輸電桿塔雙獨(dú)立掛點(diǎn)懸垂線夾結(jié)構(gòu)存在問題的探討

姜常勝，馬世恩，鄭維剛

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國網(wǎng)大連供電公司，遼寧 大連 116003）

輸電桿塔雙獨(dú)立掛點(diǎn)懸垂線夾結(jié)構(gòu)存在問題的探討

姜常勝1，馬世恩2，鄭維剛1

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國網(wǎng)大連供電公司，遼寧 大連 116003）

針對(duì)遼寧省內(nèi)幾起輸電線路桿塔導(dǎo)線斷線情況，重點(diǎn)分析了使用雙獨(dú)立掛點(diǎn)的懸垂線夾結(jié)構(gòu)的受力情況，通過計(jì)算導(dǎo)線和金具在扭動(dòng)狀態(tài)下的動(dòng)彎應(yīng)力進(jìn)行金屬疲勞分析，找到目前線夾結(jié)構(gòu)的不足，為線路安全穩(wěn)定運(yùn)行提供參考經(jīng)驗(yàn)。

雙獨(dú)立掛點(diǎn)；懸垂線夾；動(dòng)彎應(yīng)力

國家電網(wǎng)公司 “十八項(xiàng)反措”中規(guī)定：對(duì)于直線型重要交叉跨越塔，包括跨越110 kV及以上線路，鐵路和高速公路，一級(jí)公路，一、二級(jí)通航河流等，應(yīng)采用雙懸垂絕緣子串結(jié)構(gòu)，且宜采用雙獨(dú)立掛點(diǎn)；無法設(shè)置雙掛點(diǎn)的窄橫擔(dān)桿塔可采用單掛點(diǎn)雙聯(lián)絕緣子串結(jié)構(gòu)［1］。另外，國家電網(wǎng)公司《架空輸電線路 “三跨”重大反事故措施 （試行）》中也規(guī)定：500 kV及以下線路的懸垂絕緣子串應(yīng)采用獨(dú)立雙串設(shè)計(jì)。此外，國家電網(wǎng)公司《架空輸電線路 “三跨”運(yùn)維管理補(bǔ)充規(guī)定》中還要求“三跨”地線應(yīng)采用雙掛點(diǎn)。

在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，采用獨(dú)立雙掛點(diǎn)的方法存在問題，以下將從運(yùn)行實(shí)踐和設(shè)計(jì)原理兩個(gè)方面來說明該方法的不合理之處。

1 運(yùn)行中發(fā)生的問題

1.1 斷線現(xiàn)場情況

2013年11月11日5時(shí)52分，國網(wǎng)遼寧省電力有限公司220 kV金吳線斷路器跳閘，重合失敗。巡視發(fā)現(xiàn)，220 kV金吳線11號(hào)塔小號(hào)側(cè)上線 （A相）導(dǎo)線在懸垂線夾根部斷線，導(dǎo)線斷落地面，雙串懸垂絕緣子被導(dǎo)線拉向大號(hào)側(cè)，如圖1所示。

圖1 懸垂線夾斷裂情況

11號(hào)塔為GUZ2－36型直線塔，導(dǎo)線型號(hào)為LGJ－400／35， 采用獨(dú)立掛點(diǎn)的雙 FXBW4－220／100－4型絕緣子，導(dǎo)線懸垂線夾型號(hào)為CGL－5。9—13號(hào)為一個(gè)耐張段，耐張段長1.371 km，10—11號(hào)塔檔距0.358 km，11—12號(hào)塔檔距0.208 km。

1.2 導(dǎo)線斷口情況

導(dǎo)線型號(hào)為LGJ－400／35；外部3層鋁線共計(jì)48根 （外層22根、外2層16根、內(nèi)層10根），直徑3.22 mm；芯部鋼線7根，直徑2.5 mm。

導(dǎo)線在懸垂線夾中壓板端部斷裂，斷裂兩端形貌見圖2—圖3。

圖2 導(dǎo)線在線夾內(nèi)斷口照片

圖3 導(dǎo)線落地側(cè)斷口照片

大多數(shù)外層鋁線 （46根）斷口上可見舊斷裂痕跡，斷口拉伸縮頸變形不明顯，斷口屬于疲勞引發(fā)斷裂。其中有代表性的2個(gè)斷口形貌見圖4—圖5，斷口上可見疲勞貝紋，疲勞裂紋起源于鋁線表面擠壓磨痕處，裂紋疲勞擴(kuò)展約1／2斷面后引發(fā)瞬時(shí)拉斷。

圖4 外層鋁線疲勞斷口照片

圖5 內(nèi)層鋁線疲勞斷口照片

7股鋼芯斷口全部呈過載拉伸斷裂，有明顯的縮徑現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6 鋼芯斷口照片

1.3 初步分析斷線原因

從導(dǎo)線斷口情況來看，導(dǎo)線鋁股應(yīng)該是在交變的應(yīng)力應(yīng)變作用下發(fā)生了疲勞破壞。鋼芯應(yīng)該是在拉力和過載電流的共同作用下發(fā)生拉伸屈服破壞。

運(yùn)行單位給出的原因：可能是導(dǎo)線受上下折彎造成的，懷疑是該檔導(dǎo)線曾經(jīng)可能發(fā)生過舞動(dòng)，造成導(dǎo)線斷股損傷，因處于線夾內(nèi)，并被鋁包帶纏繞，無法被發(fā)現(xiàn)。11號(hào)塔地處斜偏坡，秋冬季節(jié)受北風(fēng)影響導(dǎo)線長期微風(fēng)振動(dòng)，使導(dǎo)線在懸垂線夾根部長期反復(fù)折彎，造成11號(hào)塔小號(hào)側(cè)導(dǎo)線折斷。

因此，雖然不能確定是舞動(dòng)還是微風(fēng)振動(dòng)引起的，但是疲勞破壞是可以確定的。

1.4 另一起相似的斷線事故

2016年8月12日，國網(wǎng)河北省電力有限公司220 kV辛肖Ⅰ線斷線，落到石武高鐵接觸網(wǎng)上。辛肖Ⅰ線82號(hào)塔也是直線塔，為獨(dú)立雙掛點(diǎn)的合成絕緣子串組合，導(dǎo)線也是在懸垂線夾內(nèi)發(fā)生疲勞斷裂，唯一不同之處為斷線發(fā)生在中相復(fù)導(dǎo)線的下子導(dǎo)線上 （當(dāng)導(dǎo)線向下彎曲時(shí)，其彎曲半徑比上子導(dǎo)線?。?。

運(yùn)行單位給出的斷線原因：辛肖Ⅰ線82號(hào)塔中相下子導(dǎo)線的防振錘于2016年3月脫落，導(dǎo)線失去防振保護(hù)，受微風(fēng)振動(dòng)影響，在導(dǎo)線線夾出口處形成應(yīng)力集中，造成導(dǎo)線逐漸疲勞斷股。6月以后，河北南部地區(qū)發(fā)生過多次強(qiáng)對(duì)流極端天氣，加劇了導(dǎo)線斷股進(jìn)程。兩者綜合作用導(dǎo)致導(dǎo)線斷裂。

1.5 根本原因

無論是發(fā)生過舞動(dòng)還是微風(fēng)振動(dòng)，無論是防振錘脫落還是斷股不易發(fā)現(xiàn)，最根本的原因是由于絕緣子串采用獨(dú)立雙掛點(diǎn)造成的。

2 理論分析

懸垂非獨(dú)立雙掛點(diǎn)的情況通常有單串絕緣子（如圖7所示）、橫擔(dān)側(cè)經(jīng)聯(lián)板連接的雙串絕緣子（如圖8所示）和導(dǎo)線側(cè)經(jīng)聯(lián)板連接的雙串絕緣子（與圖8類似，只是倒掛聯(lián)板）。

圖7 單串絕緣子結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 經(jīng)聯(lián)板連接的雙串絕緣子結(jié)構(gòu)示意圖

這3種結(jié)構(gòu)形式有其共同特點(diǎn)，即導(dǎo)線于桿塔間的連接方式為鉸接。單串絕緣子結(jié)構(gòu)通過絕緣子的球頭和碗頭配合形成鉸接；經(jīng)聯(lián)板連接的雙串絕緣子通過直角掛板和U型掛環(huán)配合形成鉸接。鉸接的最大特點(diǎn)是可以繞某一點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，不產(chǎn)生附加彎矩。以圖7為例，當(dāng)導(dǎo)線L受到向下的F力作用時(shí)，由于A、B 2處均為鉸接點(diǎn)，導(dǎo)線L可以轉(zhuǎn)動(dòng)到L1的位置，而本身未受到任何外來附加彎矩的作用。

采用獨(dú)立雙掛點(diǎn) （如圖9所示）時(shí)，其受力情況發(fā)生了徹底改變。由于每串絕緣子兩端均分別于導(dǎo)線和桿塔鉸接，兩串絕緣子就形成了一個(gè)固定端。當(dāng)導(dǎo)線受到F力 （可以是向下的，也可以是向上的）時(shí)，雖然對(duì)于一串絕緣子是鉸接，但是，由于受到了另一串絕緣子的限制，導(dǎo)線無法繞絕緣子端部轉(zhuǎn)動(dòng)，將產(chǎn)生附加彎矩M。當(dāng)導(dǎo)線受彎且其彎曲半徑小到一定程度時(shí)，導(dǎo)線將產(chǎn)生初裂紋，經(jīng)過多次反復(fù)彎曲后，發(fā)生疲勞破壞。導(dǎo)線產(chǎn)生初裂紋的力學(xué)條件是導(dǎo)線所受靜 （動(dòng)）彎應(yīng)力大于導(dǎo)線正斷面強(qiáng)度。由于其機(jī)理相同，導(dǎo)線動(dòng)彎應(yīng)力可以參照靜彎應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算：

式中：σb為靜彎應(yīng)力，該線路導(dǎo)線為130～157 MPa；k為剛性系數(shù)，推薦為3／8，我國通過試驗(yàn)修正為0.25；E為導(dǎo)線鋁絲彈性模量，通常為0.63×106 MPa；r為導(dǎo)線鋁部單絲半徑，該線路導(dǎo)線為3.07mm；R為線夾船體 （導(dǎo)線）應(yīng)提供的彎曲半徑。

圖9 雙獨(dú)立掛點(diǎn)的絕緣子結(jié)構(gòu)示意圖

220 kV辛肖Ⅰ線斷線事故可以進(jìn)一步說明分析的正確性。對(duì)于2根子導(dǎo)線，當(dāng)導(dǎo)線向下彎曲時(shí)，下子導(dǎo)線的彎曲半徑小于上子導(dǎo)線，其承受的靜彎應(yīng)力σb相對(duì)較大，發(fā)生斷線事故。

3 結(jié)束語

對(duì)于直線型重要交叉跨越塔，包括跨越110 kV及以上線路，鐵路和高速公路，一級(jí)公路，一、二級(jí)通航河流等，應(yīng)采用雙懸垂絕緣子串結(jié)構(gòu)，但不宜采用雙獨(dú)立掛點(diǎn)。

［1］ 國家電網(wǎng)公司運(yùn)維檢修部.國家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施 （修訂版）輔導(dǎo)教材 ［M］.北京：中國電力出版社， 2012： 27－28.

［2］ 張宏志，蘇廣明，董云鵬，等.500 kV輸電線路球頭掛環(huán)斷裂原因分析及對(duì)策研究 ［J］.東北電力技術(shù)，2013，34（9）： 43－46.

［3］ 朱義東，王 飛，張忠瑞，等.架空輸電線路復(fù)合絕緣子老化斷裂試驗(yàn)分析 ［J］.東北電力技術(shù)，2014，35（2）：31－33.

［4］ 鄧大勇，閆 斌，何喜梅，等.110 kV線路 “Z”型掛板斷裂分析 ［J］. 青海電力， 2011， 30 （4）： 50－53.

Discussion on Problems of Transmission Tower of Double Independent Hanging Point in Suspension Clamp

JIANG Changsheng1， MA Shien2， ZHENGWeigang1

（1.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.， Ltd.， Shenyang， Liaoning 110006， China；2.State Grid DaLian Power Supply Company， Dalian， Liaoning 116003， China）

Through analysing the force structure， it uses double hanging point independent suspension clamp in the case of several transmission tower line break accident in Liaoning.By wire and fittings in the twisted state dynamic bending stress calculation ofmetal fatigue analysis，it finds out the deficiency of suspension clamp to provide reference for the safe and stable operation line.

double independent hanging point； suspension clamp； dynamic bending stress

TM754

A

1004－7913（2017）11－0057－03

姜常勝 （1969），男，高級(jí)工程師，主要從事輸電線路狀態(tài)評(píng)價(jià)工作。

2017－08－10）