丁 斌 劉曉博 孫 偉 葛 偉 石洪超

（1．國網(wǎng)張家口供電公司，河北 張家口 075000；2．河北三般電力設(shè)備科技有限公司，河北 滄州 062350）

0 引言

線夾是各種線路金具與裸導(dǎo)線連接的掛點(diǎn)，線夾內(nèi)圈裝配膠瓦，可使導(dǎo)線免于金具的直接磨損[1-2]。但是架空線路運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多樣，風(fēng)霜雨雪、沙塵和霧霾等均會對其造成影響。其中在風(fēng)振（含次檔距振動(dòng)）工況下，間隔棒損傷導(dǎo)線的事故頻繁發(fā)生于220kV 和500kV 架空線路上，造成了斷股甚至斷線的嚴(yán)重故障，威脅電網(wǎng)運(yùn)行安全。通過拆解故障間隔棒線夾發(fā)現(xiàn)是膠瓦部分或全部脫落導(dǎo)致了金具對導(dǎo)線的直接磨損，也明確了間隔棒線夾缺陷發(fā)生、發(fā)展的全過程[3]。

1 間隔棒損傷導(dǎo)線故障的試驗(yàn)室模擬重現(xiàn)

1.1 技術(shù)路線的確定

間隔棒損傷導(dǎo)線是目前北方寒冷多風(fēng)地區(qū)輸電線路運(yùn)行的高發(fā)故障，其中多風(fēng)地區(qū)相對嚴(yán)重。架空輸電線路是連接電源點(diǎn)和負(fù)荷中心的通路，是新型電力系統(tǒng)的承載網(wǎng)架。由于線路輸送容量的增加超出了單根導(dǎo)線允許輸送功率的上限，而線徑又無法持續(xù)加大，因此提出了單相線路采用多根子導(dǎo)線平行送電的設(shè)計(jì)方案，各子導(dǎo)線間采用間隔棒連接，以固定其相對位置。線夾是各種線路金具與裸導(dǎo)線連接的掛點(diǎn)，線夾內(nèi)圈裝配膠瓦，可使導(dǎo)線免于金具的直接磨損。在運(yùn)行過程中，線路振動(dòng)會對間隔棒造成機(jī)械影響，線夾內(nèi)圈膠瓦發(fā)生順線位移。當(dāng)幅向尺寸較小時(shí)，位移速度加快，直至膠瓦脫落，線夾金具與裸導(dǎo)線發(fā)生直接摩擦。隨著時(shí)間的累積，即會出現(xiàn)斷股甚至斷線故障[4]。

該問題的解決思路包括2 個(gè)方面：一是減少線路振動(dòng)，通過檔距調(diào)節(jié)或加裝防震錘；二是避免振動(dòng)發(fā)生時(shí)的線夾膠瓦位移，只要膠瓦對導(dǎo)線的保護(hù)功能不失效，導(dǎo)線就能免于金具的磨損。該文項(xiàng)目屬于第二種解決思路。該文在試驗(yàn)室中模擬實(shí)際運(yùn)行工況，再現(xiàn)膠瓦脫落、線夾磨損導(dǎo)線的過程，并做出量化分析。然后以此為基礎(chǔ)制定反措方案，研制均有新型線夾結(jié)構(gòu)的間隔棒，并配套開發(fā)安裝工具，已提升施工效率和作業(yè)完成質(zhì)量。

1.2 試驗(yàn)平臺的搭建

覆冰舞動(dòng)、微風(fēng)振動(dòng)和次檔距振蕩是架空輸電線路常見的運(yùn)行故障。覆冰舞動(dòng)屬于低頻（0.1Hz～3Hz）、大振幅（導(dǎo)線直徑的20～300 倍）自激振動(dòng)，形態(tài)為橢圓形半波（1個(gè)或多個(gè)），失效形式為斷股、斷線。微風(fēng)振動(dòng)是一種高頻（5Hz～100Hz）、低幅（10mm～單倍線徑）駐波振動(dòng)，振動(dòng)時(shí)長占全面的30%～50%，失效形式為疲勞破壞。次檔距振蕩是一種低頻（1Hz～3Hz）、低幅（500mm～單倍線徑）單腹波振動(dòng)，發(fā)生于分裂導(dǎo)線兩間隔棒之間的檔距，且在風(fēng)與導(dǎo)線夾角＞45°條件下頻發(fā)，與覆冰與否無關(guān)，失效形式以疲勞破壞為主[5]。

收集間隔棒磨損導(dǎo)線造成斷股、斷線的失效架空裸導(dǎo)線，在電子顯微鏡下觀察斷面晶相組織，晶粒排布較為均勻，邊界圓滑，為典型的疲勞破壞形態(tài)。因此，該文的試驗(yàn)室仿真平臺按照振動(dòng)疲勞試驗(yàn)搭建，激勵(lì)源按照微風(fēng)振動(dòng)和次檔距振蕩設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮線路水平移動(dòng)傳遞給間隔棒線夾膠瓦的水平摩擦力對其滑移、脫落的顯著影響，在試驗(yàn)室條件下設(shè)計(jì)了順線、垂直、水平和扭轉(zhuǎn)4 種振動(dòng)工況，來模擬實(shí)際運(yùn)行線路的疲勞失效形式。

掛裝與失效間隔棒同型號的產(chǎn)品，試驗(yàn)線路檔距設(shè)置為35m，掛裝2 支間隔棒，模擬次檔距振動(dòng)工況。在4 種工況下設(shè)計(jì)的不同幅向缺陷尺寸的膠瓦，隨振動(dòng)次數(shù)的累積均出現(xiàn)了膠瓦位移脫出、脫落缺陷，如圖1 所示。垂直、扭轉(zhuǎn)、水平和順線4 種試驗(yàn)工況對膠瓦振動(dòng)脫出的影響程度不同，以振動(dòng)次數(shù)進(jìn)行表征區(qū)分。

1.3 間隔棒磨損導(dǎo)線故障重現(xiàn)與機(jī)理分析

新掛裝間隔棒線夾膠瓦與線夾本體、壓蓋過盈裝配，線夾橡膠提供了足夠的彈性支撐，因此進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)不會發(fā)生順線位移。隨著掛網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間的增長，橡膠彈性下降，提供的輻向支撐力變?nèi)?，膠瓦與線夾本體、壓蓋間出現(xiàn)了縫隙。進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，老化膠瓦隨振動(dòng)次數(shù)的增加而發(fā)生順線位移，直至脫落。然而，尋找線路掛裝的老化膠瓦是十分困難的，但人工制備老化膠瓦周期較長，且老化臨界點(diǎn)難以控制，為表征線夾膠瓦不同缺陷程度，該文將新制備膠瓦輻向尺寸缺陷進(jìn)行了量化。經(jīng)過不同輻向缺陷尺寸試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，最終確定將間隔棒線夾膠瓦輻向缺陷尺寸設(shè)置為0.5mm、1mm、3mm 和5mm 這4 種規(guī)格，代表膠瓦由小到大的缺陷。

振動(dòng)激勵(lì)方式差異較大，這是試驗(yàn)成功與否的關(guān)鍵。振動(dòng)三要素為振幅、頻率和初相角。以不同的振動(dòng)頻率和振幅、載荷加載位置和角度模擬4 種振動(dòng)疲勞試驗(yàn)工況，膠瓦脫出振動(dòng)次數(shù)對應(yīng)關(guān)系見表1。分析表1 數(shù)據(jù)可知，順線振動(dòng)下膠瓦最容易脫出，以5mm 缺陷尺寸計(jì)算，振動(dòng)試驗(yàn)0.67h 后，膠瓦就會脫出。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)對膠瓦順線位移、脫出、脫落的影響程度小于順線振動(dòng)，垂直振動(dòng)工況次之。由于振動(dòng)頻率為25Hz，相同振動(dòng)脫出次數(shù)下，垂直振動(dòng)試驗(yàn)用時(shí)較短。以輻向缺陷5mm 為例，振動(dòng)脫出次數(shù)為10500 時(shí)，用時(shí)0.17h，脫出次數(shù)大于順線振動(dòng)，但脫出時(shí)間小于順線振動(dòng)。水平振動(dòng)工況的影響程度最小，但當(dāng)膠瓦輻向缺陷尺度達(dá)到5mm 時(shí)，經(jīng)過10.9h 的振動(dòng)，膠瓦仍然會脫出。

表1 不同工況疲勞試驗(yàn)中膠瓦的脫出振動(dòng)次數(shù)

從膠瓦脫出振動(dòng)次數(shù)看，輻向缺陷尺寸5mm ＜3mm＜1mm ＜0.5mm，4 種振動(dòng)工況規(guī)律一致，表明膠瓦輻向缺陷尺寸越大，越容易發(fā)生順線位移，膠瓦脫落經(jīng)歷的振動(dòng)次數(shù)也越少，即使只有0.5mm 幅向尺寸缺陷，膠瓦仍然存在脫落的風(fēng)險(xiǎn)。膠瓦發(fā)生順線位移前，線路運(yùn)行平穩(wěn)，而一旦位移發(fā)生，缺陷會迅速發(fā)展，且隨著振動(dòng)時(shí)長的增加，膠瓦輻向缺陷尺寸也會累積增大，進(jìn)一步加快了膠瓦的脫出速度。

該文還對0.1mm 輻向缺陷尺度膠瓦進(jìn)行了順線振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，經(jīng)歷較多振動(dòng)次數(shù)后，膠瓦仍然會脫出（不考慮膠瓦老化對輻向尺寸的影響）。由于耗時(shí)較長，該文未進(jìn)行其他3 種工況下膠瓦0.1mm 輻向缺陷的振動(dòng)試驗(yàn)。

該文在試驗(yàn)室中再現(xiàn)了膠瓦順線位移、脫出和脫落的全過程，明確了線夾金具對裸導(dǎo)線的磨損是從膠瓦脫出開始的，因此確定了反措技術(shù)應(yīng)為防止膠瓦順線位移。

2 架空導(dǎo)線免于間隔棒損傷抑制技術(shù)

2.1 十字交叉膠瓦限位結(jié)構(gòu)

頻繁的導(dǎo)線風(fēng)振是引發(fā)故障的主要原因，膠瓦松動(dòng)、磨損和脫落則是先于間隔棒線夾磨損導(dǎo)線出現(xiàn)的現(xiàn)象，即在一定意義上可將避免膠瓦松動(dòng)、脫落視為預(yù)防該類缺陷、故障的關(guān)鍵。

拆解故障間隔棒同型號產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)膠瓦與間隔棒線夾為抱緊固定結(jié)構(gòu)，輻向的壓緊力提供順線方向的滑動(dòng)摩擦力。輻向尺寸缺陷出現(xiàn)后，滑動(dòng)摩擦力失效，但為此設(shè)計(jì)的圓柱卡槽限位結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不高。該文研制了防止膠瓦振動(dòng)脫落的新型四分裂導(dǎo)線間隔棒，將膠瓦與線夾的固定結(jié)構(gòu)由圓柱卡槽升級為十字交叉卡槽，增強(qiáng)了限位能力。在上述4 種試驗(yàn)室振動(dòng)工況下，新型間隔棒膠瓦未發(fā)生明顯位移，使導(dǎo)線免于線夾金屬部分的磨損。

常規(guī)間隔棒線夾采用圓柱狀膠瓦限位結(jié)構(gòu)，如圖2（a）所示。膠瓦凸臺與線夾凹槽接觸面積小，提供的順線方向約束力有限，其膠瓦凸臺根部易出現(xiàn)裂痕，隨機(jī)會失效、喪失約束能力。新研發(fā)的間隔棒線夾采用十字交叉限位結(jié)構(gòu)，如圖2（b）所示。該十字交叉膠瓦限位結(jié)構(gòu)提升了膠瓦凸臺與線夾凹槽的接觸面積，也提高了順線自由度約束能力。加長的根部周線降低了膠瓦凸臺根部出現(xiàn)裂痕、扯裂的概率。優(yōu)化了膠瓦材質(zhì)，通過選用高密度橡膠，增加了膠瓦自身的硬度和強(qiáng)度。

圖2 常規(guī)圓柱限位膠瓦與新型十字交叉限位膠瓦的對比

2.2 十字交叉限位膠瓦與常規(guī)膠瓦的性能對比

采用十字交叉膠瓦限位結(jié)構(gòu)的新型間隔棒目前已定型量產(chǎn)。在部分線路掛網(wǎng)試運(yùn)行后，截止目前，在例行巡線環(huán)節(jié)未發(fā)生肉眼可見的順線位移，證明了該產(chǎn)品反措技術(shù)的有效性。新型間隔棒與常規(guī)間隔棒疲勞試驗(yàn)中膠瓦脫出振動(dòng)次數(shù)對比見表2。

表2 新型間隔棒和常規(guī)間隔棒疲勞試驗(yàn)中膠瓦脫出振動(dòng)次數(shù)的對比

在順線、扭轉(zhuǎn)2 種工況下，膠瓦振動(dòng)脫出次數(shù)遠(yuǎn)小于垂直、水平工況。只對比前2 種工況，具體如下：順線工況下，貼合縫隙0.5mm 時(shí)，通過相同試驗(yàn)參數(shù)振動(dòng)試驗(yàn)，新型間隔棒膠瓦脫出時(shí)經(jīng)歷的振動(dòng)次數(shù)為舊間隔棒的3.4 倍；扭轉(zhuǎn)工況下，貼合縫隙1mm 時(shí)，通過相同試驗(yàn)參數(shù)振動(dòng)試驗(yàn)，新型間隔棒膠瓦在脫出振動(dòng)次數(shù)達(dá)6000 萬次后仍未脫出，明顯優(yōu)于舊間隔棒性能，證明了該產(chǎn)品反措技術(shù)的有效性。

新型膠瓦線夾握力與常規(guī)膠瓦線夾相等，且新型膠瓦十字交叉卡槽和常規(guī)膠瓦圓柱卡槽相比改動(dòng)較小，基本不會增加生產(chǎn)和制造成本。新型膠瓦順線滑移限位能力遠(yuǎn)大于常規(guī)膠瓦，為后者的3～5 倍。詳細(xì)數(shù)據(jù)見表3。

表3 新型間隔棒和常規(guī)間隔棒的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比

表4 該文項(xiàng)目技術(shù)和現(xiàn)有技術(shù)水平對比

2.3 新型間隔棒配套施工夾具開發(fā)

該文制定了新型間隔棒安裝作業(yè)方案，開發(fā)了配套施工夾具，用于間隔棒內(nèi)襯裝配。力矩加載選用扭矩扳手結(jié)構(gòu)，載荷數(shù)值精準(zhǔn)可控，操作過程平穩(wěn)，提升了施工作業(yè)效率和完成質(zhì)量。新型間隔棒安裝作業(yè)方案的確定明確了間隔棒內(nèi)襯工裝夾具的改進(jìn)方向和具體技術(shù)參數(shù)。

由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變動(dòng)，原有的間隔棒內(nèi)襯工裝夾具已無法滿足使用要求，因此該文特開發(fā)了具有新外觀、新結(jié)構(gòu)的夾具，同時(shí)升級了力矩加載結(jié)構(gòu)。1）力矩加載升級為扭矩扳手結(jié)構(gòu)，載荷數(shù)值精準(zhǔn)可控，操作過程平穩(wěn)，降低了操作人員技術(shù)準(zhǔn)入門檻。2）坯體材料選用45#鋼調(diào)質(zhì)淬火，提升了夾具表面硬度的整體剛度。3）加工流程全部在數(shù)控加工中心完成，尺寸精度高、表面粗糙度低，提升了夾具制造工藝水平。

3 與當(dāng)前國內(nèi)外同類研究、同類技術(shù)的綜合比較

隨著分裂導(dǎo)線的使用，間隔棒得到了大面積推廣，但其在運(yùn)行過程中出現(xiàn)了不同類型的失效問題。因此國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)、高校、運(yùn)行單位對覆冰舞動(dòng)、微風(fēng)振動(dòng)、風(fēng)雨激振等不同工況下的間隔棒故障進(jìn)行了大量研究，部分缺陷已經(jīng)得到徹底解決。研究內(nèi)容集中于間隔棒整體或者線夾整體，但對線夾結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖開分析的研究不多。

該文項(xiàng)目課題聚焦于風(fēng)振（含次檔距振動(dòng)）工況下，間隔棒線夾磨損架空導(dǎo)線的發(fā)生機(jī)理。由于膠瓦順線位移、脫落和脫出，因此導(dǎo)致了線夾金屬部位與裸導(dǎo)線直接接觸，進(jìn)而發(fā)生磨損。為了抑制膠瓦順線位移，該文設(shè)計(jì)了十字交叉卡槽結(jié)構(gòu)，提升了線夾對膠瓦的限位能力，可替代現(xiàn)有的圓柱限位結(jié)構(gòu)，并研發(fā)了采用該技術(shù)的新型間隔棒。為提升新型間隔棒內(nèi)襯裝配效率，該文還設(shè)計(jì)開發(fā)了配套夾具工裝，采用扭矩扳手進(jìn)行力矩加載，載荷數(shù)值精準(zhǔn)可控，操作過程平穩(wěn)，可替換現(xiàn)有的曲柄滑塊加載結(jié)構(gòu)，提升夾具柔性。

4 結(jié)語

該文項(xiàng)目課題聚焦于風(fēng)振（含次檔距振動(dòng)）工況下間隔棒線夾磨損架空導(dǎo)線的發(fā)生機(jī)理，發(fā)現(xiàn)膠瓦順線位移、脫落和脫出是導(dǎo)致線夾金屬部位與裸導(dǎo)線直接接觸，進(jìn)而發(fā)生磨損的原因。為了抑制膠瓦順線位移，該文設(shè)計(jì)了十字交叉卡槽結(jié)構(gòu)，提升了線夾對膠瓦的限位能力，可替代現(xiàn)有的圓柱限位結(jié)構(gòu)。并研發(fā)了采用該技術(shù)的新型間隔棒。為提升新型間隔棒內(nèi)襯裝配效率，還開發(fā)了配套夾具工裝。采用扭矩扳手進(jìn)行力矩加載，載荷數(shù)值精準(zhǔn)可控，操作過程平穩(wěn)，可替換現(xiàn)有的曲柄滑塊加載結(jié)構(gòu)，提升夾具柔性。