電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《輸電線路金具磨損試驗方法》技術(shù)說明及應(yīng)用

汪立鋒，錢 科，錢 苗，盛葉弘，洪 靜

（浙江華電器材檢測研究所 國家電力器材產(chǎn)品安全性能質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，杭州 310015）

電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《輸電線路金具磨損試驗方法》技術(shù)說明及應(yīng)用

汪立鋒，錢 科，錢 苗，盛葉弘，洪 靜

（浙江華電器材檢測研究所 國家電力器材產(chǎn)品安全性能質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，杭州 310015）

主要介紹了新編制的《輸電線路金具磨損試驗方法》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編制原則和依據(jù)，并對標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)要求、磨損試驗的載荷、頻率、擺動角度、磨損次數(shù)等性能指標(biāo)和試驗方法進(jìn)行了說明，以架空輸電線路地線用連接金具和懸垂線夾為試驗材料，驗證標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法和技術(shù)指標(biāo)的可行性和科學(xué)性，以供標(biāo)準(zhǔn)使用者參考。

連接金具；懸垂線夾；耐磨試驗；技術(shù)應(yīng)用

0 引言

近年來，國家大力發(fā)展西北電網(wǎng)，但我國西北地區(qū)環(huán)境氣候復(fù)雜，常年遭受5級、局部7級的風(fēng)力影響，甚至有風(fēng)口風(fēng)力達(dá)到8-9級、最大瞬時風(fēng)力大于12級。在風(fēng)力的作用下，輸電線路用金具，特別是連接金具、懸垂線夾等擺動較大易產(chǎn)生磨損，導(dǎo)致金具可靠性降低，給電網(wǎng)的安全運行帶來隱患。據(jù)了解，西北某地750 kV輸電線路工程于2010年1月實現(xiàn)全網(wǎng)帶電運行1年多時間，部分鐵塔地線和光纜掛點連接金具（U型掛環(huán)）均存在不同程度的磨損；在2011—2012年間，該線路更換金具達(dá)1萬余件，耗費了大量的人力物力資源。

現(xiàn)階段，更多的研究者開始關(guān)注金具的磨損以及耐磨金具的研制，但仍沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)對金具的實驗室磨損方法進(jìn)行規(guī)范。為更好地掌握大風(fēng)環(huán)境下服役的電力金具的壽命，通過金具的實驗室磨損試驗研究，對比實際運行金具磨損情況，建立金具壽命預(yù)測模型，編制《輸電線路金具磨損試驗方法》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為輸電線路設(shè)計提供可靠依據(jù)。

以下對《輸電線路金具磨損試驗方法》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編制原則、編制依據(jù)和試驗方法等進(jìn)行說明，并給出各金具磨損的磨損試驗的載荷、頻率、擺動角度、磨損次數(shù)等性能指標(biāo)[1]，供標(biāo)準(zhǔn)使用者參考。

1 標(biāo)準(zhǔn)的編制原則和依據(jù)

標(biāo)準(zhǔn)《輸電線路金具磨損試驗方法》在GB/T 5075-2001，GB/T 2317.1-2008，GB/T 2314-2008，DL/T 756-2009，DL/T 759-2009等標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行編制。標(biāo)準(zhǔn)制訂了輸電線路用金具磨損試驗的術(shù)語和定義、試驗設(shè)備和試驗方法等。

本著創(chuàng)新和傳承性統(tǒng)一的原則，首次在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了架空輸電線路地線用連接金具和懸垂線夾磨損試驗的載荷、頻率、擺動角度、磨損次數(shù)等性能指標(biāo)和試驗方法。

本標(biāo)準(zhǔn)充分考慮到輸電線路電力金具的實際運行狀態(tài)和受力情況，以及整個行業(yè)的技術(shù)現(xiàn)狀，為我國磨損金具產(chǎn)品的生產(chǎn)和應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

2 標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)內(nèi)容及說明

為了重現(xiàn)金具在實際使用環(huán)境中的磨損狀態(tài)，本標(biāo)準(zhǔn)采用加速磨損的方式考核金具的耐磨損性能。選用的磨損試驗機的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)置必須可針對不同的金具進(jìn)行調(diào)整，具有一定的靈活性和適應(yīng)性。同時，為使磨損結(jié)果具有橫向可比性，必須規(guī)定磨損試驗過程中的一些重要參數(shù)。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)中的主要技術(shù)問題

2.1.1 磨損試驗設(shè)備要求

磨損試驗設(shè)備的加載機構(gòu)和擺動機構(gòu)在運行時必須維持穩(wěn)定，使試樣在試驗過程中不受沖擊或者交變載荷[2]，以免影響磨損結(jié)果。

2.1.2 環(huán)境溫度要求

經(jīng)紅外儀監(jiān)測，金具磨損接觸面在磨損試驗過程中的最高溫度在60℃左右（如圖1所示），不足以改變金屬材料的磨損特性。因此，標(biāo)準(zhǔn)中僅對環(huán)境溫度做了要求，在保證環(huán)境溫度相對穩(wěn)定的情況下，試樣接觸面的溫度也相對穩(wěn)定。

圖1 U型環(huán)在磨損試驗中的紅外測溫

2.1.3 磨損試驗研究對象

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)架空輸電線路中的金具磨損主要出現(xiàn)在架空地線及光纜的連接金具和懸垂線夾上，其主要原因是架空地線及光纜等垂直荷載較小，在風(fēng)力作用下，金具之間易產(chǎn)生相對運動，造成磨損。因此，本標(biāo)準(zhǔn)對連接金具及懸垂線夾的磨損試驗方法進(jìn)行了規(guī)定[1]。

2.1.4 試驗參數(shù)選擇

本標(biāo)準(zhǔn)適用于有耐磨性能要求的架空輸電線路地線用連接金具和懸垂線夾的試驗及性能評價，試驗參數(shù)主要依據(jù)光纜及地線性能參數(shù)進(jìn)行設(shè)計。

表1為某Ⅰ線390號-425號光纜、地線荷載設(shè)計參數(shù)表。

表1 光纜、地線荷載設(shè)計參數(shù)

（1）磨損試驗設(shè)備載荷。

依據(jù)表1數(shù)據(jù)，架空地線及光纜金具在實際運行狀態(tài)下電線綜合荷載接近10 kN，因此本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試驗設(shè)備加載機構(gòu)最大加載載荷不應(yīng)小于10 kN，設(shè)備加載能力可適當(dāng)增大。

（2）加載載荷確定。

根據(jù)架空輸電線路設(shè)計規(guī)范[3]，金具強度的安全系數(shù)在最大使用荷載情況下不應(yīng)小于2.5，即金具在實際運行狀態(tài)下承受的載荷應(yīng)不大于其標(biāo)稱破壞載荷的40%。另外，由表1可知，該線路掛線金具安全系數(shù)為13～14，即金具承受載荷為其標(biāo)稱破壞載荷的7.69%和7.14%。基于以上數(shù)據(jù)，磨損試驗時，加載載荷取試樣標(biāo)稱破壞載荷的8%，即磨損試驗加載載荷接近試樣實際運行時承受載荷。

（3）試樣擺動角度。

經(jīng)調(diào)研，該地750 kV線最小設(shè)計風(fēng)速為28 m/s，最大設(shè)計風(fēng)速為40 m/s。據(jù)有關(guān)資料顯示，某線路在線路故障跳閘時，最大平均風(fēng)速可達(dá)到42 m/s，短時大風(fēng)風(fēng)速可達(dá)到44.9 m/s。輸電線路導(dǎo)線在此情況下可能發(fā)生嚴(yán)重的線路擺動，風(fēng)偏角可達(dá)55°，如表1所示。另外，根據(jù)U型螺栓式懸垂線夾設(shè)計要求，掛板與船體間的擺動角應(yīng)不大于45°。

基于以上數(shù)據(jù)，為獲得與大風(fēng)地域輸電線路擺動狀態(tài)相一致的磨損條件，試驗機的擺動角度范圍定為±30°。試驗時，連接金具的擺動角度定為±27.5°，懸垂線夾的擺動角度定為±22.5°，以真實地獲得各類金具的耐磨損性能。

（4）試驗頻率。

為保證試驗機的靈活性和適應(yīng)性，磨損試驗設(shè)備的擺動頻率定為在0.1～2 Hz之間可調(diào)?？紤]到試驗的有效性，推薦磨損試驗頻率為1 Hz。

（5）磨損次數(shù)。

本標(biāo)準(zhǔn)適用范圍為耐磨金具的磨損性能評價。因此，磨損試驗的結(jié)果應(yīng)能明顯的區(qū)別常規(guī)金具與耐磨金具之間的差異。根據(jù)金具試樣實際磨損數(shù)據(jù)分析，連接金具（詳見2.2.2）在磨損試驗加載載荷為其標(biāo)稱破壞載荷的6.67%，磨損周期數(shù)為15萬次時，其剩余承載力才降低至標(biāo)稱破壞載荷以下；CGH-5型鋁合金懸垂線夾（詳見2.3.1）在標(biāo)稱破壞載荷的11.43%的加載載荷作用下，磨損60萬次，其剩余承載力仍為標(biāo)稱破壞載荷的1.32倍，其耐磨性能較好；XGU-5型可鍛鑄鐵U型螺栓式懸垂線夾（詳見2.3.2）在標(biāo)稱破壞載荷的8.33%的加載載荷作用下，磨損4萬次，其剩余承載力已低于標(biāo)稱破壞載荷，因此，認(rèn)為XGU-5型可鍛鑄鐵U型螺絲式懸垂線夾不宜用在金具易磨損的線路運行環(huán)境中?；谝陨蠑?shù)據(jù)，金具的磨損次數(shù)定為15萬次。

2.1.5 試驗結(jié)果判斷

為體現(xiàn)耐磨金具的優(yōu)勢，耐磨金具在以上參數(shù)條件下經(jīng)磨損試驗后，其承載力不得低于其標(biāo)稱破壞載荷，進(jìn)而保證耐磨金具的實際服役安全性能和金具的安全系數(shù)。另外，在前期試驗中，對試樣磨損后的接觸面剩余厚度進(jìn)行了測量，但由于磨損面不均勻，測試數(shù)據(jù)只具有參考意義，因此，本標(biāo)準(zhǔn)中未將接觸面剩余厚度作為結(jié)果判斷的依據(jù)。

2.2 金具的磨損試驗

2.2.1 基礎(chǔ)性能試驗

金具磨損試驗首次作為連接金具和懸垂線夾的檢測項目進(jìn)行試驗，為了驗證本標(biāo)準(zhǔn)試驗方法的可操作性、實用性和技術(shù)指標(biāo)的可行性、合理性，對國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的連接金具和懸垂線夾進(jìn)行試驗。

本次實物磨損試樣均采用A廠家生產(chǎn)的U型環(huán)，試樣的具體磨損試驗步驟如下：

（1）每12對（每2個為一對）U型環(huán)為一組試樣，對每組試樣分別加載0.4T，0.6T，0.8T的載荷，在頻率為1 Hz、擺動角度為±27.5°的試驗條件下進(jìn)行磨損試驗。

（2）每檔載荷下，對每組試樣進(jìn)行5萬次、10萬次、15萬次磨損試驗。

（3）U型環(huán)的具體磨損試驗參數(shù)見表2，在108對（216個）U型環(huán)的實物磨損試驗后，測量試樣磨損接觸面的剩余厚度。將經(jīng)實際運行環(huán)境下U型環(huán)的磨損狀態(tài)與試驗參數(shù)下U型環(huán)的磨損狀態(tài)（剩余厚度）進(jìn)行對比，評估并測算實際運行狀態(tài)和實驗室內(nèi)模擬的磨損效果對應(yīng)關(guān)系。

表2 U型環(huán)磨損試驗參數(shù)

（4）對試樣進(jìn)行破壞載荷試驗，獲得關(guān)于U型環(huán)試驗載荷、磨損次數(shù)、剩余承載力三者之間的對應(yīng)關(guān)系。

圖2和圖3分別為自然條件下磨損和實驗室磨損試驗后U型環(huán)的磨損形態(tài)，可發(fā)現(xiàn)兩者之間的磨損位置和磨損不均勻程度十分相近，處于上方的U型環(huán)被磨損區(qū)域較大，而處于下方的U型環(huán)被磨損區(qū)域較小，這與U型環(huán)在線路實際裝配狀態(tài)下的運動軌跡相匹配。通過磨損形態(tài)的對比分析可以證明，本標(biāo)準(zhǔn)中推薦的金具磨損試驗設(shè)備可高度模擬金具在大風(fēng)地域的擺動受力狀態(tài)，試驗結(jié)果真實可靠。

圖2 某自然磨損U型環(huán)試樣形貌

圖3 實驗室磨損試驗后試樣形貌

2.2.2 實物磨損試驗結(jié)果

按表3的試驗參數(shù)進(jìn)行U型環(huán)磨損試驗，試驗后對每組U型環(huán)進(jìn)行截面尺寸的測量和破壞載荷試驗。

表3 U型環(huán)在0.8 T/15 W磨損條件下試驗后性能測試結(jié)果

圖4（a），（b），（c）分別為磨損試驗后U型環(huán)剩余承載力、接觸面厚度損失率與磨損次數(shù)的關(guān)系圖。由圖可知，在每檔試驗載荷下，U型環(huán)的剩余承載力隨著磨損次數(shù)的增加而減小，接觸面厚度損失率隨磨損次數(shù)增加而增大，且隨著試驗載荷的增加，U型環(huán)剩余承載力和接觸面厚度損失率隨磨損次數(shù)的變化變得逐漸敏感。

圖4 磨損試驗后U型環(huán)剩余承載力和接觸面厚度損失率變化情況

結(jié)合表3、表4及圖4（b），只有0.8T/15萬次條件下U型環(huán)在磨損試驗后，其剩余承載力均值小于12T，其余磨損條件下的U型環(huán)即使經(jīng)過15萬次的磨損，其剩余承載力仍大于其標(biāo)稱破壞載荷。

另外，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算方法，建立了磨損后U型環(huán)剩余承載力預(yù)測模型。以試驗載荷和磨損次數(shù)為輸入條件，磨損后U型環(huán)剩余承載力為輸出結(jié)果的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，如圖5所示。

表4 U型環(huán)磨損試驗后性能測試結(jié)果

圖5 磨損后U型環(huán)剩余承載力預(yù)測模型

通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練[4]，獲得U型環(huán)剩余承載力預(yù)測模型。然后，以試驗載荷和磨損次數(shù)的原始試驗條件作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入，進(jìn)行計算。將模型的計算結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行誤差比較，誤差分析見表5。計算結(jié)果與試驗原始結(jié)果的最大誤差為2.08%，平均誤差為0.79%，模型計算結(jié)果比較理想。

表5 U型環(huán)剩余承載力計算誤差分析

將試驗載荷范圍取[0.4，0.8]t，磨損測試范圍取[5，15]萬次，按照21×21的網(wǎng)格密度生成等間距二維網(wǎng)格作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)行計算獲得對應(yīng)的U型環(huán)剩余承載力值，繪制三維曲線如圖6所示，U型環(huán)剩余承載力隨試驗載荷的增加而降低，隨磨損次數(shù)的增加而降低。

圖6 磨損后試樣剩余承載力-磨損次數(shù)-試驗載荷三維關(guān)系曲線

2.3 懸垂線夾磨損試驗

根據(jù)文獻(xiàn)資料及懸垂線夾的連接形式特點，選擇了CGH-5型鋁合金懸垂線夾（提包式）和XGU -5型U型螺栓式懸垂線夾（中心回轉(zhuǎn)式）為研究對象進(jìn)行磨損試驗研究，前者在磨損時的磨損點主要是掛耳孔部分，后者磨損點主要是船體掛軸與掛板接觸面[5]。在相關(guān)文獻(xiàn)中，關(guān)于懸垂線夾磨損的論述均是針對U型螺栓式懸垂線夾，該類線夾在山區(qū)輸電線路中易磨損。

2.3.1 CGH-5型鋁合金懸垂線夾

圖7為CGH-5型鋁合金懸垂線夾磨損試驗布置情況。

圖7 CGH-5型鋁合金懸垂線夾磨損試驗布置情況

選擇4組試樣，每組試樣數(shù)量為3只進(jìn)行試驗。表6給出了磨損試驗前后懸垂線夾破壞載荷數(shù)據(jù)及磨損程度?？煽闯?，鑄造鋁合金懸垂線夾樣品磨損試驗前其實際破壞載荷約為標(biāo)稱載荷的1.75倍。即使在加載載荷為標(biāo)稱載荷的11.43%條件下磨損60萬次，其剩余承載力仍為標(biāo)稱載荷的1.3倍，相比于原試樣破壞載荷僅損失24.83%。

圖8，9為CGH-5型懸垂線夾磨損后照片。

圖8 CGH-5型懸垂線夾磨損后情況

圖9 CGH-5型懸垂線夾配套螺栓磨損后情況

鋁合金材料硬度較小，在磨損時存在明顯的輕微-嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變。在磨損過程中材料發(fā)生了氧化和材料的轉(zhuǎn)移，在其表面生成一層MML（機械混合層）[6]，當(dāng)MML未完全破壞時磨損率很低；一旦MML被破壞就轉(zhuǎn)變?yōu)閲?yán)重磨損。輕微磨損的主要機制為磨粒磨損、氧化磨損和氧化膜剝層磨損，嚴(yán)重磨損主要是疲勞剝層磨損和熱軟化磨損。

由于在鋁合金懸垂線夾的磨損過程中，加載載荷保持穩(wěn)定，且室內(nèi)溫度波動范圍小，因此，磨損接觸面一旦形成機械混合層，在恒載荷恒溫度作用下，很難將MML破壞，磨損速率大大降低。

2.3.2 XGU-5型U型螺栓式懸垂線夾

圖10為XGU-5型螺栓式懸垂線夾機械破壞載荷試驗布置情況，研究時將懸垂線夾船體與掛板作為一組組合試樣。試樣在機械破壞試驗前后的情況如圖11所示，可看出，試樣在機械破壞時，從掛軸根部斷裂。

圖10 XGU-5型懸垂線夾機械破壞載荷試驗布置情況

圖11 XGU-5型懸垂線夾機械破壞試驗前后照片

表6 懸垂線夾實物樣磨損試驗結(jié)果

圖12為XGU-5型懸垂線夾磨損試驗布置情況，圖13為試樣經(jīng)磨損試驗后的磨損情況，圖14為試樣磨損后經(jīng)機械破壞試驗的斷裂情況。由圖可看出，該類線夾在磨損時，主要磨損部件為船體掛軸，磨損情況嚴(yán)重，導(dǎo)致線夾承載性能大大降低，在磨損部位首先斷裂。

圖12 XGU-5型懸垂線夾磨損試驗布置情況

圖13 XGU-5型懸垂線夾磨損試驗后的磨損情況

圖14 XGU-5型懸垂線夾磨損后機械破壞情況

表7給出了XGU-5型懸垂線夾磨損前后的試驗數(shù)據(jù)，可看出，線夾機械破壞載荷約為其標(biāo)稱破壞載荷的1.81倍。線夾在加載載荷為標(biāo)稱載荷的8.33%條件下，磨損4萬次后，其剩余承載力均值59.76 kN，強度損失率為45.10%；磨損6萬次后，其剩余承載力均值為37.61 kN，強度損失率為65.45%；磨損8萬次后，其剩余承載力均值為24.09 kN，強度損失率為77.87%?；谝陨蠑?shù)據(jù)，XGU-5型懸垂線夾耐磨性能很差，不適宜用在易磨損線路上。

3 結(jié)語

大風(fēng)區(qū)域輸電線路電力金具的磨損是輸電線路安全運行的重大威脅，為保障線路安全運行，對金具的磨損進(jìn)行研究，掌握磨損對金具壽命的影響，研究提高或改善金具的耐磨損性能的方法。對金具的磨損方法進(jìn)行規(guī)范，編制了電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《輸電線路金具磨損試驗方法》。對架空輸電線路地線用連接金具和懸垂線夾磨損試驗的載荷、頻率、擺動角度、磨損次數(shù)等性能指標(biāo)和試驗方法進(jìn)行了具體的應(yīng)用說明，為各研究、設(shè)計、生產(chǎn)單位提供詳細(xì)的技術(shù)參考。

表7 U型螺栓式懸垂線夾磨損前后的試驗數(shù)據(jù)

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（本文編輯：陸 瑩）

Technical Description and Application of Abrasion Test Methods for Fittings of Transmission Lines

WANG Lifeng，QIAN Ke，QIAN Miao，SHENG Yehong，HONG Jin

（National Quality Supervision&Inspection Center of Electrical Equipment Safety Performance，Zhejiang Huadian Equipment Testing Institute，Hangzhou 310015，China）

This paper mainly introduces the compilation principles and basis of Abrasion Test Methods for Fittings of Overhead Transmission Lines，and it explains the performance indexes and test methods such as technical requirements，load of abrasion test，frequency，swing angle，abrasion times.The tests of link fittings and suspension clamp for earth wires of transmission lines verify the feasibility and effectiveness of the methods and performance indexes set in this standard to provide reference for standard users.

link fittings；suspension clamp；abrasion resistant test；technical application

TM755

B

1007-1881（2016）11-0060-07

2016-09-20

汪立鋒（1981），男，工程師，長期從事電力器材產(chǎn)品特性研究工作。