淺析V(L)型絕緣子串組裝型式

張 超,黃位華,易 青

（中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測設(shè)計(jì)院,山西 太原 030001）

淺析V(L)型絕緣子串組裝型式

張 超,黃位華,易 青

（中國能源建設(shè)集團(tuán)山西省電力勘測設(shè)計(jì)院,山西 太原 030001）

為了減少建設(shè)走廊,V(L)型懸垂絕緣子串在架空輸電線路中大量應(yīng)用。通過對《國網(wǎng)金具通用設(shè)計(jì)》和工程中所用V(L)型絕緣子串的連接方式和受力進(jìn)行分析,指出目前V(L)型絕緣子串連接方式中存在的問題,并提出解決建議,從而使V(L)型絕緣子串受力合理、轉(zhuǎn)動靈活。

V(L)型絕緣子串；金具；連接方式；受力分析

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，可用于建設(shè)的用地越來越緊張。輸變電工程項(xiàng)目周圍均為人類活動已開發(fā)區(qū)域，經(jīng)常會涉及自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)、森林公園、生態(tài)功能保護(hù)區(qū)、城鎮(zhèn)規(guī)劃區(qū)、中小學(xué)校、村莊及居民密集地帶等，架空輸電線路與地方建設(shè)的矛盾日漸凸顯，尤其是在線路走廊方面尤為突出。為了盡可能減少架空輸電線路占用建設(shè)走廊，V ( L )型懸垂絕緣子串得以在架空輸電線路中大量應(yīng)用。

國家電網(wǎng)公司《輸變電工程金具通用設(shè)計(jì)》（2011-2014版）中，220～330 kV輸電線路導(dǎo)線二分裂水平排列、500～750 kV輸電線路導(dǎo)線多分裂對稱布置采用的V型絕緣子串的組裝型式均采取了如圖1至圖3所示的連接方式。

圖1 220～330 kV水平排列“V”串

圖2 500 kV線路“V”串

圖3 750 kV線路“V”串

圖4所示的“L”串雖非國網(wǎng)通用設(shè)計(jì)中的典型串型，但也在輸電線路中得以較廣泛地使用，且其構(gòu)造型式與“V”串基本相同，因此，也一并納入本文進(jìn)行探討。

圖4 750 kV線路“L”串

1 問題分析

1.1 一般懸掛時狀態(tài)

在絕緣子串的自身重力作用下，V ( L )型絕緣子串的二分肢串將呈現(xiàn)如圖5所示的狀態(tài)（絕緣子為瓷質(zhì)或鋼化玻璃絕緣子更為明顯）。顯然，由于絕緣子串和導(dǎo)線自身重力G與分肢串的軸向力T成一定角度（如圖6所示），該合力將在掛板上產(chǎn)生一個彎矩，在這個彎矩的長期反復(fù)作用下，掛板很容易因“疲勞”發(fā)生突然斷裂事故；另外，如果掛板的制作與U型環(huán)選配不當(dāng)?shù)脑?，甚至連U型環(huán)的螺栓也會承受彎矩，而螺栓是不允許承受彎矩的。

圖5 “V”串懸掛實(shí)景圖

圖6 無風(fēng)狀態(tài)下受力示意圖

1.2 不平衡張力狀態(tài)

從圖1至圖4可以知道，V ( L )型絕緣子串的組裝型式?jīng)Q定了其實(shí)際上為一個相對穩(wěn)定的△的整體平面構(gòu)造。

當(dāng)V ( L )型絕緣子串承受不平衡張力時（如懸垂串兩側(cè)的檔距相差較大或一側(cè)脫冰、分裂導(dǎo)線的子導(dǎo)線不均勻覆冰等情況），V ( L )型絕緣子串將沿不平衡張力的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但由于圖1至圖4 中V ( L )型絕緣子串的兩分肢串各自鉸接點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)軸方向（如圖7中所示的O-O、O'-O'）各異，因此，在不平衡張力作用下，V ( L )型絕緣子串實(shí)際上是無法整體沿懸掛點(diǎn)轉(zhuǎn)動的，而是各分肢串上的金具（絕緣子）之間沿著相互的鉸接點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動，且各自的轉(zhuǎn)動方向隨連接方式的不同而不同，因此，各金具相互之間將會發(fā)生“扭轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，導(dǎo)致各連接件承受一定的扭(彎)矩。

圖7 不平衡張力作用下V ( L )型絕緣子串偏轉(zhuǎn)示意圖

例如，當(dāng)相導(dǎo)線存在不平衡張力或各子導(dǎo)線產(chǎn)生不均勻覆冰時，將導(dǎo)致導(dǎo)線聯(lián)板順線路方向產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。但導(dǎo)線聯(lián)板無法沿順線路方向偏轉(zhuǎn)，而圖8所示的“球—碗”結(jié)合部可以在一定程度上沿順線路方向轉(zhuǎn)動，由于其轉(zhuǎn)動的范圍相對有限（θ≈15°），從而在“球—碗”結(jié)合部產(chǎn)生較大值的彎矩。

圖8 “球—碗”結(jié)合部放大示意圖

盡管此彎矩值不一定很大，但由于該彎矩長期正、反兩個方向反復(fù)作用于球頭，勢必會加速球頭的疲勞，最終導(dǎo)致突然斷裂。

1.3 側(cè)向風(fēng)壓狀態(tài)

當(dāng)線路承受側(cè)向風(fēng)壓時，可能會出現(xiàn)以下2種狀態(tài)。

a) 如圖9所示，4分裂導(dǎo)線的合力可視為作用于O1點(diǎn)，當(dāng)線路承受側(cè)向風(fēng)壓時，在導(dǎo)線風(fēng)壓和重力共同作用下的某一時刻，導(dǎo)線聯(lián)板將圍繞O3點(diǎn)轉(zhuǎn)動，這時，如果兩分肢串間夾角選擇不合適的話，位于O4的“球—碗”結(jié)合部將會因“卡死”而產(chǎn)生一定的彎矩。一般情況下，上述彎矩值均不是很大，但卻可能會因其反復(fù)作用致使“球頭”發(fā)生疲勞破壞。

圖9 側(cè)向風(fēng)壓作用下V ( L )型絕緣子串受力示意圖

b)當(dāng)線路受到側(cè)向風(fēng)時（如圖10所示），迎風(fēng)側(cè)分肢串在風(fēng)壓作用下，由O1移至O2時，背風(fēng)側(cè)的分肢串可能會因受壓松弛退出工作（此時可能會導(dǎo)致球頭從碗頭中脫落），而由迎風(fēng)側(cè)的分肢串承受來自導(dǎo)線的全部荷載。

圖10 風(fēng)偏后的V型絕緣子串示意圖

1.4 小結(jié)

由于架空輸電線路暴露在自然環(huán)境中，在各種外力作用下，V ( L )型絕緣子串中各金具（絕緣子）的受力狀態(tài)是非常復(fù)雜的。但通過對以上受力狀態(tài)的簡單分析可知：由于圖1至圖4中的V ( L )型絕緣子串存在受力不盡合理、轉(zhuǎn)動不夠靈活的缺點(diǎn)，特別是DB（蝶型板）調(diào)整板和PT（平行板）調(diào)整板段僅僅可以沿橫線路方向轉(zhuǎn)動，致使分肢串中各金具（絕緣子）的鉸接點(diǎn)長期處于拉、壓、彎、扭的狀態(tài)，在外力的作用下，勢必會加速連接金具的疲勞損害，特別是在“球—碗”結(jié)合部。這可能就是架空輸電線路在運(yùn)行中球頭脫落、斷裂事故頻發(fā)的原因之一。

2 解決方案

2.1 掛板及聯(lián)塔金具彎矩解決方案

為了解決掛板及聯(lián)塔金具受彎問題，可以按照圖11所示的方案：各金具之間盡可能采取“環(huán)形”連接方式，增加絕緣子串的自由度，從而大大減小“彎矩”或“扭矩”產(chǎn)生的可能性。

圖11 第1個金具改進(jìn)方案

2.2 導(dǎo)線聯(lián)板連接的解決方案

根據(jù)架空線路的特點(diǎn)可知，懸垂串承受的最大荷載來自導(dǎo)線（該荷載遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于懸垂串的自重）。從V ( L )型絕緣子串的組裝型式可以看出，受該荷載影響最大的位置正是在“球—碗”結(jié)合部。在外力作用下，即使是在不被“卡死”的狀態(tài)下，該處發(fā)生彎曲（扭轉(zhuǎn)）的次數(shù)也是非常頻繁的。因此，如能將導(dǎo)線聯(lián)板與分肢串的連接方式進(jìn)行適當(dāng)?shù)母淖?，即可大幅減小甚至避免彎（扭）矩的產(chǎn)生。

在利用現(xiàn)有金具的前提下，將導(dǎo)線聯(lián)板與分肢串連接方式變?yōu)槿鐖D12所示。導(dǎo)線在承受縱向不平衡張力或側(cè)向風(fēng)壓作用時，圖12中的導(dǎo)線聯(lián)板可分別圍繞點(diǎn)O1、O2、O3、O4轉(zhuǎn)動。因此，按圖12組裝的V ( L )型絕緣子串具備以下特點(diǎn)。

圖12 改進(jìn)后的局部放大圖

a）分肢串在導(dǎo)線重力、風(fēng)力的合力或者不平衡張力作用下，基本上只產(chǎn)生軸向力（忽略絕緣子串自重的影響），因此幾乎不會承受彎（扭）矩。

b）受到橫向風(fēng)時，如圖13所示可知，由于 V ( L)型絕緣子串分肢串間的夾角幾乎完全可以不受導(dǎo)線風(fēng)偏角的控制，因此，分肢串之間的夾角可以適當(dāng)減小，也就是意味著橫擔(dān)寬度的減小，亦即線路走廊寬度的減小。

圖13 風(fēng)偏示意圖

c）目前，鑒于復(fù)合絕緣子具備重量輕、長度可根據(jù)要求任意加工制作等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于V ( L )型絕緣子串。與瓷質(zhì)或鋼化玻璃絕緣子相比較，復(fù)合絕緣子為長棒形，只有兩端具備一定的轉(zhuǎn)動能力。因此，在這一點(diǎn)上，復(fù)合絕緣子顯然不如瓷質(zhì)或鋼化玻璃絕緣子轉(zhuǎn)動靈活。而由于按圖12組裝的V ( L )型絕緣子串之分肢串上只有軸向力，基本不需要轉(zhuǎn)動，從而解決了分肢串轉(zhuǎn)動不夠靈活的問題。

2.3 球頭斷裂的解決方案

經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)研究，目前對疲勞破壞比較一致的解釋是：由于構(gòu)件外部形狀尺寸的突變以及材料不均勻等原因，某些局部構(gòu)件將產(chǎn)生應(yīng)力集中。在長期交變應(yīng)力作用下，應(yīng)力較高的點(diǎn)，或材料有缺陷的點(diǎn)，逐步形成了非常細(xì)微的裂紋，裂紋尖端產(chǎn)生的嚴(yán)重應(yīng)力集中，促使裂紋逐漸擴(kuò)展，構(gòu)件截面不斷消弱。又因裂紋尖端材料處于三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)，比單向拉伸更不易出現(xiàn)塑性變形。所以，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度，構(gòu)件就會沿消弱的截面發(fā)生突然脆性斷裂。

從球頭掛環(huán)的外形構(gòu)造來看，完全符合了上述特征。因此，若想解決球頭突然斷裂的問題，應(yīng)當(dāng)從連接形式的方面加以解決。

對于采用復(fù)合絕緣子的V ( L )型絕緣子串，可以在其兩端取消“球碗結(jié)合”而采用螺栓形式直接與其他部件聯(lián)接，例如采取如圖14所示的連接形式。

圖14 復(fù)合絕緣子的上、下端連接方式

對于采用瓷質(zhì)或鋼化玻璃絕緣子組成的V(L)型絕緣子串，則可以通過另外設(shè)計(jì)專門的連接金具解決，譬如類似于汽車傳動軸的“萬向節(jié)”。

2.4 方案比較

綜上所述，與國網(wǎng)典型設(shè)計(jì)中的V型絕緣子串相比較，改進(jìn)后的V型絕緣子串受力更合理、轉(zhuǎn)動更靈活。只是由于增加了連接金具，因此在長度、高度上有所增加，可能會使塔頭尺寸略微有些加大。不過，這個問題可通過設(shè)計(jì)一種新型的連接金具解決，本文不加以闡述。

3 結(jié)束語

架空輸電線路暴露在大自然中，所處的氣象條件是極其復(fù)雜的。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，金具斷裂事故中有相當(dāng)一部分是由于金屬在“交變應(yīng)力”（或稱之為“重復(fù)應(yīng)力”）作用下導(dǎo)致的連接件突然斷裂，而不是連接件在外力作用下直接被“拉斷”。

在交變應(yīng)力作用下工作的構(gòu)件，其破壞形式與靜荷載作用下截然不同。在交變應(yīng)力下，構(gòu)件內(nèi)的最大應(yīng)力雖然低于材料的屈服強(qiáng)度，但經(jīng)過長期重復(fù)之后，也會突然斷裂。即使是塑性較好的材料，斷裂前也不會有明顯的塑性變形。因此，屈服強(qiáng)度或極限強(qiáng)度等靜強(qiáng)度指標(biāo)是不能作為疲勞計(jì)算的依據(jù)的。換句話說，單純加大連接件的靜強(qiáng)度指標(biāo)并不能解決“疲勞”問題，此時，應(yīng)以材料的疲勞強(qiáng)度極限作為金具設(shè)計(jì)的依據(jù)。

電力工程現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范、技術(shù)規(guī)定以及實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，往往只注意到了靜荷載的作用，忽略了“交變應(yīng)力”作用，而這恰恰是架空輸電線路最顯著的特點(diǎn)之一。隨著特高壓線路的大量建設(shè)，材料的“疲勞強(qiáng)度極限”概念應(yīng)盡快貫徹到工程設(shè)計(jì)特別是金具設(shè)計(jì)、制造、加工工藝標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，并對零構(gòu)件的疲勞計(jì)算展開研究，避免因材料的疲勞斷裂引發(fā)事故。這一點(diǎn)，建議參照GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定并結(jié)合架空輸電線路的實(shí)際情況進(jìn)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

張 超（1986），男，山西太原人，2010年畢業(yè)于山西大學(xué)工程學(xué)院電氣工程及其自動化專業(yè)，雙學(xué)士，工程師，從事輸電線路設(shè)計(jì)研究工作；

黃位華（1986），女，河南鄭州人，2012年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力電子與電力傳動專業(yè)，碩士，從事輸電線路設(shè)計(jì)研究工作；

易 青（1957），男，浙江青田人，1982年畢業(yè)于中南大學(xué)工程機(jī)械專業(yè)，高級工程師，從事輸電線路設(shè)計(jì)工作。