產(chǎn)品質(zhì)量為合格。碗頭掛板破壞試驗中時間—試驗力曲線詳見圖 5、圖 6和圖 7。

表2 機械試驗數(shù)據(jù)

圖5 試驗件1時間—試驗力曲線

圖6 試驗件2時間—試驗力曲線

圖7 試驗件3時間—試驗力曲線

3.2 耐張線夾試驗

通常耐張線夾試驗使用對拉形式，將兩端分別夾于臥式拉力機上，依據(jù)GB/T 2317.1—2008《電力金具試驗方法 第1部分：機械試驗》要求進行拉斷試驗，逐步提高臥式拉力機張力直至增加到規(guī)定的握力值，然后保持拉力值60 s，試驗中如果金具與導線沒有發(fā)生相對滑移現(xiàn)象，同時導線沒有出現(xiàn)斷股或破壞可以認為耐張線夾為合格。耐張線夾試驗分別進行3組均為合格，具體情況如表3所示。

表3 握力試驗數(shù)據(jù)

根據(jù)上述試驗結(jié)果，本次研究開發(fā)的760 kN絕緣子雙聯(lián)耐張串所配套的碗頭掛板、耐張線夾等金具符合國家、電力行業(yè)標準和工程技術(shù)規(guī)定，機械和電氣性能試驗均滿足相關(guān)要求，能夠在工程中進行推廣應用。

4 結(jié)語

研究大噸位絕緣子雙聯(lián)耐張串串型的設(shè)計，分別從電氣性能和機械性能兩個方面進行分析，從而保證了串型的實用性；在此基礎(chǔ)上開展了配套金具的研究，包括碗頭掛板、聯(lián)塔金具和跳線間隔棒。大噸位絕緣子配套金具的設(shè)計參考了低噸位的設(shè)計標準，結(jié)合現(xiàn)有的設(shè)計經(jīng)驗并采用整體鍛造方式加工，以提高組串的機械性能。最后通過試驗表明所開發(fā)的配套的碗頭掛板等非標金具符合國家、電力行業(yè)標準和工程技術(shù)規(guī)定，機械和電氣性能試驗均滿足要求。目前，研究的大噸位絕緣子雙聯(lián)耐張串非標金具成功應用于榆橫-濰坊特高壓交流輸變電工程。