220 kV三跨輸電線路子導(dǎo)線間隔棒脫落原因分析

曹先慧，歐陽(yáng)克儉，陳軍君，劉維可，馮超，楊濤

(1.湖南省湘電試驗(yàn)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410004；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙410007；3.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司株洲供電分公司，湖南 株洲412000)

0 引言

跨越高鐵、高速、重要線路“三跨”區(qū)段的超特高壓輸電線路在覆冰、風(fēng)振下易發(fā)生嚴(yán)重舞動(dòng)[1]，使線路設(shè)備安全運(yùn)行存在重大隱患[2-3]，同時(shí)也對(duì)高鐵、高速的安全通行帶來(lái)影響。在相間加裝間隔棒可以保證導(dǎo)線相間的安全距離，有效防止鄰相導(dǎo)線舞動(dòng)碰線和相間空氣絕緣擊穿故障的發(fā)生[4-7]。但工程實(shí)踐表明[8-11]，在微風(fēng)振動(dòng)、重覆冰荷載作用下，間隔棒易發(fā)生脫落、扭曲，甚至斷裂等失效故障。黎湘康[10]等對(duì)國(guó)內(nèi)多條輸電線路的間隔棒失效情況展開(kāi)了調(diào)查，結(jié)果表明，間隔棒不能滿足重覆冰等惡劣工況的服役需求。劉竹麗[12]等對(duì)四分裂間隔棒開(kāi)展了非線性有限元分析及破壞試驗(yàn)，結(jié)果表明，線夾根部為整個(gè)結(jié)構(gòu)中最薄弱環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)[13]指出相間間隔棒結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度固定是導(dǎo)致其易發(fā)生失效的原因，并研制了一種結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度可調(diào)式相間間隔棒。上述學(xué)者對(duì)相間間隔棒的失效原因及治理措施開(kāi)展了大量研究，但對(duì)于存量大、風(fēng)險(xiǎn)高的三跨輸電線路220 kV子導(dǎo)線間隔棒失效原因、影響因素及對(duì)策尚未進(jìn)行針對(duì)性研究。

本文通過(guò)對(duì)某220 kV同塔雙回失效間隔棒開(kāi)展試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，對(duì)子導(dǎo)線間隔棒脫落原因分析。

1 故障基本情況

某220 kV同塔雙回子線耐張段跨越高鐵，“耐—耐”結(jié)構(gòu)形式，檔距為217 m。現(xiàn)場(chǎng)地形為一山頭挖掘形成的雙坡面路基供高鐵線路通行，兩基鐵塔之間地形組成深“V”字型峽口，如圖1所示。巡檢中發(fā)現(xiàn)17—18號(hào)耐張段下相第2根、第4根，中相第3根、第4根子導(dǎo)線共計(jì)4個(gè)間隔棒一側(cè)脫落，垂直懸掛在導(dǎo)線上。下相第2根間隔棒一側(cè)脫落后滑移至高鐵鐵軌的正上方，如圖2所示。圖3為該處間隔棒脫落后的局部照片，間隔棒原始位置的鋁包帶依然纏繞在導(dǎo)線上，離松脫的間隔棒約1.6 m，緊固螺栓尚掛在間隔棒線夾孔中。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)地形

圖2 17—18號(hào)耐張段下相第2根間隔棒

圖3 間隔棒脫落細(xì)節(jié)

子導(dǎo)線間隔棒單側(cè)脫落失效所在檔導(dǎo)線型號(hào)為2×LGJ-300/50，間隔棒為FJQ-405輕型間隔棒，設(shè)計(jì)基本風(fēng)速23.5 m/s，該耐張段間隔棒自2009年9月投運(yùn)后一直保持安裝狀態(tài)運(yùn)行。

2 間隔棒試驗(yàn)分析

2.1 外觀檢查

取樣檢測(cè)4個(gè)間隔棒，如圖4所示，間隔棒外觀未見(jiàn)明顯的變形、裂紋、撞擊、燒灼等損傷痕跡。對(duì)間隔棒外觀尺寸進(jìn)行檢測(cè)，緊固螺栓規(guī)格為6.8級(jí)M12，其他數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。結(jié)果表明，間隔棒尺寸及選用符合GB/T 2314—2008《電力金具通用技術(shù)條件》和《電力金具手冊(cè)》要求。

圖4 間隔棒外觀

表1 間隔棒尺寸測(cè)量 mm

2.2 墊片質(zhì)量檢查

GB 93—1987《標(biāo)準(zhǔn)型彈簧墊圈》中規(guī)定，M12彈簧墊圈的開(kāi)口處錯(cuò)開(kāi)量H的范圍為6.2 mm≤H≤7.75 mm，而4套高鐵上方故障間隔棒緊固螺栓彈簧墊圈錯(cuò)開(kāi)量H最大值僅為3.2 mm，降低了48.3%，彈簧墊圈彈性喪失量較大。另外，緊固用平墊片表面銹蝕明顯，并有一定量的減薄，螺栓彈簧墊圈及平墊片如圖5所示。

圖5 螺栓彈簧墊圈及平墊片

2.3 螺桿和螺帽尺寸檢測(cè)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 41—2016《Ⅰ型六角螺母C級(jí)》對(duì)4套螺栓螺帽進(jìn)行了尺寸檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。要求螺帽厚度為10.4～12.2 mm，螺帽對(duì)邊距為17.57～18.00 mm，螺帽對(duì)邊頂點(diǎn)長(zhǎng)度≥19.85 mm。結(jié)果表明螺帽的對(duì)邊距和螺帽厚度均不合格。

表2 螺帽尺寸測(cè)量 mm

2.4 螺桿和螺帽配合間隙檢測(cè)

依據(jù)GB/T 197—2018《普通螺紋 公差》規(guī)定的7 H/8g配合精度要求對(duì)4套螺栓螺帽進(jìn)行配合間隙檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。結(jié)果表明配合間隙均不合格，存在螺帽內(nèi)孔徑偏大而螺桿直徑偏小的問(wèn)題，所以螺桿與螺帽的咬合力變差，易松動(dòng)。

表3 螺栓螺帽配合間隙測(cè)量 μm

2.5 螺栓楔負(fù)載試驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 284—2012《輸電線路桿塔及電力金具用熱浸鍍鋅螺栓與螺母》對(duì)4套螺栓進(jìn)行了螺栓保載試驗(yàn)，當(dāng)加載到40 kN左右時(shí)，螺帽出現(xiàn)脫扣現(xiàn)象，明顯低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定保證荷載小于50.6 kN不脫扣的要求。結(jié)果表明，該型螺帽和螺桿的配合承載能力差。

3 列車通行影響分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)實(shí)測(cè)

采用光電全站儀、高精度望遠(yuǎn)鏡等儀器，對(duì)跨越檔間隔棒部位振動(dòng)情況、高鐵接觸網(wǎng)與導(dǎo)線距離進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)點(diǎn)位如圖6、7所示。圖8為高鐵上方跨越檔間隔棒部位振動(dòng)觀測(cè)圖。經(jīng)檢測(cè)，高鐵上方距導(dǎo)線距離為35 m左右。共對(duì)16列高鐵通行時(shí)，導(dǎo)線振動(dòng)量進(jìn)行了觀測(cè)，未見(jiàn)高鐵通行前后跨越檔上方導(dǎo)線振動(dòng)有明顯的變化。

圖6 跨越檔側(cè)前方檢測(cè)

圖7 跨越檔正下方檢測(cè)

圖8 高鐵上方跨越檔間隔棒部位振動(dòng)觀測(cè)

3.2 仿真計(jì)算

為進(jìn)一步分析高鐵通行時(shí)對(duì)跨越檔內(nèi)氣流的影響，采用ANSYS14.0流場(chǎng)分析模塊FLUENT建立了高鐵及其通行區(qū)域的仿真模型[14-16]?？紤]仿真資源，計(jì)算域取220 m×100 m×400 m的空間，列車位于計(jì)算域正中間。列車通過(guò)部分采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)中的光滑化方法(Smoothing Methods)和局部網(wǎng)格重生成方法(Local Remeshing Methods)。列車運(yùn)行速度300 km/h，勻速通過(guò)。列車入口采用壓力入口邊界條件，入口處相對(duì)總壓為0；出口采用壓力出口邊界條件，出口相對(duì)靜壓為0；結(jié)構(gòu)物表面及地面采用無(wú)滑移壁面條件，高鐵仿真模型如圖9所示。

圖9 高鐵仿真模型

高鐵運(yùn)行氣流旋渦變化渦量和隨機(jī)風(fēng)速分布結(jié)果如圖10—11所示。圖10中所截取的三個(gè)平面的法向均與列車軸線平行，分別位于距列車尾部0 m、40 m、80 m處。在距列車尾部0 m處的截面中，可以清晰地看到左右兩個(gè)漩渦，這是由來(lái)自列車左側(cè)和右側(cè)的氣流在此匯聚碰撞所形成。圖11為列車通行的隨機(jī)風(fēng)速分布圖，在距列車尾部0 m處的截面中，可以看出左側(cè)的脈動(dòng)風(fēng)速較大，且呈現(xiàn)出L型分布，與列車輪廓左側(cè)輪廓一致。由此可知，氣流對(duì)渦量和隨機(jī)風(fēng)速兩個(gè)參數(shù)的影響高度均在10 m左右，說(shuō)明高鐵通行對(duì)其上方氣流的影響局限在10 m范圍內(nèi)，這與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況吻合。

圖10 高鐵運(yùn)行氣流旋渦變化渦量圖

圖11 高鐵運(yùn)行氣流隨機(jī)風(fēng)速分布圖

4 山地峽口地形風(fēng)振分析

故障現(xiàn)場(chǎng)地形為一山頭挖掘形成的雙坡面路基，兩基鐵塔之間組成深“V”型峽口地形。峽谷風(fēng)的主要特點(diǎn)是氣流加速[17]，圖12為典型峽口地形的平均風(fēng)速剖面特征?？梢钥吹?，峽谷相對(duì)于單山脈與平地，其近地0～50 m高度風(fēng)速空間分布呈現(xiàn)出顯著的不均勻性，在迎風(fēng)坡山腳和山后尾流區(qū)風(fēng)速變化幅度更為劇烈。來(lái)流沿高度的風(fēng)速差作用在輸電線上下緣，將更易產(chǎn)生卡門漩渦，交替脫渦造成輸電線上下振動(dòng)。

圖12 峽口地形的平均風(fēng)速剖面

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)間隔棒的檢查試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)檢測(cè)及仿真分析，得到結(jié)論:

1)間隔棒外觀未見(jiàn)明顯的變形、裂紋、撞擊、燒灼等損傷痕跡，可排除外荷載破壞的可能。

2)間隔棒運(yùn)行8年后緊固螺栓彈簧墊片錯(cuò)開(kāi)量嚴(yán)重降低、平墊片銹蝕明顯，造成螺栓緊固力減弱、抗振性能下降。同時(shí)，螺桿和螺帽配合間隙超標(biāo)，這些質(zhì)量缺陷使得螺栓易松動(dòng)。

3)通過(guò)對(duì)跨越點(diǎn)高鐵通行時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和仿真計(jì)算來(lái)看，高鐵通行氣流影響高度在10 m范圍內(nèi)，對(duì)導(dǎo)線振動(dòng)的影響有限。

4)故障現(xiàn)場(chǎng)地形為一山頭挖掘形成的雙坡面路基，兩基鐵塔之間地形組成深“V”型峽口，這一特殊地形的輸電線路導(dǎo)線更易發(fā)生風(fēng)致振動(dòng)。

5)間隔棒的兩個(gè)線夾在振動(dòng)作用下逐漸松動(dòng)后慢慢往弧垂低處滑移，滑移過(guò)程中螺栓從螺帽中脫出，間隔棒一側(cè)線夾失去對(duì)導(dǎo)線的夾緊力，最終導(dǎo)致間隔棒單側(cè)掉落。

因此，為防止“三跨”輸電線路間隔棒單側(cè)掉落，建議:

1)對(duì)于新建線路宜采用具有自耗能減振性能的FJZ阻尼型間隔棒，在微風(fēng)振動(dòng)多發(fā)區(qū)域采取開(kāi)口銷或雙螺母等防松保護(hù)措施。

2)加強(qiáng)基建工程入網(wǎng)檢測(cè)，確保緊固螺栓質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3)加強(qiáng)“三跨”輸電線路間隔棒的運(yùn)行巡視，采用無(wú)人機(jī)、全站儀等方式重點(diǎn)跟蹤關(guān)注，如發(fā)現(xiàn)隱患點(diǎn)惡化應(yīng)立即處置并結(jié)合檢修進(jìn)行消缺。