鲁固特高压直流黄河大跨越绝缘子串选择及防振措施设计

姚元玺，芦 灯，国 震，陈 鹏

（山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013）

0 引言

输电线路设计中，在绝缘配置环节确定了绝缘子的型号和片数后，还需要确定绝缘子的吨位、绝缘子串的组合方式以及配套的金具等信息。

导线、地线防振主要需要解决微风振动问题，对于特高压一般段线路，只要选用了合适的间隔棒类型（如阻尼间隔棒），并进行合理的间隔棒次档距布置，就能解决微风振动问题。而特高压大跨越线路必须进行导线实验室消振系统模拟试验，通过在单导线上对初步防振方案进行试验、对防振方案进行改进及优化、在分裂导线上对改进的防振方案进行复核试验来确定最优的防振方案，并用于实际工程［1-4］。

结合工程实际和以往大跨越工程经验，重点介绍了黄河大跨越的绝缘子串选型原则，给出了绝缘子串型式及配套金具的选型结论；同时，结合大跨越导线的常用防振方案，给出了防振方案的设计方法，可为后续工程的黄河大跨越提供设计参考。

1 绝缘子串选择的一般原则

1）选择绝缘子串，首要原则是要满足机械荷载强度，该强度一般根据正常运行工况时的最大荷载计算确定，确保绝缘子串选型设计的安全性［5］。

2）在保证设计安全的前提下，尽量减少绝缘子串的联数。根据已建线路运行经验，当采用双联或者多联绝缘子串时，整串绝缘性能有所降低；联数越多，各联组合型式越复杂，金具种类和数量也越多，发生故障的概率也随之增加；联数增多也会导致运行工作量的增加。

3）尽量降低线路金具单件重量和尺寸，便于运输和安装；使用高强度材料应重点考虑材料的延展性，避免脆断；采用成熟的技术、成熟的材料和成熟的加工工艺；尽量简化金具结构、减少金具数量；金具的互换性要强，便于线路的维护；金具受力分配均匀、合理，满足线路运行出现的各种荷载要求。

绝缘子及金具的机械强度安全系数如表1 所示。

表1 盘型绝缘子及金具的机械强度安全系数

2 绝缘子串荷载

本工程黄河大跨越导线推荐选用6×JLHA1／G4A-900／240 型特强钢芯铝合金绞线，地线推荐选用2 根OPGW-300。导线设计覆冰厚度15 mm，验算覆冰厚度25 mm，地线设计覆冰和验算覆冰均比导线增加5 mm，100 年一遇历年大风季节平均最低水位以上10 m 高处的设计基本风速值取33 m／s。

综合考虑防振装置、间隔棒及绝缘子串自重量后，极导线及地线荷载如表2 所示。

表2 导线和地线荷载表 kN

每极导线悬垂串和耐张串由多联绝缘子串组成，地线不需绝缘，每根地线的悬垂串和耐张串，由满足强度要求的金具组成。

通过计算，4×420 kN 悬垂串和6×550 kN 耐张串无法满足本工程推荐的导线方案荷载要求，悬垂串须采用6×550 kN 组合型式，耐张串须采用8×550 kN组合型式。上述串型安全系数储备都在3.8 以上。

300 kN 和420 kN 都可以满足地线悬垂串的需要。根据山东电力系统舞动分布图（2016 年版），黄河大跨越处于1 级舞动区，根据GB 50790—2013《±800 kV 直流架空输电线路设计规范》的规定，线路经过易舞动区应适当提高金具和绝缘子串的机械强度［1］，地线悬垂串选用420 kN 级，地线耐张串选用550 kN 级。

3 导线绝缘子串组装型式

3.1 导线悬垂绝缘子串组装型式

黄河大跨越段直线跨越塔导线悬垂串推荐采用6×550 kN 盘式绝缘子型式。为确保线路在正常运行和事故情况下都安全可靠，与横担联接处推荐采用2 点固定，并对第1 个金具加大安全系数。各联绝缘子在导线端以联板连接，悬垂线夹采用固定式，出口处加预绞丝护线条，绝缘子串下端加均压环，各金具间联接应具有较好的灵活性，并兼顾加工、安装和运行维护方便，其组装型式如图1 所示。

图1 6×550 kN 导线悬垂绝缘子串组装

3.2 导线耐张绝缘子串组装型式

黄河大跨越段耐张串推荐采用8×550 kN 盘式绝缘子组装方式，其组装型式如图2 所示。两端耐张金具串有弧垂调整装置。

耐张线夹（包括浇铸式）安装后，导线、避雷线的强度降低值不应超过抗拉强度的5%。

3.3 导线跳线串组装型式

目前耐张塔常用跳线方式主要有软跳线方式和硬跳线方式，该工程大跨越段耐张塔单侧耐张串串长可达25 m，如采用软跳线，则耐张塔的塔头尺寸较大，因此不宜采用软跳线。

图2 8×550 kN 耐张绝缘子串组装

目前±800 kV 直流特高压线路常用硬跳线型式有笼式硬跳线和铝管式硬跳线。笼式硬跳线在常规软跳线基础上增加一个跳线支撑架来固定跳线，支撑架通过拉杆或跳线绝缘子串连接至耐张绝缘子串或铁塔上，增加跳线刚性、减小了跳线弧垂，减少了耐张塔横担长度，但安装型式较为复杂。铝合金管的硬跳线与笼式硬跳线相比，将笼式硬跳线的支撑管及其软跳线用两根铝管代替，铝管通过跳线绝缘子串连接至耐张绝缘子串或铁塔上，铝管既起导流作用又起支撑作用，安装相对简便，但造价比笼型跳线略高。

笼式硬跳线整体结构较复杂，但电磁环境较铝管式跳线有所改善。大跨越耐张塔两侧导线分裂数分别为六分裂和八分裂，采用笼式硬跳连接需要在跳线中央采用六变八线夹进行转换，两侧受力不太均衡，并且由于在跳线中央进行分裂数变换，受到导线连接等方面影响，不利于改善电磁环境。铝管式和笼式跳线电磁环境优劣方面基本相当，而跳线部分对大跨越整体投资的影响微小，出于美观和降低施工难度的考虑，推荐黄河大跨越段耐张塔跳线串采用210 kN 双联V型铝管式硬跳线，其组装型式如图3 所示。

图3 铝管式跳线串组装

3.4 地线金具串组装型式

根据计算结果，地线悬垂串选用420 kN 级，地线耐张串选用550 kN 级。

4 主要金具

4.1 悬垂线夹

悬垂线夹有固定线夹、滑动线夹和有限握力线夹等型式。以往的大跨越悬垂线夹多采用滑动或有限握力线夹，主要是为了减小导线的顺线张力影响，从而降低杆塔荷载及重量。

然而大跨越采用多分裂导线后，由于导线数目增加，风荷载增加很大，导线的顺线张力已不控制杆塔主材而仅控制导线横担，杆塔强度主要受大风荷载控制。因此，固定线夹所增加的荷载仅控制横担而不控制塔身，即杆塔重量增加有限。同时，固定线夹将使分裂导线的金具变得简明。因而近年来大跨越悬垂线夹均采用固定线夹，2000 年后我国跨越江河的大跨越均采用固定线夹。因此，该工程大跨越悬垂线夹仍采用固定线夹。

4.1.1 悬垂线夹设计应考虑的问题

架空导线和地线的静态应力，除正常的张拉应力外，在线夹出口（包括线夹内）处，还有弯曲应力和挤压应力，由于这些应力的存在，增加了导线和地线的内应力，会促使导线和地线疲劳极限的下降。因此，设计线夹时应考虑以下问题：

1）平均运行应力。电线的平均运行应力，是影响电线耐微风振动的一个重要因素，我国现有线路设计规程规定，钢芯铝绞线平均运行应力应小于破坏应力的25%，电线悬挂点的应力可超过最低点应力110%［1］，这个数值对一般线路来说，在档距不大时采取一定的防振措施能满足要求，对大跨越来说，如果仍然采用这个数值，则整个档距内的电线应力必然超出这个值（破坏应力的25%），随着电线张力的加大而内阻尼减小，多余的能量必须要有足够的防振措施消耗掉，对防振措施是不利的。因此大跨越的平均运行应力在悬点处应小于25%的破坏应力。实际上，我国以往的大跨越导线年平均应力取值大都较低，而且也经运行经验证明其取值是合理的。因此，结合以往经验本跨越导线的平均运行应力按破坏应力的20%控制，导线在悬点的平均运行应力约为破坏应力的22%。

2）线夹出口的弯曲应力。电线静弯曲应力，实际上反映为电线局部截面上的张拉应力，疲劳极限应力随张拉应力的增加而减小。电线在线夹内弯曲应力的计算，迄今还没有合适的计算公式，一般而言对线夹内的总静张应力不得超过电线破坏强度的60%。大跨越工程采用增加悬垂线夹的曲率半径的办法降低导线静弯曲应力。

3）线夹对电线的挤压应力。对于这个问题，过去和现在都未做详细的研究，从各国分析结果可知，线股间的挤压塑性变形和磨损凹痕等，是振动疲劳断股的因素之一，在设计中应考虑线夹与电线有足够的接触面和适当长度。线夹长度可根据导线机械特性计算结果、运行经验和试验来选择。

4.1.2 悬垂线夹的研制

导线悬垂线夹和地线悬垂线夹，拟采用长船体高破坏强度的固定线夹。2003 年李埠长江大跨越研制的用于特强钢芯高强铝合金导线的长船体高破坏强度固定线夹已实现国产化。一种带橡胶减振垫的长船体固定线夹，已在洪家洲湘江跨越地线上应用，可在既有的防振装置基础上进一步提高减振效果。已运行的±800 kV 向上线4 个长江大跨越也采用了这种型式的固定线夹。长船体高破坏强度固定线夹组装型式如图4 所示。

图4 长船体高破坏强度固定悬垂线夹组装型式

4.2 耐张线夹

在早期大跨越中，曾使用过不同型式的耐张线夹，如早期的固定钢质电缆，使用过环形耐张线夹，后为减轻重量，改为蜗牛式环形耐张线夹，这种笨重的线夹早已淘汰。20 世纪80 年代后，国内大跨越使用的导线和地线耐张线夹多为压浇式，这种线夹施工工艺复杂、体积大，不方便施工，现在也已淘汰。目前广泛采用的是液压型压接式耐张线夹，这种线夹重量轻、体积小、握力大、施工工艺简单方便。该工程拟采用液压型压接式耐张线夹。液压型压接式耐张线夹组装型式如图5 所示。

图5 液压型压接式耐张线夹组装型式

导线采用JLHA1／G4A-900／240 型特强钢芯高强铝合金绞线，这种导线强度高、截面大，相应的耐张线夹对加工工艺和施工工艺要求也高，以往大跨越工程JLHA1／G4A 系列导线需要从国外进口，耐张线夹也随导线一起进口。现在这种导线和耐张线夹已国产化，生产、施工和运行都积累了许多经验，要防止耐张线夹压接后导线出现灯笼状。

5 防振措施

国外的试验研究及实际线路的运行经验表明，对于特高压一般段线路，只要选用了合适的间隔棒类型（如阻尼间隔棒），并进行合理的间隔棒次档距布置，就能解决微风振动问题。但对于特高压线路大跨越的微风振动问题，国外缺乏相关研究和运行经验。

在间隔棒的作用下，各子导线相互抑制振动，导线的分裂根数增多是有助于防振设计的。但是对于特高压输电线路，由于电压等级的提高，与超高压线路相比，其悬挂点更高，使风能、微风振动频率范围均相应增大。当采用大截面导线时由于导线直径增大，微风振动频率下限变低，而导线的低频段自阻尼较小，往往是防振的薄弱环节。

5.1 常用防振方案

一般通过改变线路导线的振动方式来消耗振动能量，大跨越各种导线防振方案如表3 所示。

表3 各种防振方案特点及应用

欧美国家常采用防振锤组合的防振措施，而日本则选用β 阻尼线＋防振锤的型式。β 阻尼线＋防振锤型式的联合防振方案防振原理清晰明确，我国的绝大部分大跨越工程都采用此防振形式，多年的运行经验和现场测振结果表明，该型防振方案具有良好的防振效果。考虑特高压大跨越工程重要性极高，从偏于保守的角度考虑，拟采用以β 阻尼线＋防振锤型式的联合防振方案为首选防振方案，具体的防振方案必须通过试验来确定。

5.2 防振试验

目前，一般通过防振试验确定最终防振方案，防振试验主要包括自阻尼试验和防振锤特性试验。

5.2.1 防振方案试验与优选

1）防振方案设计。β 阻尼线+防振锤防振方案，基本型式如图6 所示。

图6 β 阻尼线+防振锤防振方案

2）防振方案试验。将初步设计的导线防振方案安装在试验档上的导线上，在主要夹固点位置（阻尼线线夹、防振锤线夹、固定端）粘贴应变片，以液压振动台为振源，用特定频率激振导线，待振动稳定后，测量激振力、激振速度、激振功率、导线波腹振幅以及夹固点动弯应变，然后改变试验频率重新测试上述参数。待试验结束后对试验数据进行处理，得到各频率下导线的动弯应变水平，进而评价防振方案的效果。

3）防振方案改进及优选。根据试验结果确定是否需要进行方案改进，若导线各点动弯应变均满足要求，只是平衡点振幅稍大，则可适当增加花边和防振锤的数量；若个别频率下个别位置的动弯应变超标，则调整该频率对应的花边的数量，以增强防振方案的防振效果。对改进后防振方案重新进行试验，若其效果满足要求，则作为备选方案。通过试验至少得到3 个备选方案，从中选出相对较优的备选方案推荐给工程使用。

4）分裂导线防振方案复核试验。由于导线采用四分裂型式，间隔棒对微风振动具有明显的抑制作用，其微风振动比单导线要小。虽然单导线微风振动试验时考虑了间隔棒的作用，但实际按照防振方案后间隔棒的影响作用需要通过试验进行验证，因此有必要进行分裂导线防振方案试验。试验时使各根子导线的张力尽可能保持一致，在每根子导线上安装相同的防振方案，进行振动试验，测量有关参数，评价分裂导线防振方案的效果，若满足技术要求，则作为推荐方案。分裂导线微风振动时需采取具体措施保证子导线的平衡振动问题，这也是试验的难点之一。

5）微风振动现场测振。导线微风振动属于很强的非线性问题，单纯依靠理论分析无法准确反映实际情况，需要以理论为基础，依托室内模拟试验进行防振方案的设计与优选。模拟试验是微风振动研究的一种重要的手段，在试验条件改变和控制方面比较灵活，可以比较方便快捷的评估防振方案的效果。然而，试验手段本身存在一定的局限性，无法完全模拟悬挂点高度、地形地物、风向等的影响，也没有考虑导线长期运行后自阻尼的变化等因素。实际输电线路中导线微风振动的实际波形不是纯粹的“驻波”，大多种振动波形畸变较大，具有随机特征，在实验室里很难准确模拟这种振动，要现场实测导线的微风振动，通过对数据处理确定微风振动是否在容许范围内。

5.2.2 防振方案的技术标准

防振方案的基本形式确定为β 阻尼线+防振锤的组合形式，初步的防振方案需要在工程用导地线自阻尼试验以及防振元件（如防振锤）性能测试的基础上根据理论分析和计算得到，进而依照防振设计及试验方法对初步方案进行实验室模拟试验、优化和复核，最终推荐满足技术条件要求的防振方案供工程使用。

推荐的防振方案需要满足以下规定的技术条件：导线、地线悬垂（耐张）线夹出口及防振方案各夹固点的动弯应变许用标准详见表4，并且具有一定的安全裕度，确保特高压大跨越工程长期安全运行。

表4 导线动弯应变许用标准表

5.2.3 临时防振方案

工程建设过程中，在放线后实施最终防振方案前为了保护导线应采取临时防振方案，临时防振方案为在导线上临时加装防振锤，每档每根每侧导线加装3 个。

特高压大跨越线路的防振方案都必须进行导线实验室消振系统模拟试验，通过在单导线上对初步防振方案进行试验、对防振方案进行改进及优化、在分裂导线上对改进的防振方案进行复核试验来确定最优的防振方案用于实际工程。此外，为了验证防振设计的可靠性，架线后及运行一年后应进行现场测振，实地检测大跨越工程的微风振动水平，凡超过允许值时进行调整，使各节点处导线动弯应变值均能符合标准，确保特高压大跨越线路的安全稳定运行。

6 结语

结合工程实际和以往大跨越工程经验，重点介绍了黄河大跨越的绝缘串选型原则，给出了绝缘子串型式及配套金具的选型结论；同时，结合大跨越导线的常用防振方案，给出了防振方案的设计方法，可为后续工程的黄河大跨越提供设计参考。