一種新型直線塔掛點(diǎn)金具的研究與應(yīng)用

呂嘉亮，孫天成，溫帶銀，陳劍平，黃詩華

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局，廣東江門 529000）

0 引言

隨著城市的發(fā)展，社會(huì)的用電需求逐步增加，越來越多的輸電線路將電能源源不斷地輸送到千家萬戶。而架空輸電線路在實(shí)際運(yùn)行中，連續(xù)兩基鐵塔由于所處地理環(huán)境等原因會(huì)存在高差，甚至存在連續(xù)兩基鐵塔一基在山頂，下一基在山底的情況，而同一相兩條絕緣子由于型號(hào)、長(zhǎng)度相同，就會(huì)存在一條絕緣子受力另一條相鄰絕緣子不受力情況[1]，在這種情況下長(zhǎng)期運(yùn)行，會(huì)造成掛點(diǎn)金具長(zhǎng)時(shí)間單邊受力，出現(xiàn)金屬老化和斷裂，發(fā)生掉串等危險(xiǎn)，影響線路安全運(yùn)行。本文研究一種新型的連接金具，能夠隨著線路運(yùn)行工況的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)絕緣子的長(zhǎng)度和受力，保證雙絕緣子盡可能地均勻受力，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，保障線路安全運(yùn)行。

1 掛點(diǎn)金具運(yùn)行情況分析

1.1 掛點(diǎn)金具故障原因

據(jù)統(tǒng)計(jì)，南方電網(wǎng)廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司110 kV 及以上導(dǎo)線、地線脫落主要有3 方面原因：①鐵塔掛點(diǎn)金具斷裂；②合成絕緣子斷裂；③導(dǎo)現(xiàn)、地線斷線。其中，掛點(diǎn)金具斷裂占導(dǎo)、地線脫落事故原因的70%[2]。

輸電金具作為輸電線路運(yùn)行的重要組成部分，其作用是連接絕緣子和鐵塔。而掛點(diǎn)金具斷裂原因有很多，如：金具的質(zhì)量問題、金具的疲勞破壞、金具的電化學(xué)腐蝕等，其中金具的疲勞破壞致使輸電線路發(fā)生運(yùn)行事故最難控制。

1.2 現(xiàn)有解決方案及弊端

為了避免同一相序兩條絕緣子受力不均情況發(fā)生，通常在下山側(cè)方向加裝一個(gè)Z-10 型直角掛板（圖1）。然而這種加裝的直角掛板長(zhǎng)度固定，受力情況不一定符合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行受力。處理受力不均的方法過于粗糙，對(duì)于不同的運(yùn)行工況往往沒有達(dá)到很好的效果。因?yàn)楦卟畹牟煌?，風(fēng)力的變化，導(dǎo)線負(fù)荷的增減[3]，以及后期線路的消缺改造，都會(huì)對(duì)直線塔掛點(diǎn)受力造成不同程度的改變。上述方法存在著伸長(zhǎng)長(zhǎng)度不一定完全符合實(shí)際受力，長(zhǎng)短串調(diào)整精確不夠，以及對(duì)于掛點(diǎn)隨時(shí)改變受力的情況無法有效解決等問題，仍然存在一定的安全隱患。

圖1 直角掛板

通過以上分析，將現(xiàn)有做法弊端和急需解決問題總結(jié)如下：

（1）增加固定連結(jié)金具，現(xiàn)場(chǎng)受力情況分析依據(jù)不足，直角掛板型號(hào)及長(zhǎng)度固定，無法完全匹配現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況。

（2）額外增加金具，再次增加金具質(zhì)量問題導(dǎo)致斷裂等故障的概率。

為了保證輸電直線塔掛點(diǎn)雙絕緣子盡可能地均勻受力，本文提出的新型直線塔掛點(diǎn)金具，用于解決輸電直線塔掛點(diǎn)受力不均勻的問題。在實(shí)際檢修中，如果一座直線塔在山頂，另外一座直線塔在山腳，兩座塔的高差可達(dá)40 m，容易出現(xiàn)一側(cè)承受大部分的導(dǎo)線向下的垂直荷載，而另外一側(cè)因?qū)Ь€向上的分力而彎曲變形，不利于線路的安全可靠運(yùn)行。

2 技術(shù)方案

針對(duì)此問題，本文創(chuàng)新性地研制一種新型可調(diào)節(jié)金具，適用于該類環(huán)境的運(yùn)行場(chǎng)景。本設(shè)計(jì)基于彈簧的彈性形變特性，彈簧在受載時(shí)能產(chǎn)生較大的彈性變形，并將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成彈性勢(shì)能，而在卸載后彈簧的變形消失并回復(fù)到原狀，同時(shí)將彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或動(dòng)能。彈簧的載荷與變形之比稱為彈簧剛度，剛度越大，則彈簧越硬。而當(dāng)兩基鐵塔高差較大時(shí)，可通過彈簧的彈性形變來改變金具的長(zhǎng)度，來適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際受力情況。確保不會(huì)發(fā)生一個(gè)絕緣子受力，一個(gè)絕緣子不受力所產(chǎn)生的疲勞破壞。為了確保該金具的穩(wěn)定性，在彈簧兩側(cè)增加活動(dòng)軌道，以防彈簧超過使用年限過長(zhǎng)產(chǎn)生斷裂危害。可調(diào)節(jié)金具主要組成部分如圖2 所示。

圖2 可調(diào)節(jié)金具結(jié)構(gòu)組成

可調(diào)節(jié)金具通過螺栓將上掛點(diǎn)吊環(huán)與鐵塔橫擔(dān)相連，通過螺栓與下掛點(diǎn)吊環(huán)與絕緣子球頭掛環(huán)相連接，該金具上水平支撐架相對(duì)與下水平支撐架兩側(cè)固定安裝有兩個(gè)上垂直支撐架，上、下垂直支撐架之間通過第二鎖緊螺栓固定連接，上水平支撐架與下水平支撐架之間設(shè)有連接彈簧，連接彈簧兩端分別通過吊環(huán)固定件固定，吊環(huán)固定件包括銷軸，銷軸固定安裝在上水平支撐架或下水平支撐架內(nèi)，且銷軸一端還固定安裝有安裝環(huán)。上下水平支撐架材料為熱鋅鍍鋼。上水平支撐架與下水平支撐架相對(duì)一側(cè)均開設(shè)兩個(gè)連接槽，當(dāng)該金具受力以后依靠彈簧的塑性形變來改變金具長(zhǎng)度，本文選擇彈簧材料的時(shí)考慮其使用條件（載荷性質(zhì)、大小及循環(huán)特性、工作持續(xù)時(shí)間、工作溫度等）以及加工、熱處理和經(jīng)濟(jì)性等因素。

為了保障彈簧能夠可靠地工作，其材料除應(yīng)滿足具有較高的強(qiáng)度極限和屈服極限外，還必須具有較高的彈性極限、疲勞極限、沖擊韌性、塑性和良好的熱處理工藝性等。實(shí)踐中應(yīng)用廣泛的是彈簧鋼，其品種又有碳素彈簧鋼、低錳彈簧鋼、硅錳彈簧鋼和鉻釩鋼等。

本文選擇鉻釩鋼作為彈簧材料，該材料向鋼中添加釩（如50CrVA），可細(xì)化鋼的結(jié)構(gòu)，提高鋼的強(qiáng)度和韌性。這種材料具有良好的抗疲勞和抗沖擊性能，可以在-40～210 ℃的溫度下可靠地工作，適用于輸電線路高強(qiáng)度受力，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)最大破壞強(qiáng)度為150 kN，可滿足110 kV、220 kV 甚至500 kV 電纜的受力，彈簧兩側(cè)設(shè)計(jì)上下垂直支撐導(dǎo)軌，謹(jǐn)防彈簧塑性形變甚至破壞時(shí)所需要的拉力。

3 應(yīng)用及成效

3.1 應(yīng)用

該成果已于2021 年在廣東電網(wǎng)公司江門供電局輸電管理一所檢修工作中試用，結(jié)合其試用過程中整體計(jì)劃及作業(yè)過程應(yīng)用步驟如下：①通過輸電線路基礎(chǔ)資料，篩選出大高差檔距的直線塔，制定工作計(jì)劃，排查出掛點(diǎn)雙絕緣子疑似受力不均的桿塔位置；②通過無人機(jī)精細(xì)化巡視工作，對(duì)鐵塔中的掛點(diǎn)金具進(jìn)行拍攝和分析，鎖定需要更換新型直線塔掛點(diǎn)金具的鐵塔；③逐步將舊式金具更換為新型直線塔掛點(diǎn)金具。

3.2 成效

（1）篩選出掛點(diǎn)雙絕緣子疑似受力不均的桿塔。此方法的實(shí)現(xiàn)主要是對(duì)輸電基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，主要是針對(duì)桿塔明細(xì)表中的垂直檔距差距大的直線塔進(jìn)行初步篩選，篩選后制定出相應(yīng)的大檔距直線檔表格數(shù)據(jù)，針對(duì)表格內(nèi)容做好實(shí)際的排查工作安排和計(jì)劃，合理選擇工作成員并分配工作，制定最優(yōu)排查路線。

（2）無人機(jī)精細(xì)化巡視。使用無人機(jī)能近距離觀察直線塔掛點(diǎn)是否存在明顯受力不均的情況，當(dāng)觀察到明顯受力不均的掛點(diǎn)后，使用無人機(jī)拍攝掛點(diǎn)金具真實(shí)照片，并檢查金具損傷老化程度，提前發(fā)現(xiàn)線路缺陷，并對(duì)缺陷部位記錄留底。

（3）更換金具并總結(jié)?；趶椈傻膹椥孕巫兲匦?，彈簧在受載時(shí)能產(chǎn)生較大的彈性變形，并將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成彈性勢(shì)能，而在卸載后彈簧的變形消失并回復(fù)到原狀，同時(shí)將彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或動(dòng)能。彈簧的載荷與變形之比稱為彈簧剛度，剛度越大，則彈簧越硬。當(dāng)兩基鐵塔高差較大時(shí)，通過彈簧的彈性形變來改變金具的長(zhǎng)度，來適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際受力情況。

4 總結(jié)

新型直線塔掛點(diǎn)金具應(yīng)用總結(jié)如下：

（1）已經(jīng)在3 條線路共8 基鐵塔使用，鐵塔加裝張力調(diào)節(jié)器后，懸垂串會(huì)根據(jù)各懸掛點(diǎn)受力不同，伸長(zhǎng)或縮短串長(zhǎng)已達(dá)到受力平衡，保證線路安全運(yùn)行。

（2）設(shè)計(jì)防脫落活動(dòng)軌道，防止彈簧超過使用年限過長(zhǎng)產(chǎn)生斷裂危害。

（3）從根本上解決了傳統(tǒng)方式無受力依據(jù)的錯(cuò)誤做法，為輸電運(yùn)行提供可行的科學(xué)依據(jù)。

綜上所述，本成果達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，產(chǎn)品的性能得到了驗(yàn)證和完善，可以開展進(jìn)一步的推廣。

5 結(jié)束語

新型直線塔掛點(diǎn)金具可以結(jié)合雙串合成絕緣子現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際受力情況，依靠彈簧的彈性形變實(shí)現(xiàn)雙串絕緣子長(zhǎng)短的合理分配，確保其不會(huì)發(fā)生一串受力一串不受力的情況，而常用的手段增加金具直角掛板，延伸長(zhǎng)度不夠科學(xué)合理，單純?cè)黾娱L(zhǎng)度也會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況。此金具能自動(dòng)調(diào)整掛點(diǎn)受力，隨時(shí)滿足線路受力的需要，減少金具疲勞損傷的可能，延長(zhǎng)設(shè)備工作壽命，減少后期維護(hù)和檢修的成本，保障線路在運(yùn)行安全可靠的前提下，提高其經(jīng)濟(jì)性。