风振条件下间隔棒损伤导线的成因分析及应对措施

丁 斌 刘晓博 孙 伟 葛 伟 石洪超

（1．国网张家口供电公司，河北 张家口 075000；2．河北三般电力设备科技有限公司，河北 沧州 062350）

0 引言

线夹是各种线路金具与裸导线连接的挂点，线夹内圈装配胶瓦，可使导线免于金具的直接磨损[1-2]。但是架空线路运行环境复杂多样，风霜雨雪、沙尘和雾霾等均会对其造成影响。其中在风振（含次档距振动）工况下，间隔棒损伤导线的事故频繁发生于220kV 和500kV 架空线路上，造成了断股甚至断线的严重故障，威胁电网运行安全。通过拆解故障间隔棒线夹发现是胶瓦部分或全部脱落导致了金具对导线的直接磨损，也明确了间隔棒线夹缺陷发生、发展的全过程[3]。

1 间隔棒损伤导线故障的试验室模拟重现

1.1 技术路线的确定

间隔棒损伤导线是目前北方寒冷多风地区输电线路运行的高发故障，其中多风地区相对严重。架空输电线路是连接电源点和负荷中心的通路，是新型电力系统的承载网架。由于线路输送容量的增加超出了单根导线允许输送功率的上限，而线径又无法持续加大，因此提出了单相线路采用多根子导线平行送电的设计方案，各子导线间采用间隔棒连接，以固定其相对位置。线夹是各种线路金具与裸导线连接的挂点，线夹内圈装配胶瓦，可使导线免于金具的直接磨损。在运行过程中，线路振动会对间隔棒造成机械影响，线夹内圈胶瓦发生顺线位移。当幅向尺寸较小时，位移速度加快，直至胶瓦脱落，线夹金具与裸导线发生直接摩擦。随着时间的累积，即会出现断股甚至断线故障[4]。

该问题的解决思路包括2 个方面：一是减少线路振动，通过档距调节或加装防震锤；二是避免振动发生时的线夹胶瓦位移，只要胶瓦对导线的保护功能不失效，导线就能免于金具的磨损。该文项目属于第二种解决思路。该文在试验室中模拟实际运行工况，再现胶瓦脱落、线夹磨损导线的过程，并做出量化分析。然后以此为基础制定反措方案，研制均有新型线夹结构的间隔棒，并配套开发安装工具，已提升施工效率和作业完成质量。

1.2 试验平台的搭建

覆冰舞动、微风振动和次档距振荡是架空输电线路常见的运行故障。覆冰舞动属于低频（0.1Hz～3Hz）、大振幅（导线直径的20～300 倍）自激振动，形态为椭圆形半波（1个或多个），失效形式为断股、断线。微风振动是一种高频（5Hz～100Hz）、低幅（10mm～单倍线径）驻波振动，振动时长占全面的30%～50%，失效形式为疲劳破坏。次档距振荡是一种低频（1Hz～3Hz）、低幅（500mm～单倍线径）单腹波振动，发生于分裂导线两间隔棒之间的档距，且在风与导线夹角＞45°条件下频发，与覆冰与否无关，失效形式以疲劳破坏为主[5]。

收集间隔棒磨损导线造成断股、断线的失效架空裸导线，在电子显微镜下观察断面晶相组织，晶粒排布较为均匀，边界圆滑，为典型的疲劳破坏形态。因此，该文的试验室仿真平台按照振动疲劳试验搭建，激励源按照微风振动和次档距振荡设计，同时考虑线路水平移动传递给间隔棒线夹胶瓦的水平摩擦力对其滑移、脱落的显著影响，在试验室条件下设计了顺线、垂直、水平和扭转4 种振动工况，来模拟实际运行线路的疲劳失效形式。

挂装与失效间隔棒同型号的产品，试验线路档距设置为35m，挂装2 支间隔棒，模拟次档距振动工况。在4 种工况下设计的不同幅向缺陷尺寸的胶瓦，随振动次数的累积均出现了胶瓦位移脱出、脱落缺陷，如图1 所示。垂直、扭转、水平和顺线4 种试验工况对胶瓦振动脱出的影响程度不同，以振动次数进行表征区分。

1.3 间隔棒磨损导线故障重现与机理分析

新挂装间隔棒线夹胶瓦与线夹本体、压盖过盈装配，线夹橡胶提供了足够的弹性支撑，因此进行振动试验时不会发生顺线位移。随着挂网运行时间的增长，橡胶弹性下降，提供的辐向支撑力变弱，胶瓦与线夹本体、压盖间出现了缝隙。进行振动试验时，老化胶瓦随振动次数的增加而发生顺线位移，直至脱落。然而，寻找线路挂装的老化胶瓦是十分困难的，但人工制备老化胶瓦周期较长，且老化临界点难以控制，为表征线夹胶瓦不同缺陷程度，该文将新制备胶瓦辐向尺寸缺陷进行了量化。经过不同辐向缺陷尺寸试验数据的对比，最终确定将间隔棒线夹胶瓦辐向缺陷尺寸设置为0.5mm、1mm、3mm 和5mm 这4 种规格，代表胶瓦由小到大的缺陷。

振动激励方式差异较大，这是试验成功与否的关键。振动三要素为振幅、频率和初相角。以不同的振动频率和振幅、载荷加载位置和角度模拟4 种振动疲劳试验工况，胶瓦脱出振动次数对应关系见表1。分析表1 数据可知，顺线振动下胶瓦最容易脱出，以5mm 缺陷尺寸计算，振动试验0.67h 后，胶瓦就会脱出。扭转振动对胶瓦顺线位移、脱出、脱落的影响程度小于顺线振动，垂直振动工况次之。由于振动频率为25Hz，相同振动脱出次数下，垂直振动试验用时较短。以辐向缺陷5mm 为例，振动脱出次数为10500 时，用时0.17h，脱出次数大于顺线振动，但脱出时间小于顺线振动。水平振动工况的影响程度最小，但当胶瓦辐向缺陷尺度达到5mm 时，经过10.9h 的振动，胶瓦仍然会脱出。

表1 不同工况疲劳试验中胶瓦的脱出振动次数

从胶瓦脱出振动次数看，辐向缺陷尺寸5mm ＜3mm＜1mm ＜0.5mm，4 种振动工况规律一致，表明胶瓦辐向缺陷尺寸越大，越容易发生顺线位移，胶瓦脱落经历的振动次数也越少，即使只有0.5mm 幅向尺寸缺陷，胶瓦仍然存在脱落的风险。胶瓦发生顺线位移前，线路运行平稳，而一旦位移发生，缺陷会迅速发展，且随着振动时长的增加，胶瓦辐向缺陷尺寸也会累积增大，进一步加快了胶瓦的脱出速度。

该文还对0.1mm 辐向缺陷尺度胶瓦进行了顺线振动疲劳试验，经历较多振动次数后，胶瓦仍然会脱出（不考虑胶瓦老化对辐向尺寸的影响）。由于耗时较长，该文未进行其他3 种工况下胶瓦0.1mm 辐向缺陷的振动试验。

该文在试验室中再现了胶瓦顺线位移、脱出和脱落的全过程，明确了线夹金具对裸导线的磨损是从胶瓦脱出开始的，因此确定了反措技术应为防止胶瓦顺线位移。

2 架空导线免于间隔棒损伤抑制技术

2.1 十字交叉胶瓦限位结构

频繁的导线风振是引发故障的主要原因，胶瓦松动、磨损和脱落则是先于间隔棒线夹磨损导线出现的现象，即在一定意义上可将避免胶瓦松动、脱落视为预防该类缺陷、故障的关键。

拆解故障间隔棒同型号产品，发现胶瓦与间隔棒线夹为抱紧固定结构，辐向的压紧力提供顺线方向的滑动摩擦力。辐向尺寸缺陷出现后，滑动摩擦力失效，但为此设计的圆柱卡槽限位结构的强度不高。该文研制了防止胶瓦振动脱落的新型四分裂导线间隔棒，将胶瓦与线夹的固定结构由圆柱卡槽升级为十字交叉卡槽，增强了限位能力。在上述4 种试验室振动工况下，新型间隔棒胶瓦未发生明显位移，使导线免于线夹金属部分的磨损。

常规间隔棒线夹采用圆柱状胶瓦限位结构，如图2（a）所示。胶瓦凸台与线夹凹槽接触面积小，提供的顺线方向约束力有限，其胶瓦凸台根部易出现裂痕，随机会失效、丧失约束能力。新研发的间隔棒线夹采用十字交叉限位结构，如图2（b）所示。该十字交叉胶瓦限位结构提升了胶瓦凸台与线夹凹槽的接触面积，也提高了顺线自由度约束能力。加长的根部周线降低了胶瓦凸台根部出现裂痕、扯裂的概率。优化了胶瓦材质，通过选用高密度橡胶，增加了胶瓦自身的硬度和强度。

图2 常规圆柱限位胶瓦与新型十字交叉限位胶瓦的对比

2.2 十字交叉限位胶瓦与常规胶瓦的性能对比

采用十字交叉胶瓦限位结构的新型间隔棒目前已定型量产。在部分线路挂网试运行后，截止目前，在例行巡线环节未发生肉眼可见的顺线位移，证明了该产品反措技术的有效性。新型间隔棒与常规间隔棒疲劳试验中胶瓦脱出振动次数对比见表2。

表2 新型间隔棒和常规间隔棒疲劳试验中胶瓦脱出振动次数的对比

在顺线、扭转2 种工况下，胶瓦振动脱出次数远小于垂直、水平工况。只对比前2 种工况，具体如下：顺线工况下，贴合缝隙0.5mm 时，通过相同试验参数振动试验，新型间隔棒胶瓦脱出时经历的振动次数为旧间隔棒的3.4 倍；扭转工况下，贴合缝隙1mm 时，通过相同试验参数振动试验，新型间隔棒胶瓦在脱出振动次数达6000 万次后仍未脱出，明显优于旧间隔棒性能，证明了该产品反措技术的有效性。

新型胶瓦线夹握力与常规胶瓦线夹相等，且新型胶瓦十字交叉卡槽和常规胶瓦圆柱卡槽相比改动较小，基本不会增加生产和制造成本。新型胶瓦顺线滑移限位能力远大于常规胶瓦，为后者的3～5 倍。详细数据见表3。

表3 新型间隔棒和常规间隔棒的技术经济指标对比

表4 该文项目技术和现有技术水平对比

2.3 新型间隔棒配套施工夹具开发

该文制定了新型间隔棒安装作业方案，开发了配套施工夹具，用于间隔棒内衬装配。力矩加载选用扭矩扳手结构，载荷数值精准可控，操作过程平稳，提升了施工作业效率和完成质量。新型间隔棒安装作业方案的确定明确了间隔棒内衬工装夹具的改进方向和具体技术参数。

由于产品结构发生较大变动，原有的间隔棒内衬工装夹具已无法满足使用要求，因此该文特开发了具有新外观、新结构的夹具，同时升级了力矩加载结构。1）力矩加载升级为扭矩扳手结构，载荷数值精准可控，操作过程平稳，降低了操作人员技术准入门槛。2）坯体材料选用45#钢调质淬火，提升了夹具表面硬度的整体刚度。3）加工流程全部在数控加工中心完成，尺寸精度高、表面粗糙度低，提升了夹具制造工艺水平。

3 与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

随着分裂导线的使用，间隔棒得到了大面积推广，但其在运行过程中出现了不同类型的失效问题。因此国内外研究机构、高校、运行单位对覆冰舞动、微风振动、风雨激振等不同工况下的间隔棒故障进行了大量研究，部分缺陷已经得到彻底解决。研究内容集中于间隔棒整体或者线夹整体，但对线夹结构进行剖开分析的研究不多。

该文项目课题聚焦于风振（含次档距振动）工况下，间隔棒线夹磨损架空导线的发生机理。由于胶瓦顺线位移、脱落和脱出，因此导致了线夹金属部位与裸导线直接接触，进而发生磨损。为了抑制胶瓦顺线位移，该文设计了十字交叉卡槽结构，提升了线夹对胶瓦的限位能力，可替代现有的圆柱限位结构，并研发了采用该技术的新型间隔棒。为提升新型间隔棒内衬装配效率，该文还设计开发了配套夹具工装，采用扭矩扳手进行力矩加载，载荷数值精准可控，操作过程平稳，可替换现有的曲柄滑块加载结构，提升夹具柔性。

4 结语

该文项目课题聚焦于风振（含次档距振动）工况下间隔棒线夹磨损架空导线的发生机理，发现胶瓦顺线位移、脱落和脱出是导致线夹金属部位与裸导线直接接触，进而发生磨损的原因。为了抑制胶瓦顺线位移，该文设计了十字交叉卡槽结构，提升了线夹对胶瓦的限位能力，可替代现有的圆柱限位结构。并研发了采用该技术的新型间隔棒。为提升新型间隔棒内衬装配效率，还开发了配套夹具工装。采用扭矩扳手进行力矩加载，载荷数值精准可控，操作过程平稳，可替换现有的曲柄滑块加载结构，提升夹具柔性。