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.國網山東省電力公司龍口市供電公司，山東 煙臺 265700；2.國網山東省電力公司蓬萊市供電公司，山東 煙臺 265600；3.國網山東省電力公司煙臺供電公司，山東 煙臺 264001；4.山東大學電氣工程學院，山東 濟南 250061；5.哈爾濱工業大學（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，已經在全國架空輸電線路中得到了廣泛應用。但由于使用過程中存在夾具易脫落、導線斷股甚至磨斷的問題，成為電網安全運行的隱患，各地曾發生多起相間間隔棒與雙分裂導線脫落現象，引起生產部門的高度重視。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，國家電網公司運檢［2016］413號文中第5.2條規定，應避免在跨鐵路、高速路和重要輸電通道的跨越檔內安裝相間間隔棒，說明現有防舞相間間隔棒技術并不成熟。

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致相間短路非常有效的措施［1-10］；文獻［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生彈簧形變，文獻［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生彈簧形變，彈簧的剛度系數限制了文獻［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。導線覆冰舞動和微風振動所產生的效果截然相反，導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，而導線的微風振動是小幅度、高頻率的，因此，防振和防舞的理論計算模型是截然不同的，現有彈簧阻尼裝置因其剛度系數的限制達不到既能防舞又能防振的效果，生產一線緊迫需求研發出高效耗能的阻尼裝置。

設計一種既能防舞又能防振的相間間隔棒，最大限度地消耗導線舞動能量，減少導線舞動幅度，降低對相鄰桿塔強度的影響，避免出現倒塔事故；最大限度地消耗導線微風振動能量，避免出現導線斷股、斷線等事故。

1 防振防舞彈簧阻尼裝置構成

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，軸桿下聯帶連接孔的單扁腳，底座下聯圓筒體，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計原則是：在導線微風振動過程中消耗導線振動能量，避免導線斷股、斷線；在導線覆冰舞動過程中消耗導線舞動能量，減少導線舞動幅度，避免相間導線短路。設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。圓柱筒體頂部設帶兩個安裝孔的槽型扁腳，內頂面中心部位設有一圓柱形凸起，圓柱筒體底部與底座絲扣連接，底座下面連接圓筒體；在圓柱筒體內設置防振上彈簧、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，防振上彈簧、防舞上彈簧和防振下彈簧、防舞下彈簧以聯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 彈簧筒結構

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留防振上彈簧的形變空間；防振上彈簧的頂部套設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，避免導線覆冰舞動過程中復合絕緣子芯棒受扭。

2 防振防舞彈簧阻尼裝置工作原理

在導線微風振動過程中，活塞上、下高頻率位移，上、下防振彈簧隨之交替受壓，消耗導線微風振動能量，避免導線斷股、斷線和緊固螺栓松動以及相間間隔棒從導線上掉落。在導線覆冰舞動、彈簧阻尼裝置受拉過程中，活塞下移，下防振防舞機構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構的防舞彈簧上移至上防振防舞機構的頂部位置時，防舞彈簧受壓并消耗舞動的能量，此過程中，上防振防舞機構的防振彈簧始終處于彈性受壓狀態；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整板上，如圖6所示。兩個防舞彈簧的結構高度應不影響兩個防振彈簧在微風振動過程中獨立工作，也就是說，兩個防振彈簧比兩個防舞彈簧高出微風振動形變量的一半及以上，以便在導線微風振動過程中，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，工作過程中不應相互接觸、磨損。在導線微風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在導線微風振動或覆冰舞動的頻率范圍內，避免發生共振。

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，不考慮金具安全系數2.5［16］，否則彈簧形變失真。其他構件需考慮金具安全系數，并熱鍍鋅。

3 防振防舞彈簧阻尼裝置數據計算

3.1 防振彈簧

導線微風振動風速1～5 m／s對應的導線振動頻率為 9.26～46.3 Hz［17］，對應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］，則導線微風振動對應的激振力幅值為22～260 N；考慮到安全裕度，防振彈簧的額定機械荷載取290 N。防振彈簧的理論計算：根據圓柱形螺旋壓縮彈簧計算公式［18-19］，輸入數據如表 1 所示。

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

防振彈簧的剛度系數［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；m為彈簧承受載荷的質量，g。

表1 防振彈簧的設計數據

表2 防振彈簧的計算結果

顯然，防振彈簧的固有頻率不在導線微風振動的頻率范圍內，不會發生共振現象。

防振彈簧的自振頻率為

顯然，防振彈簧在導線微風振動過程中也不會發生自振現象。

3.2 防舞彈簧

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

計算結果如表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，滿足導線橫向舞動力范圍。

防舞彈簧的剛度系數為

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，不會發生共振現象。

防舞彈簧的自振頻率為

顯然，防舞彈簧在導線覆冰舞動過程中也不會發生自振現象。

3.3 彈簧阻尼裝置結構強度

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。加載位置位于結構螺栓孔幾何中心，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，發現筒體（材質Q235，屈服強度235 MPa）與槽形扁腳（材質Q235）之間銜接強度偏低，如圖8和圖9，需要改為Q345鋼（屈服強度345 MPa）或45號鋼（屈服強度355 MPa），并進行熱處理；其他構件滿足強度要求。

圖8 筒體應力云圖

圖9 帶槽形扁腳的封頂應力云圖

表3 防舞彈簧的設計數據

表4 防舞彈簧的計算結果

4 結語

設計了同時具有防振、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振動形變量的一半及以上，在導線微風振動過程中，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，消耗導線舞動能量。防振彈簧和防舞彈簧不考慮金具安全系數。其固有頻率不在導線微風振動和覆冰舞動的頻率范圍內，不會產生導線與彈簧共振現象以及彈簧自振現象。通過有限元分析，建議筒體材質應采用Q345鋼或45號鋼。