一種新型直線塔掛點金具的研究與應用

呂嘉亮，孫天成，溫帶銀，陳劍平，黃詩華

（廣東電網有限責任公司江門供電局，廣東江門 529000）

0 引言

隨著城市的發展，社會的用電需求逐步增加，越來越多的輸電線路將電能源源不斷地輸送到千家萬戶。而架空輸電線路在實際運行中，連續兩基鐵塔由于所處地理環境等原因會存在高差，甚至存在連續兩基鐵塔一基在山頂，下一基在山底的情況，而同一相兩條絕緣子由于型號、長度相同，就會存在一條絕緣子受力另一條相鄰絕緣子不受力情況[1]，在這種情況下長期運行，會造成掛點金具長時間單邊受力，出現金屬老化和斷裂，發生掉串等危險，影響線路安全運行。本文研究一種新型的連接金具，能夠隨著線路運行工況的變化而自動調節絕緣子的長度和受力，保證雙絕緣子盡可能地均勻受力，延長設備使用壽命，保障線路安全運行。

1 掛點金具運行情況分析

1.1 掛點金具故障原因

據統計，南方電網廣東電網有限責任公司110 kV 及以上導線、地線脫落主要有3 方面原因：①鐵塔掛點金具斷裂；②合成絕緣子斷裂；③導現、地線斷線。其中，掛點金具斷裂占導、地線脫落事故原因的70%[2]。

輸電金具作為輸電線路運行的重要組成部分，其作用是連接絕緣子和鐵塔。而掛點金具斷裂原因有很多，如：金具的質量問題、金具的疲勞破壞、金具的電化學腐蝕等，其中金具的疲勞破壞致使輸電線路發生運行事故最難控制。

1.2 現有解決方案及弊端

為了避免同一相序兩條絕緣子受力不均情況發生，通常在下山側方向加裝一個Z-10 型直角掛板（圖1）。然而這種加裝的直角掛板長度固定，受力情況不一定符合現場運行受力。處理受力不均的方法過于粗糙，對于不同的運行工況往往沒有達到很好的效果。因為高差的不同，風力的變化，導線負荷的增減[3]，以及后期線路的消缺改造，都會對直線塔掛點受力造成不同程度的改變。上述方法存在著伸長長度不一定完全符合實際受力，長短串調整精確不夠，以及對于掛點隨時改變受力的情況無法有效解決等問題，仍然存在一定的安全隱患。

圖1 直角掛板

通過以上分析，將現有做法弊端和急需解決問題總結如下：

（1）增加固定連結金具，現場受力情況分析依據不足，直角掛板型號及長度固定，無法完全匹配現場運行工況。

（2）額外增加金具，再次增加金具質量問題導致斷裂等故障的概率。

為了保證輸電直線塔掛點雙絕緣子盡可能地均勻受力，本文提出的新型直線塔掛點金具，用于解決輸電直線塔掛點受力不均勻的問題。在實際檢修中，如果一座直線塔在山頂，另外一座直線塔在山腳，兩座塔的高差可達40 m，容易出現一側承受大部分的導線向下的垂直荷載，而另外一側因導線向上的分力而彎曲變形，不利于線路的安全可靠運行。

2 技術方案

針對此問題，本文創新性地研制一種新型可調節金具，適用于該類環境的運行場景。本設計基于彈簧的彈性形變特性，彈簧在受載時能產生較大的彈性變形，并將機械能轉化成彈性勢能，而在卸載后彈簧的變形消失并回復到原狀，同時將彈性勢能轉化為機械能或動能。彈簧的載荷與變形之比稱為彈簧剛度，剛度越大，則彈簧越硬。而當兩基鐵塔高差較大時，可通過彈簧的彈性形變來改變金具的長度，來適應現場的實際受力情況。確保不會發生一個絕緣子受力，一個絕緣子不受力所產生的疲勞破壞。為了確保該金具的穩定性，在彈簧兩側增加活動軌道，以防彈簧超過使用年限過長產生斷裂危害。可調節金具主要組成部分如圖2 所示。

圖2 可調節金具結構組成

可調節金具通過螺栓將上掛點吊環與鐵塔橫擔相連，通過螺栓與下掛點吊環與絕緣子球頭掛環相連接，該金具上水平支撐架相對與下水平支撐架兩側固定安裝有兩個上垂直支撐架，上、下垂直支撐架之間通過第二鎖緊螺栓固定連接，上水平支撐架與下水平支撐架之間設有連接彈簧，連接彈簧兩端分別通過吊環固定件固定，吊環固定件包括銷軸，銷軸固定安裝在上水平支撐架或下水平支撐架內，且銷軸一端還固定安裝有安裝環。上下水平支撐架材料為熱鋅鍍鋼。上水平支撐架與下水平支撐架相對一側均開設兩個連接槽，當該金具受力以后依靠彈簧的塑性形變來改變金具長度，本文選擇彈簧材料的時考慮其使用條件（載荷性質、大小及循環特性、工作持續時間、工作溫度等）以及加工、熱處理和經濟性等因素。

為了保障彈簧能夠可靠地工作，其材料除應滿足具有較高的強度極限和屈服極限外，還必須具有較高的彈性極限、疲勞極限、沖擊韌性、塑性和良好的熱處理工藝性等。實踐中應用廣泛的是彈簧鋼，其品種又有碳素彈簧鋼、低錳彈簧鋼、硅錳彈簧鋼和鉻釩鋼等。

本文選擇鉻釩鋼作為彈簧材料，該材料向鋼中添加釩（如50CrVA），可細化鋼的結構，提高鋼的強度和韌性。這種材料具有良好的抗疲勞和抗沖擊性能，可以在-40～210 ℃的溫度下可靠地工作，適用于輸電線路高強度受力，設計實驗最大破壞強度為150 kN，可滿足110 kV、220 kV 甚至500 kV 電纜的受力，彈簧兩側設計上下垂直支撐導軌，謹防彈簧塑性形變甚至破壞時所需要的拉力。

3 應用及成效

3.1 應用

該成果已于2021 年在廣東電網公司江門供電局輸電管理一所檢修工作中試用，結合其試用過程中整體計劃及作業過程應用步驟如下：①通過輸電線路基礎資料，篩選出大高差檔距的直線塔，制定工作計劃，排查出掛點雙絕緣子疑似受力不均的桿塔位置；②通過無人機精細化巡視工作，對鐵塔中的掛點金具進行拍攝和分析，鎖定需要更換新型直線塔掛點金具的鐵塔；③逐步將舊式金具更換為新型直線塔掛點金具。

3.2 成效

（1）篩選出掛點雙絕緣子疑似受力不均的桿塔。此方法的實現主要是對輸電基礎數據進行分析處理，主要是針對桿塔明細表中的垂直檔距差距大的直線塔進行初步篩選，篩選后制定出相應的大檔距直線檔表格數據，針對表格內容做好實際的排查工作安排和計劃，合理選擇工作成員并分配工作，制定最優排查路線。

（2）無人機精細化巡視。使用無人機能近距離觀察直線塔掛點是否存在明顯受力不均的情況，當觀察到明顯受力不均的掛點后，使用無人機拍攝掛點金具真實照片，并檢查金具損傷老化程度，提前發現線路缺陷，并對缺陷部位記錄留底。

（3）更換金具并總結。基于彈簧的彈性形變特性，彈簧在受載時能產生較大的彈性變形，并將機械能轉化成彈性勢能，而在卸載后彈簧的變形消失并回復到原狀，同時將彈性勢能轉化為機械能或動能。彈簧的載荷與變形之比稱為彈簧剛度，剛度越大，則彈簧越硬。當兩基鐵塔高差較大時，通過彈簧的彈性形變來改變金具的長度，來適應現場的實際受力情況。

4 總結

新型直線塔掛點金具應用總結如下：

（1）已經在3 條線路共8 基鐵塔使用，鐵塔加裝張力調節器后，懸垂串會根據各懸掛點受力不同，伸長或縮短串長已達到受力平衡，保證線路安全運行。

（2）設計防脫落活動軌道，防止彈簧超過使用年限過長產生斷裂危害。

（3）從根本上解決了傳統方式無受力依據的錯誤做法，為輸電運行提供可行的科學依據。

綜上所述，本成果達到了預期的目標，產品的性能得到了驗證和完善，可以開展進一步的推廣。

5 結束語

新型直線塔掛點金具可以結合雙串合成絕緣子現場實際受力情況，依靠彈簧的彈性形變實現雙串絕緣子長短的合理分配，確保其不會發生一串受力一串不受力的情況，而常用的手段增加金具直角掛板，延伸長度不夠科學合理，單純增加長度也會影響現場實際運行情況。此金具能自動調整掛點受力，隨時滿足線路受力的需要，減少金具疲勞損傷的可能，延長設備工作壽命，減少后期維護和檢修的成本，保障線路在運行安全可靠的前提下，提高其經濟性。