輸電線路架空地線懸垂線夾承重軸磨損原因分析及對策

鮑明正，祝永坤，吳 昊，楊志超，于開文

（國網內蒙古東部電力有限公司，呼和浩特 010010）

0 引言

懸垂線夾是輸電線路使用最多的金具之一，用于將導線固定在絕緣子串上或將避雷線懸掛在直線桿塔上，也可用于換位桿塔上支持換位導線及耐張轉角桿塔上固定跳線[1]，其性能直接影響著架空線路的使用壽命。引起懸垂線夾故障的原因主要有自然環(huán)境和線夾質量等。懸垂線夾受氣候條件及環(huán)境的作用，主要承受風荷載、垂直載荷及線材與接觸面的摩擦力，在長期運行過程中，尤其在大風、大檔距等惡劣條件下，懸垂線夾的承重軸磨損情況頻發(fā)，嚴重的甚至出現(xiàn)斷裂。因此，深入分析懸垂線夾的磨損原因，制訂有效的防范措施，對確保線路的長期安全穩(wěn)定運行十分必要。

1 線路基本情況

某±500 kV 直流輸電線路已投運12 年，途經高山峻嶺、丘陵及草原，地形地貌復雜，線路桿塔多沿山谷溝壑走向，檔距大小不均勻。線路所在地區(qū)為典型的中溫帶季風氣候，常年風力較大，年平均風速在5 m/s以上，受復雜地形影響，存在風速大、風向和風速變化頻繁的特點。2021 年4 月，運維人員巡視發(fā)現(xiàn)該線路732號塔地線懸垂線夾承重軸單側斷裂，地線無斷股情況。該塔位于丘陵地區(qū)（如圖1所示），塔型為G13 型，呼稱高54 m，地線懸垂線夾型號為XGU-2F型。

圖1 某±500 kV直流輸電線路732號塔所處地形Fig.1 Landform of tower 732 of a ±500 kV DC transmission line

后續(xù)進一步全面檢查發(fā)現(xiàn)，該線路721 號、730號、736 號、740 號塔懸垂線夾承重軸同樣存在不同程度的磨損現(xiàn)象，其中721號、736號塔磨損較嚴重，721 號、736 號塔地線線夾承重軸直徑為16 mm，磨損后的直徑分別為14.6 mm、13.4 mm。721 號塔的磨損斷面為8.578 mm2，占比4.27%；736號塔的磨損斷面為21.22 mm2，占比10.55%。

2 懸垂線夾承重軸磨損原因分析

2.1 外觀檢查

本次承重軸斷裂的地線懸垂線夾出廠日期為2009 年，其承重軸斷口明顯分兩個部分：一部分斷口光亮，表面平滑，為磨損所致的陳舊斷口，此部分占斷口面積80%以上；另外一部分斷口呈脆性斷裂特征，為最后的瞬時斷裂區(qū)。斷口上未觀察到明顯的制造缺陷。

依據(jù)相關標準[2-4]，XGU-2F 型懸垂線夾本體及壓板應采用牌號不低于KT33-8 的可鍛鑄鐵制造，破壞荷載不小于38.2 kN，查看廠家出具的試驗報告，732號塔符合相關標準要求。

經實際測量，732 號塔所用的懸垂線夾長度為195 mm，高度為90 mm，質量為1.98 kg，與GB/T 2315—2017《電力金具標稱破壞載荷系列及連接型式尺寸》的要求存在差距[5]。此外，對地線懸垂線夾承重軸直徑與掛板螺栓孔徑的配合情況進行了檢查，對于槽型連接的金具，直徑16 mm的螺栓所匹配的孔徑為18 mm，誤差不得超過±0.5 mm。經測量，732號塔地線懸垂線夾掛板孔徑為18.8 mm，考慮運行年限較長，掛板同樣存在磨損的情況，可以認為掛板的孔徑滿足規(guī)范要求[5]。732 號塔磨損地線線夾如圖2所示。外觀尺寸檢查結果如表1所示。

圖2 732號塔磨損地線線夾Fig.2 Worn ground line clamp of tower 732

表1 外觀尺寸檢查結果Tab.1 Appearance size check result

732號塔地線懸垂線夾的掛板有明顯的電焊加工補強痕跡（如圖3 所示），在焊接加固零件過程中掛孔變形，并產生焊渣，掛孔內壁未根據(jù)要求進行打磨，通過觸摸掛孔內壁發(fā)現(xiàn)有明顯凸起，凸起位置與承重軸斷裂位置吻合，說明掛孔內壁的凸起部位加劇了懸垂線夾承重軸的磨損。掛板的磨損程度較承重軸的磨損程度輕，主要是由于掛板和承重軸的材質不同，掛板的材質為碳素結構鋼，硬度高于制造承重軸的鑄鐵材料。

圖3 732號塔地線線夾掛板加工補強痕跡Fig.3 Processing and reinforcing marks of ground line clamp of tower 732

2.2 材質檢測

依據(jù)相關標準[6-7]，對受損懸垂線夾（使用材料KTH330）開展金相檢測、材料拉伸性能和布氏硬度檢測。

將受損的懸垂線夾表面進行打磨處理后開展金相檢測，金相組織均為鐵素體加團絮狀石墨，是黑心可鍛鑄鐵的正常組織，符合懸垂線夾可用可鍛鑄鐵制造的規(guī)定。

拉伸性能測試結果如表2 所示。1 號樣品（732號塔受損線夾）的a 組拉伸強度和伸長率分別為328.2 MPa 和6.4%，均低于CB/T 9440—2010《可鍛鑄鐵件》標準要求；b組拉伸強度為324.8 MPa，低于上述標準要求，其余結果合格[3]。

表2 拉伸性能測試結果Tab.2 Tensile performance test results

對送樣懸垂線夾進行布氏硬度檢測，打磨外表面，分兩點測量其硬度，布氏硬度測試結果如表3所示，結果符合相關標準要求[7]。

表3 布氏硬度測試結果Tab.3 Brinell hardness test results

2.3 運行條件分析

2.3.1 架空地線張力受風力的影響

通過查閱平斷面定位圖及現(xiàn)場地理、氣象資料發(fā)現(xiàn)，承重軸磨損嚴重的730 號、732 號塔兩側檔距比均較大，同樣在兩側檔距比較大的桿塔上存在金具順線路方向磨損缺陷。具體情況為：726 號、729號塔光纜掛環(huán)因受縱向不平衡張力影響，長期與光纜支架摩擦，導致磨損程度較大（如圖4所示），其中726 號、729 號塔兩側檔距比分別達到了2.83 和7.33。金具磨損桿塔檔距明細見表4。

圖4 光纜掛環(huán)磨損情況Fig.4 Abrasion of optical cable hanging ring

表4 金具磨損桿塔檔距明細Tab.4 Span of hardware worn tower m

以732 號塔為例，其大號側檔距為459 m，小號側檔距為740 m，檔距比為1.61。在風力作用下，小號側檔內導線所受到的水平荷載較大號側檔內導線水平荷載大得多，造成地線懸垂線夾順線路方向向小號側偏移運動，當風力減弱后，在檔內地線張力的作用下，懸垂線夾順線路方向向大號側運動，這種往復的順線路方向運動，較兩側檔距比較小的桿塔更為頻繁，加劇了732 號塔地線懸垂線夾承重軸的磨損。當線夾承重軸發(fā)生磨損后，由于承重軸截面由圓形變?yōu)闄E圓形，其與線夾掛板的接觸面由“面接觸”變成了“點接觸”，產生應力集中，這種特性也會進一步加劇承重軸磨損。

2.3.2 架空地線微風振動影響

架空地線受到橫向風的作用時，導線背風面將形成按一定頻率上下交替出現(xiàn)的氣流旋渦，它的依次出現(xiàn)和脫離使得導線受到同一頻率的上下交變的沖擊力，在同步效應的作用下，地線的風振使得地線圍繞耳軸中心有個小角度往復位移，相應的承重軸和聯(lián)板也存在一個小角度往復相對位移，從而使得聯(lián)板和耳軸往復摩擦導致磨損。

2.3.3 地形及氣象因素影響

查看現(xiàn)場照片、衛(wèi)星地圖定位以及平斷面定位圖，732號塔位于山坡之上，地形為跨越山谷的典型凹字形區(qū)域，復雜的地形影響風的速度和局部風向，形成局部微氣象，架空地線在風力作用下，使地線懸垂線夾發(fā)生順線路方向的運動，這種運動造成地線懸垂線夾的掛板與船體承重軸磨損，磨損使受力截面減小，最后承重軸發(fā)生單側斷裂。統(tǒng)計全部金具磨損塔位地形條件如表5所示，由表5可知，跨越山谷、連續(xù)上下坡地區(qū)容易出現(xiàn)金具磨損。

表5 金具磨損桿塔地形統(tǒng)計Tab.5 Topographic statistics of hardware worn tower

2.3.4 懸垂線夾荷載影響

該線路GJ-100 型地線覆冰時綜合荷載為19.77 N/m，懸垂線夾的破壞荷載不小于40 kN，按照GB 50545—2010《110 kV～750 kV 架空輸電線路設計規(guī)范》以及《電力金具手冊》（第二版）[1，8]，驗算線夾的允許最大垂直檔距為809 m。對比出現(xiàn)懸垂線夾磨損桿塔的允許最大垂直檔距使用率，732 號塔允許最大垂直檔距使用率最高，較大的垂直荷載加速了線夾的磨損進程。金具磨損桿塔垂直檔距統(tǒng)計如表6所示。

表6 金具磨損桿塔垂直檔距統(tǒng)計Tab.6 Statistics of vertical span of hardware worn tower

3 斷裂過程及原因分析

732 號塔地線懸垂線夾運行年限為12 年，所在地形以丘陵為主，線路為南北走向，與主導風向西北風夾角約45°，常年季風較大。該線路自投運以來，出現(xiàn)過多處因微風振動導致的防振錘滑移缺陷。依據(jù)《國網蒙東電力風區(qū)分布圖》（2020 版）[9]，缺陷發(fā)生區(qū)段屬于27 m/s 的風區(qū)。2021 年3 月以來，缺陷發(fā)生地區(qū)出現(xiàn)了4 次大風天氣，1 次暴雪天氣，尤其是3 月15 日最大陣風達11 級，距離732 號塔40 km地區(qū)出現(xiàn)33.2 m/s的最大風速，局部陣風的作用，進一步加劇了732 號塔懸垂線夾的磨損。處于山區(qū)尤其是微氣象區(qū)的輸電線路，受復雜地形和特殊氣象條件的影響，極易形成導、地線懸垂線夾磨損的條件[10-13]，在受到風力長期作用下線夾擺動頻繁，導致地線線夾承重軸長期磨損，局部的瞬時大風也使金具的機械性能發(fā)生突變，最終因承重軸磨損嚴重、局部應力過大發(fā)生承重軸單側斷裂。

綜上所述，架空地線懸垂線夾承重軸斷裂原因為懸垂線夾制造工藝、尺寸不合格，在大檔距比條件下長期存在縱向不平衡張力，復雜地形下長期的微風振動及較大垂直荷載和水平荷載影響，造成懸垂線夾形成順線路單擺運動，逐步磨損至斷裂。

4 防范措施

4.1 設計規(guī)劃階段

4.1.1 提高設計標準，嚴格控制檔距比

設計階段充分調研微地形、微氣象區(qū)域，收集該地區(qū)在運線路的運行情況，注意山谷中的塔位和大跨越塔位，在排塔定位時應盡量避免出現(xiàn)大高差和垂直檔距較小的情況，同時應控制桿塔兩側檔距比不大于1.5。

4.1.2 采用雙線夾，分解垂直荷載

對于跨越山谷、連續(xù)上下坡、山頂?shù)貐^(qū)的桿塔，地線懸垂串應采用雙聯(lián)結構，宜采用雙掛點，且單聯(lián)應滿足斷聯(lián)工況荷載的要求，降低單個地線懸垂線夾承載的垂直荷載。

4.1.3 采用新材料，提高線夾耐磨能力

采用高錳鋼等高強度材質的金具以及耐磨金具，提高金具的耐磨性和耐腐蝕性。通過金具上焊接附加部件，增大點、面接觸等兩種金具接觸方式下的接觸面積。

4.2 運維階段

4.2.1 加強輸電線路架空地線懸垂線夾運行管理

適時開展全面檢查，重點是大檔距、大高差、微地形、微氣象區(qū)段架空地線懸垂線夾受力情況觀測與檢查，檢查過程中注意收集現(xiàn)場風速信息，掌握線路運行環(huán)境。

4.2.2 加強架空地線懸垂線夾日常維護與檢測

懸垂線夾的墊片遮住了掛板與承重軸的連接部位，在日常線路巡視中很難發(fā)現(xiàn)掛板與承重軸的磨損情況，運維單位需按照DL/T 741—2010《架空輸電線路運行規(guī)程》要求定期開展導地線打開線夾檢查[14]，對于微地形、微氣候等特殊區(qū)域應適當縮短檢查周期，對已發(fā)生磨損的桿塔應做好記錄，并根據(jù)磨損情況縮短檢查周期。

4.2.3 及時更換缺陷線夾，增加線夾強度

根據(jù)運行經驗改進懸垂線夾工藝，將懸垂線夾槽材料由鑄鐵改為鑄鋼，或者對懸垂線夾承重軸進行防磨處理，增加懸垂線夾耳軸的磨損余量。

4.2.4 特殊區(qū)域架空地線線夾進行單改雙加強

對大檔距、大高差、微地形地區(qū)單聯(lián)單掛點型式的地線金具進行改造，增加一組地線懸垂線夾，以減輕線夾承受的荷載，提升輸電線路運行的可靠性。