浅析V(L)型绝缘子串组装型式

张 超,黄位华,易 青

（中国能源建设集团山西省电力勘测设计院,山西 太原 030001）

浅析V(L)型绝缘子串组装型式

张 超,黄位华,易 青

（中国能源建设集团山西省电力勘测设计院,山西 太原 030001）

为了减少建设走廊,V(L)型悬垂绝缘子串在架空输电线路中大量应用。通过对《国网金具通用设计》和工程中所用V(L)型绝缘子串的连接方式和受力进行分析,指出目前V(L)型绝缘子串连接方式中存在的问题,并提出解决建议,从而使V(L)型绝缘子串受力合理、转动灵活。

V(L)型绝缘子串；金具；连接方式；受力分析

0 引言

近年来，随着经济建设的快速发展，可用于建设的用地越来越紧张。输变电工程项目周围均为人类活动已开发区域，经常会涉及自然保护区、风景名胜区、森林公园、生态功能保护区、城镇规划区、中小学校、村庄及居民密集地带等，架空输电线路与地方建设的矛盾日渐凸显，尤其是在线路走廊方面尤为突出。为了尽可能减少架空输电线路占用建设走廊，V ( L )型悬垂绝缘子串得以在架空输电线路中大量应用。

国家电网公司《输变电工程金具通用设计》（2011-2014版）中，220～330 kV输电线路导线二分裂水平排列、500～750 kV输电线路导线多分裂对称布置采用的V型绝缘子串的组装型式均采取了如图1至图3所示的连接方式。

图1 220～330 kV水平排列“V”串

图2 500 kV线路“V”串

图3 750 kV线路“V”串

图4所示的“L”串虽非国网通用设计中的典型串型，但也在输电线路中得以较广泛地使用，且其构造型式与“V”串基本相同，因此，也一并纳入本文进行探讨。

图4 750 kV线路“L”串

1 问题分析

1.1 一般悬挂时状态

在绝缘子串的自身重力作用下，V ( L )型绝缘子串的二分肢串将呈现如图5所示的状态（绝缘子为瓷质或钢化玻璃绝缘子更为明显）。显然，由于绝缘子串和导线自身重力G与分肢串的轴向力T成一定角度（如图6所示），该合力将在挂板上产生一个弯矩，在这个弯矩的长期反复作用下，挂板很容易因“疲劳”发生突然断裂事故；另外，如果挂板的制作与U型环选配不当的话，甚至连U型环的螺栓也会承受弯矩，而螺栓是不允许承受弯矩的。

图5 “V”串悬挂实景图

图6 无风状态下受力示意图

1.2 不平衡张力状态

从图1至图4可以知道，V ( L )型绝缘子串的组装型式决定了其实际上为一个相对稳定的△的整体平面构造。

当V ( L )型绝缘子串承受不平衡张力时（如悬垂串两侧的档距相差较大或一侧脱冰、分裂导线的子导线不均匀覆冰等情况），V ( L )型绝缘子串将沿不平衡张力的方向发生偏转，但由于图1至图4 中V ( L )型绝缘子串的两分肢串各自铰接点的旋转轴方向（如图7中所示的O-O、O'-O'）各异，因此，在不平衡张力作用下，V ( L )型绝缘子串实际上是无法整体沿悬挂点转动的，而是各分肢串上的金具（绝缘子）之间沿着相互的铰接点发生转动，且各自的转动方向随连接方式的不同而不同，因此，各金具相互之间将会发生“扭转”现象，导致各连接件承受一定的扭(弯)矩。

图7 不平衡张力作用下V ( L )型绝缘子串偏转示意图

例如，当相导线存在不平衡张力或各子导线产生不均匀覆冰时，将导致导线联板顺线路方向产生偏转。但导线联板无法沿顺线路方向偏转，而图8所示的“球—碗”结合部可以在一定程度上沿顺线路方向转动，由于其转动的范围相对有限（θ≈15°），从而在“球—碗”结合部产生较大值的弯矩。

图8 “球—碗”结合部放大示意图

尽管此弯矩值不一定很大，但由于该弯矩长期正、反两个方向反复作用于球头，势必会加速球头的疲劳，最终导致突然断裂。

1.3 侧向风压状态

当线路承受侧向风压时，可能会出现以下2种状态。

a) 如图9所示，4分裂导线的合力可视为作用于O1点，当线路承受侧向风压时，在导线风压和重力共同作用下的某一时刻，导线联板将围绕O3点转动，这时，如果两分肢串间夹角选择不合适的话，位于O4的“球—碗”结合部将会因“卡死”而产生一定的弯矩。一般情况下，上述弯矩值均不是很大，但却可能会因其反复作用致使“球头”发生疲劳破坏。

图9 侧向风压作用下V ( L )型绝缘子串受力示意图

b)当线路受到侧向风时（如图10所示），迎风侧分肢串在风压作用下，由O1移至O2时，背风侧的分肢串可能会因受压松弛退出工作（此时可能会导致球头从碗头中脱落），而由迎风侧的分肢串承受来自导线的全部荷载。

图10 风偏后的V型绝缘子串示意图

1.4 小结

由于架空输电线路暴露在自然环境中，在各种外力作用下，V ( L )型绝缘子串中各金具（绝缘子）的受力状态是非常复杂的。但通过对以上受力状态的简单分析可知：由于图1至图4中的V ( L )型绝缘子串存在受力不尽合理、转动不够灵活的缺点，特别是DB（蝶型板）调整板和PT（平行板）调整板段仅仅可以沿横线路方向转动，致使分肢串中各金具（绝缘子）的铰接点长期处于拉、压、弯、扭的状态，在外力的作用下，势必会加速连接金具的疲劳损害，特别是在“球—碗”结合部。这可能就是架空输电线路在运行中球头脱落、断裂事故频发的原因之一。

2 解决方案

2.1 挂板及联塔金具弯矩解决方案

为了解决挂板及联塔金具受弯问题，可以按照图11所示的方案：各金具之间尽可能采取“环形”连接方式，增加绝缘子串的自由度，从而大大减小“弯矩”或“扭矩”产生的可能性。

图11 第1个金具改进方案

2.2 导线联板连接的解决方案

根据架空线路的特点可知，悬垂串承受的最大荷载来自导线（该荷载远远大于悬垂串的自重）。从V ( L )型绝缘子串的组装型式可以看出，受该荷载影响最大的位置正是在“球—碗”结合部。在外力作用下，即使是在不被“卡死”的状态下，该处发生弯曲（扭转）的次数也是非常频繁的。因此，如能将导线联板与分肢串的连接方式进行适当的改变，即可大幅减小甚至避免弯（扭）矩的产生。

在利用现有金具的前提下，将导线联板与分肢串连接方式变为如图12所示。导线在承受纵向不平衡张力或侧向风压作用时，图12中的导线联板可分别围绕点O1、O2、O3、O4转动。因此，按图12组装的V ( L )型绝缘子串具备以下特点。

图12 改进后的局部放大图

a）分肢串在导线重力、风力的合力或者不平衡张力作用下，基本上只产生轴向力（忽略绝缘子串自重的影响），因此几乎不会承受弯（扭）矩。

b）受到横向风时，如图13所示可知，由于 V ( L)型绝缘子串分肢串间的夹角几乎完全可以不受导线风偏角的控制，因此，分肢串之间的夹角可以适当减小，也就是意味着横担宽度的减小，亦即线路走廊宽度的减小。

图13 风偏示意图

c）目前，鉴于复合绝缘子具备重量轻、长度可根据要求任意加工制作等特点，被广泛应用于V ( L )型绝缘子串。与瓷质或钢化玻璃绝缘子相比较，复合绝缘子为长棒形，只有两端具备一定的转动能力。因此，在这一点上，复合绝缘子显然不如瓷质或钢化玻璃绝缘子转动灵活。而由于按图12组装的V ( L )型绝缘子串之分肢串上只有轴向力，基本不需要转动，从而解决了分肢串转动不够灵活的问题。

2.3 球头断裂的解决方案

经大量实验研究，目前对疲劳破坏比较一致的解释是：由于构件外部形状尺寸的突变以及材料不均匀等原因，某些局部构件将产生应力集中。在长期交变应力作用下，应力较高的点，或材料有缺陷的点，逐步形成了非常细微的裂纹，裂纹尖端产生的严重应力集中，促使裂纹逐渐扩展，构件截面不断消弱。又因裂纹尖端材料处于三向拉伸应力状态，比单向拉伸更不易出现塑性变形。所以，当裂纹扩展到一定程度，构件就会沿消弱的截面发生突然脆性断裂。

从球头挂环的外形构造来看，完全符合了上述特征。因此，若想解决球头突然断裂的问题，应当从连接形式的方面加以解决。

对于采用复合绝缘子的V ( L )型绝缘子串，可以在其两端取消“球碗结合”而采用螺栓形式直接与其他部件联接，例如采取如图14所示的连接形式。

图14 复合绝缘子的上、下端连接方式

对于采用瓷质或钢化玻璃绝缘子组成的V(L)型绝缘子串，则可以通过另外设计专门的连接金具解决，譬如类似于汽车传动轴的“万向节”。

2.4 方案比较

综上所述，与国网典型设计中的V型绝缘子串相比较，改进后的V型绝缘子串受力更合理、转动更灵活。只是由于增加了连接金具，因此在长度、高度上有所增加，可能会使塔头尺寸略微有些加大。不过，这个问题可通过设计一种新型的连接金具解决，本文不加以阐述。

3 结束语

架空输电线路暴露在大自然中，所处的气象条件是极其复杂的。运行经验表明，金具断裂事故中有相当一部分是由于金属在“交变应力”（或称之为“重复应力”）作用下导致的连接件突然断裂，而不是连接件在外力作用下直接被“拉断”。

在交变应力作用下工作的构件，其破坏形式与静荷载作用下截然不同。在交变应力下，构件内的最大应力虽然低于材料的屈服强度，但经过长期重复之后，也会突然断裂。即使是塑性较好的材料，断裂前也不会有明显的塑性变形。因此，屈服强度或极限强度等静强度指标是不能作为疲劳计算的依据的。换句话说，单纯加大连接件的静强度指标并不能解决“疲劳”问题，此时，应以材料的疲劳强度极限作为金具设计的依据。

电力工程现行的设计规范、技术规定以及实际工程设计中，往往只注意到了静荷载的作用，忽略了“交变应力”作用，而这恰恰是架空输电线路最显著的特点之一。随着特高压线路的大量建设，材料的“疲劳强度极限”概念应尽快贯彻到工程设计特别是金具设计、制造、加工工艺标准当中，并对零构件的疲劳计算展开研究，避免因材料的疲劳断裂引发事故。这一点，建议参照GB 50017—2003《钢结构设计规范》中的相关规定并结合架空输电线路的实际情况进行。

The Assembly Way of V (L)-style Insulator Strings

ZHANG Chao, HUANG Weihua, YI Qing
（China Energy Engineering Group Shanxi Electric Power Engineering Co., Ltd., Taiyuan, Shanxi 030001, China）

In present, V(L)-type suspension insulator strings are applied in overhead power transmission lines in quantity for reducing the construction corridor. According to Universal Design of the Fittings, this paper analysed the current connection modes of V(L)-style insulator strings and their strength performance, and the exsiting problems of the connection modes were pointed out. Solutions were put forward correspondingly to make the V(L)-type suspension insulator be stressed reasonably and rotate flexibly.

V(L)-type insulator strings; fittings; connection mode; stress analysis

TM75

B

1671-0320（2016）04-0035-05

2016-04-10，

2016-06-12

张 超（1986），男，山西太原人，2010年毕业于山西大学工程学院电气工程及其自动化专业，双学士，工程师，从事输电线路设计研究工作；

黄位华（1986），女，河南郑州人，2012年毕业于太原理工大学电力电子与电力传动专业，硕士，从事输电线路设计研究工作；

易 青（1957），男，浙江青田人，1982年毕业于中南大学工程机械专业，高级工程师，从事输电线路设计工作。