地線復(fù)合絕緣子及金具防風(fēng)探討

高 旭，曾文君，謝 恒，劉勁松，張 陵，程 鵬

（1.南瑞集團公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院），南京211106；2.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢430074；3.中國電力科學(xué)研究院，武漢430074；4.國網(wǎng)新疆電力公司，烏魯木齊830011）

0 引言

220 kV及以上的輸電線路一般要求架空地線，但是風(fēng)害區(qū)域架空地線容易受到風(fēng)致振動，這種機械振動導(dǎo)致了地線及金具的磨損，嚴重情況將直接導(dǎo)致地線斷事故[1-2]。地線絕緣子支撐著架空線路的地線，線路正常運行，地線絕緣子承擔(dān)著地線與鐵塔的絕緣，減少了線路損耗，并保證了地線載波通訊的安全；當(dāng)?shù)鼐€出現(xiàn)過電壓時，保護間隙放電，導(dǎo)通了地線與鐵塔，泄放了雷電電流，從而發(fā)揮了地線過電壓防護作用。

地線復(fù)合絕緣子可以分為絕緣子以及配套金具（包括保護間隙）兩部分。地線絕緣子以復(fù)合絕緣子為主，新疆區(qū)域常見的故障為傘裙撕裂故障，復(fù)合絕緣子在風(fēng)速超過35 m/s時的長期作用下發(fā)生應(yīng)力疲勞，傘裙根部將在出現(xiàn)裂紋，進而擴展導(dǎo)致傘裙撕裂[1，3-7]，這種破損面的尖銳程度影響著沿面最大場強，引發(fā)絕緣子的局部發(fā)熱、絕緣失效和機械性能下降等[8-9]。涉及到金具磨損的研究，相關(guān)的研究以國網(wǎng)電力科學(xué)研究院和新疆電力科學(xué)研究院的合作為主，梁偉等建立了線路連接金具壽命評估指標(biāo)體系，這些指標(biāo)包括沙漠環(huán)境、輸電走廊、線路本體特征以及連接金具特性等，并對沙漠地區(qū)某750 kV線路吐魯番至哈密區(qū)段的連接金具進行了壽命評估[10]；朱弘釗分析了連接金具的接觸應(yīng)力，并進行了大量磨損模擬試驗，試驗揭示了連接金具承載力與試驗載荷及磨損次數(shù)之間的內(nèi)在關(guān)系[11]；楊現(xiàn)臣等以U型環(huán)為研究對象，進行了磨損及物破壞載荷試驗，探討了大風(fēng)環(huán)境中金具磨損影響因素[12]；劉冠辰注意到了磨損磨屑參與了連接金具界面的磨損行為[13]。這些研究為架空地線絕緣子的防風(fēng)優(yōu)化設(shè)計提供了參考。

相對線路絕緣子來說，地線絕緣子比較短，除了傘裙撕裂外，地線絕緣子金具的磨損率大于導(dǎo)線絕緣子金具。導(dǎo)線絕緣子相對較長，線路的振動引起的張馳行為可以分散到絕緣子的各節(jié)點上，遞到金具掛軸的力相對較??；地線絕緣子長度較短，掛點也較少，振動產(chǎn)生的張馳行為直接作用在地線懸垂線夾上，磨損故障極為常見。線夾材料一般采用鑄鐵和鍛壓鋼，線夾部件之間未采用潤滑保護措施，在風(fēng)振作用下產(chǎn)生了粘著磨損，如果在沙漠區(qū)域，沙粒加入會產(chǎn)生磨料磨損，這些磨損行為是風(fēng)害區(qū)域金具失效的主要因素。輸電線路已開始采用耐磨金具，這些耐磨線夾的主體和壓板均采用鑄鐵件，閉口銷為不銹鋼，其余部件為鋼制件、鑄鐵件和熱鍍鋅鋼制件。大多數(shù)耐磨金具只是將金具部件的尺寸增厚，并沒從摩擦故障的本質(zhì)出發(fā)，進一步尋找防風(fēng)耐磨的優(yōu)化方法。

筆者分析了絕緣子傘裙撕裂問題、地線金具磨損故障分布，指出這些故障的集中部位，提出了有針對性的改進措施，并對優(yōu)化后的地線絕緣子進行了模擬實驗、耐磨性試驗和現(xiàn)場試用。

1 地線絕緣子及配套金具結(jié)構(gòu)特點

地線復(fù)合絕緣子可以分為絕緣子以及配套金具（包括保護間隙）兩部分（如圖1）。

圖1 典型地線絕緣子Fig.1 Typical ground-wire composite insulator

復(fù)合絕緣子部分由玻璃纖維芯棒、硅橡膠傘裙和金具三部分組成。硅橡膠傘裙采用整體注壓完成，典型故障出現(xiàn)在金具壓接區(qū)域、傘裙區(qū)域位置[1]。

金具部分一般由連接金具和懸垂線夾組成。架空地線中易產(chǎn)生磨損的地線懸垂線夾由線夾船體、壓板、U形螺絲、掛板和閉口銷組成，其中線夾船體和壓板為可鍛鑄鐵件，閉口銷為不銹鋼制件，其余為鋼制件。連接金具由直角環(huán)和U形螺絲組成。閉口銷為不銹鋼制件，其余均為鋼制件，其中可鍛鑄鐵件和鋼件均采用熱鍍鋅。

懸垂線夾通過兩個U形環(huán)與桿塔橫擔(dān)相連。U形端部螺絲與直角環(huán)連接、直角環(huán)與懸垂線夾掛板連接，懸垂線夾掛板與懸垂線夾船體掛軸相連，形成以U形螺絲、U形直角環(huán)和線夾掛板為臂的上下3點絞接連接方式。文獻[14]認為，地線金具的磨損點主要分布在3個地方：磨損點1，直角環(huán)與U形螺絲連接處的磨損，磨損較嚴重；磨損點2，直角環(huán)與懸垂線夾掛板間的磨損，磨損較輕；磨損點3，懸垂線夾掛板與船體掛軸間的磨損，磨損最嚴。

2 故障原因分析

地線絕緣子風(fēng)害故障的因素很多，總體歸納起來主要為氣象因素、地形因素和本體因素，詳細敘述如下。

2.1 氣象因素

風(fēng)害區(qū)域具有風(fēng)速大、風(fēng)向和風(fēng)速變化頻繁等特點，并且會伴隨大溫差、覆冰、濕度差異等微氣象特征。這些微氣象特點會引起架空地線的載荷和懸掛長度的變化，這些使架空地線的張力、弧垂隨之改變，進而帶動地線絕緣子的頻繁振動，使得地線金具產(chǎn)生磨損，在新疆區(qū)域會導(dǎo)致傘裙撕裂。

1）風(fēng)致振動的影響。持續(xù)的風(fēng)力容易引起地線大規(guī)模的頻繁振動，形成大范圍絕緣子金具的磨損失效，如果伴隨著沙塵的影響，將加速磨損過程；持續(xù)大風(fēng)的風(fēng)力作用下，地線復(fù)合絕緣子傘裙產(chǎn)生撕裂行為。

2）覆冰的影響。覆冰直接增加了架空地線的垂直載荷，增大了架空地線的迎風(fēng)面積，這增加了地線的水平風(fēng)載荷，并且融冰過程中的脫冰跳躍也會引起地線的振動，這些變化將加劇復(fù)合絕緣子端部棒脫落、金具磨損等。

3）溫差的影響。大溫差會引起架空線路的熱脹冷縮，導(dǎo)致了地線的動彎應(yīng)變增大，動彎應(yīng)變是地線振動危害的關(guān)鍵因素之一。

2.2 地形因素

輸電走廊的微地形特征導(dǎo)致風(fēng)向風(fēng)力的變化，山頂和平原區(qū)域無遮擋、空氣流動阻力小，山頂與山谷溫差變化，也容易產(chǎn)生上峽谷風(fēng)。

以金具為例，梁偉[10]考察了某條輸電線路走廊地形地貌與金具磨損的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)山頂和平原區(qū)域金具磨損較多，分別占38.3%和24.5%，這跟輸電走廊的微地形相關(guān)。見圖2[10]。

圖2 金具故障地形分布特征Fig.2 Terrain distribution characteristics of metal fittings fault

2.3 設(shè)備因素

1）絕緣子部分。長期強風(fēng)壓迫復(fù)合絕緣子的傘裙，直接導(dǎo)致傘裙的形變發(fā)生，部分復(fù)合絕緣子的大傘裙出現(xiàn)三個階段（如圖3）[3]：1）部分外表完整的大傘裙在受到長期風(fēng)壓外作用時，根部區(qū)域?qū)⑨槾厅c狀裂紋（圖3（a））；2）隨著時間推移和形變加劇，針狀裂紋逐漸迅速擴展，將出現(xiàn)鏈狀細微裂紋，逐步發(fā)展為細小裂紋（圖3（b））；3）這些細小裂紋傘裙的逐步貫連，形成狹長的小裂紋，最后完全撕裂，形成貫穿性的斷裂裂紋，最終形成傘裙斷裂故障（圖3（c））。

圖3 絕緣子傘裙撕裂過程[3]Fig.3 Shed crack process of composite insulators[3]

2）金具部分。對地線金具的磨損部位經(jīng)過掃描電子顯微鏡分析，接觸部位的疲勞磨損出現(xiàn)了斷裂微紋，如圖4所示。這種微小裂紋隨時間的加長，不斷增多和擴大，金具的有效承載界面不斷減小，超過承擔(dān)載荷時，金具將發(fā)生斷裂。

圖4 磨損金具形貌電鏡圖Fig.4 Scanning topography of wear metal fittings

設(shè)計地線金具時，一般會考慮到抗拉強度因素，但較少考慮連接位置的磨損。這些連接位置在較小的風(fēng)力下也會產(chǎn)生振動，這種振動減速了連接位置的磨損破壞。或者線夾位置與地線線沒有壓緊，在風(fēng)力的作用下產(chǎn)生相對運動，也會造成地線及金具的磨損。

3 防風(fēng)優(yōu)化方案探討

3.1 絕緣子部分

文獻[3-4]分析了復(fù)合絕緣子傘裙的風(fēng)壓分布情況，發(fā)現(xiàn)了幾點規(guī)律：

1）迎風(fēng)角為50°時，絕緣子串承受的風(fēng)壓最大，在這種情況下，傘裙迎風(fēng)側(cè)上下表面形成了月牙形的風(fēng)壓區(qū)域，這兩個區(qū)域的形成風(fēng)壓方向相反。

2）相同直徑以及大小大的絕緣子流線分布相對平順，并且傘裙邊緣的形變與風(fēng)壓成正線性關(guān)系。單位風(fēng)壓下的絕緣子邊緣形變t可以根據(jù)式（1）進行計算[3]：

式中：k為傘裙的單位形變，mm/kg；S為傘裙的有效面積，cm2；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

根據(jù)這些規(guī)律，進行地線絕緣子設(shè)計時，采用相同直徑的小傘絕緣子，根據(jù)式（1），設(shè)計的絕緣子k取4.3 mm/kg，S取902.51 cm2，可得t為3.96 mm/kPa，該值相對較小，也就是風(fēng)壓引起的形變非常小。另外在安裝地線絕緣子時，盡量使迎風(fēng)角大于85°或者小于15°。

3.2 金具部分

3.2.1 缺陷分析

根據(jù)地線的磨損缺陷，文獻[14]針對U型螺絲與直角掛環(huán)、掛板與耳軸等部位，從結(jié)構(gòu)上進行了優(yōu)化，包括：1）單純加大連接處的面積；2）采用Y型線夾；3）采用斜交叉式連接方式；4）換用螺栓連接，加自潤滑銅套；5）改用碗頭連接，并且中間加裝絕緣子等系列方法。筆者在文獻[14]的基礎(chǔ)上，進一步進行優(yōu)化，主要包括：1）直角掛板替換U型環(huán)，繼續(xù)增加磨損部位的接觸面積；2）選擇連接螺栓，加自潤滑銅套，如圖6所示。

分析了掛板和連接螺栓的尺寸以及應(yīng)力，以掛軸和活節(jié)螺栓為典型進行分析。地線金具尺寸的計算按500 kV線路地線的相關(guān)條件進行：

1）地線最大不平衡張力一般發(fā)生在斷線，考慮地線拉斷力、地線最大使用張力等參數(shù)。

2）垂直方向和風(fēng)偏時候橫向載荷的計算取原來線路金具的允許載荷進行計算。

3.2.2 優(yōu)化方案

直角掛板材料采用35CrMo，屈服強度σs為550MPa，螺栓采用6.8級的碳鋼，屈服強度σ′s為480 MPa，仍然沿用螺絲的尺寸，根據(jù)文獻[15]，計算分析了掛板和螺栓。d為螺栓直徑，b為掛板寬度，αc為應(yīng)力集中系數(shù)，d0為螺栓孔徑，δ為板孔壁厚度，h0為螺栓中心到掛板邊緣的距離（端距）。

圖5 金具部分現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.5 Site photograph of metal fittings part

1）掛板水平截面的強度受螺栓的孔邊應(yīng)力集中的影響，孔邊處最大拉應(yīng)力σH可按下式進行計算：

式中：K為沖擊系數(shù)，取1.4；T為掛板所受外力，取28.4×103N；[σ′]=480×106/2.5=192 MPa；b=15×2+30=60 mm；d0=30 mm；αc的值與d/b的值有關(guān)，d/b=29/60=0.483，根據(jù)文獻[15]，取αc=2.2；

厚度δ取26 mm；可得σH=112.1 MPa＜192 MPa，滿足需求。

2）掛板垂直截面的強度

螺栓的孔邊切向最大應(yīng)力τV按下式進行計算：

式中：d為 29 mm；δ為 26 mm；[τ]=480×106/6.25=76.8 MPa；h0=39mm，τv=52.3MPa＜76.8MPa，滿足需求。

3）孔壁承壓應(yīng)力

孔壁承壓應(yīng)力σM可按下式計算：

[σ]=550×106/2.5=220 MPa，計 算 可 得 σM為116.0 MPa＜220 MPa，滿足需求。

4）優(yōu)化設(shè)計后，需要計算螺栓在斷線條件下是否滿足強度要求。主要考慮兩側(cè)伸出的凸軸尺寸校核，彎曲切應(yīng)力τL應(yīng)有下式成立：

計算中取R=20 mm，計算τL=42.2 MPa＜76.8 MPa，滿足需求。

3.2.3 磨損試驗與現(xiàn)場應(yīng)用

采用文獻[13]提供的方法，對優(yōu)化前后地線耐磨懸垂夾進行了磨損試驗，相應(yīng)的對比結(jié)果如圖8所示。從圖6可以看出，改進結(jié)構(gòu)后地線耐磨懸垂夾的磨損損失率差值起初變化不大，超過3小時后，隨后優(yōu)勢明顯，到5小時減少約1/3，從結(jié)果可以得出，優(yōu)化后的地線耐磨懸垂夾性能明顯優(yōu)于原始懸垂夾。

2015年開始，將發(fā)生磨損的耐磨懸垂夾替換為優(yōu)化后的地線金具（圖5）。經(jīng)過347天的現(xiàn)場運行后，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后地線金具的各承載截面未見明顯減薄現(xiàn)象，運行效果良好。

圖6 磨損損失率Fig.6 Wear loss rate

4 結(jié)論

分析了絕緣子傘裙撕裂問題、地線金具磨損故障分布，指出故障集中的部位，提出了有針對性的改進措施，并進行了計算分析與試驗驗證，主要結(jié)論如下：

1）地線絕緣子的故障出現(xiàn)在金具壓接區(qū)域、傘裙根部區(qū)域等位置，金具故障主要集中在U型螺絲與直角掛環(huán)、掛板與耳軸的連接位置。

2）進行地線絕緣子設(shè)計時，采用相同直徑的小傘絕緣子，并且安裝傘裙盡量使迎風(fēng)角大于85°或者小于15°。

3）對金具掛板和活節(jié)螺栓的機械強度進行了校驗，滿足設(shè)計強度要求；進行了耐磨性試驗，優(yōu)化后的地線耐磨懸垂夾性能明顯優(yōu)于原始懸垂夾。

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