風振條件下間隔棒損傷導線的成因分析及應對措施

丁 斌 劉曉博 孫 偉 葛 偉 石洪超

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

0 引言

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

1 間隔棒損傷導線故障的試驗室模擬重現

1.1 技術路線的確定

間隔棒損傷導線是目前北方寒冷多風地區輸電線路運行的高發故障，其中多風地區相對嚴重。架空輸電線路是連接電源點和負荷中心的通路，是新型電力系統的承載網架。由于線路輸送容量的增加超出了單根導線允許輸送功率的上限，而線徑又無法持續加大，因此提出了單相線路采用多根子導線平行送電的設計方案，各子導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線連接的掛點，線夾內圈裝配膠瓦，可使導線免于金具的直接磨損。在運行過程中，線路振動會對間隔棒造成機械影響，線夾內圈膠瓦發生順線位移。當幅向尺寸較小時，位移速度加快，直至膠瓦脫落，線夾金具與裸導線發生直接摩擦。隨著時間的累積，即會出現斷股甚至斷線故障[4]。

該問題的解決思路包括2 個方面：一是減少線路振動，通過檔距調節或加裝防震錘；二是避免振動發生時的線夾膠瓦位移，只要膠瓦對導線的保護功能不失效，導線就能免于金具的磨損。該文項目屬于第二種解決思路。該文在試驗室中模擬實際運行工況，再現膠瓦脫落、線夾磨損導線的過程，并做出量化分析。然后以此為基礎制定反措方案，研制均有新型線夾結構的間隔棒，并配套開發安裝工具，已提升施工效率和作業完成質量。

1.2 試驗平臺的搭建

覆冰舞動、微風振動和次檔距振蕩是架空輸電線路常見的運行故障。覆冰舞動屬于低頻（0.1Hz～3Hz）、大振幅（導線直徑的20～300 倍）自激振動，形態為橢圓形半波（1個或多個），失效形式為斷股、斷線。微風振動是一種高頻（5Hz～100Hz）、低幅（10mm～單倍線徑）駐波振動，振動時長占全面的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，發生于分裂導線兩間隔棒之間的檔距，且在風與導線夾角＞45°條件下頻發，與覆冰與否無關，失效形式以疲勞破壞為主[5]。

收集間隔棒磨損導線造成斷股、斷線的失效架空裸導線，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。因此，該文的試驗室仿真平臺按照振動疲勞試驗搭建，激勵源按照微風振動和次檔距振蕩設計，同時考慮線路水平移動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，在試驗室條件下設計了順線、垂直、水平和扭轉4 種振動工況，來模擬實際運行線路的疲勞失效形式。

掛裝與失效間隔棒同型號的產品，試驗線路檔距設置為35m，掛裝2 支間隔棒，模擬次檔距振動工況。在4 種工況下設計的不同幅向缺陷尺寸的膠瓦，隨振動次數的累積均出現了膠瓦位移脫出、脫落缺陷，如圖1 所示。垂直、扭轉、水平和順線4 種試驗工況對膠瓦振動脫出的影響程度不同，以振動次數進行表征區分。

1.3 間隔棒磨損導線故障重現與機理分析

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，因此進行振動試驗時不會發生順線位移。隨著掛網運行時間的增長，橡膠彈性下降，提供的輻向支撐力變弱，膠瓦與線夾本體、壓蓋間出現了縫隙。進行振動試驗時，老化膠瓦隨振動次數的增加而發生順線位移，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行了量化。經過不同輻向缺陷尺寸試驗數據的對比，最終確定將間隔棒線夾膠瓦輻向缺陷尺寸設置為0.5mm、1mm、3mm 和5mm 這4 種規格，代表膠瓦由小到大的缺陷。

振動激勵方式差異較大，這是試驗成功與否的關鍵。振動三要素為振幅、頻率和初相角。以不同的振動頻率和振幅、載荷加載位置和角度模擬4 種振動疲勞試驗工況，膠瓦脫出振動次數對應關系見表1。分析表1 數據可知，順線振動下膠瓦最容易脫出，以5mm 缺陷尺寸計算，振動試驗0.67h 后，膠瓦就會脫出。扭轉振動對膠瓦順線位移、脫出、脫落的影響程度小于順線振動，垂直振動工況次之。由于振動頻率為25Hz，相同振動脫出次數下，垂直振動試驗用時較短。以輻向缺陷5mm 為例，振動脫出次數為10500 時，用時0.17h，脫出次數大于順線振動，但脫出時間小于順線振動。水平振動工況的影響程度最小，但當膠瓦輻向缺陷尺度達到5mm 時，經過10.9h 的振動，膠瓦仍然會脫出。

表1 不同工況疲勞試驗中膠瓦的脫出振動次數

從膠瓦脫出振動次數看，輻向缺陷尺寸5mm ＜3mm＜1mm ＜0.5mm，4 種振動工況規律一致，表明膠瓦輻向缺陷尺寸越大，越容易發生順線位移，膠瓦脫落經歷的振動次數也越少，即使只有0.5mm 幅向尺寸缺陷，膠瓦仍然存在脫落的風險。膠瓦發生順線位移前，線路運行平穩，而一旦位移發生，缺陷會迅速發展，且隨著振動時長的增加，膠瓦輻向缺陷尺寸也會累積增大，進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行了順線振動疲勞試驗，經歷較多振動次數后，膠瓦仍然會脫出（不考慮膠瓦老化對輻向尺寸的影響）。由于耗時較長，該文未進行其他3 種工況下膠瓦0.1mm 輻向缺陷的振動試驗。

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

2 架空導線免于間隔棒損傷抑制技術

2.1 十字交叉膠瓦限位結構

頻繁的導線風振是引發故障的主要原因，膠瓦松動、磨損和脫落則是先于間隔棒線夾磨損導線出現的現象，即在一定意義上可將避免膠瓦松動、脫落視為預防該類缺陷、故障的關鍵。

拆解故障間隔棒同型號產品，發現膠瓦與間隔棒線夾為抱緊固定結構，輻向的壓緊力提供順線方向的滑動摩擦力。輻向尺寸缺陷出現后，滑動摩擦力失效，但為此設計的圓柱卡槽限位結構的強度不高。該文研制了防止膠瓦振動脫落的新型四分裂導線間隔棒，將膠瓦與線夾的固定結構由圓柱卡槽升級為十字交叉卡槽，增強了限位能力。在上述4 種試驗室振動工況下，新型間隔棒膠瓦未發生明顯位移，使導線免于線夾金屬部分的磨損。

常規間隔棒線夾采用圓柱狀膠瓦限位結構，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裂痕，隨機會失效、喪失約束能力。新研發的間隔棒線夾采用十字交叉限位結構，如圖2（b）所示。該十字交叉膠瓦限位結構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裂痕、扯裂的概率。優化了膠瓦材質，通過選用高密度橡膠，增加了膠瓦自身的硬度和強度。

圖2 常規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膠瓦的性能對比

采用十字交叉膠瓦限位結構的新型間隔棒目前已定型量產。在部分線路掛網試運行后，截止目前，在例行巡線環節未發生肉眼可見的順線位移，證明了該產品反措技術的有效性。新型間隔棒與常規間隔棒疲勞試驗中膠瓦脫出振動次數對比見表2。

表2 新型間隔棒和常規間隔棒疲勞試驗中膠瓦脫出振動次數的對比

在順線、扭轉2 種工況下，膠瓦振動脫出次數遠小于垂直、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，通過相同試驗參數振動試驗，新型間隔棒膠瓦脫出時經歷的振動次數為舊間隔棒的3.4 倍；扭轉工況下，貼合縫隙1mm 時，通過相同試驗參數振動試驗，新型間隔棒膠瓦在脫出振動次數達6000 萬次后仍未脫出，明顯優于舊間隔棒性能，證明了該產品反措技術的有效性。

新型膠瓦線夾握力與常規膠瓦線夾相等，且新型膠瓦十字交叉卡槽和常規膠瓦圓柱卡槽相比改動較小，基本不會增加生產和制造成本。新型膠瓦順線滑移限位能力遠大于常規膠瓦，為后者的3～5 倍。詳細數據見表3。

表3 新型間隔棒和常規間隔棒的技術經濟指標對比

表4 該文項目技術和現有技術水平對比

2.3 新型間隔棒配套施工夾具開發

該文制定了新型間隔棒安裝作業方案，開發了配套施工夾具，用于間隔棒內襯裝配。力矩加載選用扭矩扳手結構，載荷數值精準可控，操作過程平穩，提升了施工作業效率和完成質量。新型間隔棒安裝作業方案的確定明確了間隔棒內襯工裝夾具的改進方向和具體技術參數。

由于產品結構發生較大變動，原有的間隔棒內襯工裝夾具已無法滿足使用要求，因此該文特開發了具有新外觀、新結構的夾具，同時升級了力矩加載結構。1）力矩加載升級為扭矩扳手結構，載荷數值精準可控，操作過程平穩，降低了操作人員技術準入門檻。2）坯體材料選用45#鋼調質淬火，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 與當前國內外同類研究、同類技術的綜合比較

隨著分裂導線的使用，間隔棒得到了大面積推廣，但其在運行過程中出現了不同類型的失效問題。因此國內外研究機構、高校、運行單位對覆冰舞動、微風振動、風雨激振等不同工況下的間隔棒故障進行了大量研究，部分缺陷已經得到徹底解決。研究內容集中于間隔棒整體或者線夾整體，但對線夾結構進行剖開分析的研究不多。

該文項目課題聚焦于風振（含次檔距振動）工況下，間隔棒線夾磨損架空導線的發生機理。由于膠瓦順線位移、脫落和脫出，因此導致了線夾金屬部位與裸導線直接接觸，進而發生磨損。為了抑制膠瓦順線位移，該文設計了十字交叉卡槽結構，提升了線夾對膠瓦的限位能力，可替代現有的圓柱限位結構，并研發了采用該技術的新型間隔棒。為提升新型間隔棒內襯裝配效率，該文還設計開發了配套夾具工裝，采用扭矩扳手進行力矩加載，載荷數值精準可控，操作過程平穩，可替換現有的曲柄滑塊加載結構，提升夾具柔性。

4 結語

該文項目課題聚焦于風振（含次檔距振動）工況下間隔棒線夾磨損架空導線的發生機理，發現膠瓦順線位移、脫落和脫出是導致線夾金屬部位與裸導線直接接觸，進而發生磨損的原因。為了抑制膠瓦順線位移，該文設計了十字交叉卡槽結構，提升了線夾對膠瓦的限位能力，可替代現有的圓柱限位結構。并研發了采用該技術的新型間隔棒。為提升新型間隔棒內襯裝配效率，還開發了配套夾具工裝。采用扭矩扳手進行力矩加載，載荷數值精準可控，操作過程平穩，可替換現有的曲柄滑塊加載結構，提升夾具柔性。