一種FDZ型防振錘線夾結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施

摘 要：針對(duì)架空輸電線路用防振錘滑移進(jìn)行原因分析，發(fā)現(xiàn)線夾結(jié)構(gòu)不合理是問題產(chǎn)生的主要原因。該文提出將防振錘線夾線槽設(shè)計(jì)成多紋加涂層型，以增大線夾與導(dǎo)線之間的摩擦力，經(jīng)試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)提高防振錘的滑移荷載。

關(guān)鍵詞：輸電線路;防振錘線夾;滑移;結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）30-0132-04

Abstract： The cause of the slip of the anti-vibration hammer used in overhead transmission lines was analyzed， and it was found that the unreasonable structure of the cable clamp was the main cause of the problem. In this paper， it is proposed to design the wire groove of the anti-vibration hammer clip into a multi-pattern and coated type to increase the friction between the wire clip and the wire. After testing， the structural improvement design increases the sliding load of the anti-vibration hammer.

Keywords： transmission line; anti-vibration clamp; slip; structure; design

架空輸電線路的導(dǎo)、地線在受到穩(wěn)定且不大的微風(fēng)（風(fēng)速0.5～6 m/s）作用時(shí)，導(dǎo)線背風(fēng)面將產(chǎn)生以一定頻率上下交替變化的氣流旋渦，該氣流旋渦使架空線受到上下交變的脈沖力作用。當(dāng)氣流旋渦的交替變化頻率與架空線固有自振頻率相等時(shí)，在垂直平面內(nèi)產(chǎn)生共振[1]。導(dǎo)線振動(dòng)時(shí)，導(dǎo)線懸掛處的工作條件最為不利，長(zhǎng)時(shí)間和周期性的振動(dòng)將造成導(dǎo)線疲勞損壞，使導(dǎo)線發(fā)生斷股、斷線[2]。

為了預(yù)防或減輕導(dǎo)、地線的振動(dòng)，常用的方法是在懸掛導(dǎo)、地線線夾的附近安裝一定數(shù)量的防振錘[3]。當(dāng)導(dǎo)、地線發(fā)生振動(dòng)時(shí)，防振錘能有效減少導(dǎo)、地線的振動(dòng)。然而現(xiàn)有部分工程防振錘，安裝運(yùn)行一段時(shí)間后仍出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，會(huì)對(duì)線路安全運(yùn)行造成一定的隱患。本文分析防振錘的滑移現(xiàn)象，并從振動(dòng)的起因及防振錘產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。

1 微風(fēng)振動(dòng)的成因、危害及防控措施

1.1 微風(fēng)振動(dòng)

微風(fēng)振動(dòng)是指外形近似于圓柱的架空輸電線路中的導(dǎo)、地線，懸掛在離地有一定高度的半空中，因氣候環(huán)境的影響受到具有一定力度的風(fēng)速（常在0.5～6 m/s范圍）的橫向風(fēng)力作用時(shí)，氣體流過導(dǎo)、地線表面，在導(dǎo)、地線背風(fēng)面產(chǎn)生的漩渦，當(dāng)渦流的變化頻率與導(dǎo)、地線的固有振動(dòng)頻率相同時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共振，使導(dǎo)、地線在重力方向的平面內(nèi)引起具有一定幅度的上下擺動(dòng)，這種小幅度的上下擺動(dòng)因風(fēng)速不大時(shí)引起振動(dòng)[4]。

1.2 微風(fēng)振動(dòng)的成因及危害

引起導(dǎo)、地線振動(dòng)主要包括2個(gè)因素：風(fēng)速和風(fēng)向。當(dāng)風(fēng)速較小或過大時(shí)，均不足以在導(dǎo)、地線背風(fēng)面形成渦流共振，從而帶動(dòng)導(dǎo)、地線上下振動(dòng)。根據(jù)勘測(cè)設(shè)計(jì)實(shí)測(cè)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，一般引起架空線路導(dǎo)、地線穩(wěn)定振動(dòng)風(fēng)速下限值為0.5 m/s，上限值為4～6 m/s。影響導(dǎo)、地線產(chǎn)生振動(dòng)的因素除風(fēng)速和風(fēng)向外，還與線路走向的地形、懸掛高度、檔距、導(dǎo)地線的平均運(yùn)行張力等因素有關(guān)。若振動(dòng)的頻次較大，會(huì)使導(dǎo)、地線在懸掛點(diǎn)線夾口處反復(fù)彎折引起材料的疲勞，導(dǎo)致導(dǎo)、地線斷股甚至斷線、金具磨損等故障，威脅輸電線路的安全運(yùn)行。

1.3 防止或減輕導(dǎo)、地線振動(dòng)的措施

為了保證架空輸電線路工程安全可靠的運(yùn)行，防止或減輕導(dǎo)、地線振動(dòng)的措施，國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]明確指出，可通過降低導(dǎo)、地線的平均運(yùn)行張力，安裝預(yù)絞絲護(hù)線條，安裝阻尼間隔棒，安裝防振錘及安裝阻尼線5項(xiàng)措施，來防止或減輕導(dǎo)、地線的振動(dòng)危害。

2 防振錘的應(yīng)用現(xiàn)狀及防振原理

我國從20世紀(jì)60年代開始應(yīng)用防振錘來減輕導(dǎo)、地線振動(dòng)的危害，取得了較為滿意的效果。防振錘使用時(shí)利用線夾將主體緊固在架空導(dǎo)、地線上，導(dǎo)、地線振動(dòng)時(shí)，線夾隨其一同運(yùn)動(dòng)，由于重錘的慣性運(yùn)動(dòng)，使鋼絞線兩端沿鉸接點(diǎn)不斷上下擺動(dòng)，鋼絞線單絲股間產(chǎn)生摩擦，從而消除振動(dòng)能量。重錘運(yùn)動(dòng)得越激烈，鋼絞線所消耗的能量就愈大，從而導(dǎo)致風(fēng)力引起的導(dǎo)、地線的振動(dòng)能量被消耗，最終風(fēng)力傳給導(dǎo)、地線的能量也隨振幅下降而降低，最終在能量平衡條件下，振動(dòng)情況最終趨于平靜，從而更好地保護(hù)導(dǎo)、地線。工程設(shè)計(jì)因環(huán)境復(fù)雜，每個(gè)工程實(shí)際工況不盡相同，相關(guān)資料顯示電力金具產(chǎn)品的安全裕度約為2.5倍，那么導(dǎo)、地線的運(yùn)行張力約為其拉斷力的25%，故國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.0.13條規(guī)定：鋼芯鋁絞線平均運(yùn)行張力為其拉斷力的22%以上及鍍鋅鋼絞線平均運(yùn)行張力為其拉斷力的25%及以下時(shí)，應(yīng)采取安裝防振錘等措施，來防止或減輕導(dǎo)、地線的微風(fēng)振動(dòng)危害。

3 防振錘結(jié)構(gòu)及應(yīng)用

防振錘的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是由具有一定質(zhì)量的一對(duì)重錘、具有較高彈性和高強(qiáng)度的鍍鋅鋼絞線及線夾3部分組成。重錘通過定位孔與高彈性的鋼絞線連接在一起，線夾置于鋼絞線的中間，線夾的一頭固定在鋼絞線上，另一頭通過螺栓來固定導(dǎo)、地線。

防振錘的應(yīng)用，通過其線夾固定于架空導(dǎo)、地線上，當(dāng)架空導(dǎo)、地線發(fā)生振動(dòng)時(shí)，防振錘的2個(gè)重錘上下運(yùn)動(dòng)，利用兩側(cè)重錘的慣性運(yùn)動(dòng)及重錘繞鋼絞線固定點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使其鋼絞線產(chǎn)生內(nèi)摩擦消耗架空導(dǎo)、地線的大部分振動(dòng)能量，空氣對(duì)重錘的阻尼消耗一部分能量，防振錘線夾處消耗和反射一部分能量。根據(jù)能量平衡原理，防振錘的能量消耗使微風(fēng)振動(dòng)的強(qiáng)度降低，甚至能完全消除導(dǎo)、地線的振動(dòng)，總體就是用防振錘的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來消耗架空導(dǎo)、地線的振動(dòng)，使其在允許的安全范圍，從而保證電網(wǎng)線路的安全運(yùn)行。

4 防振錘滑移現(xiàn)象

防振錘在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中也存在一些問題，特別是鋁質(zhì)線夾滑移的情況，在線路巡檢維護(hù)保養(yǎng)過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有些工程的防振錘位置偏離了正常的安裝位置。經(jīng)多個(gè)實(shí)際工程案例的調(diào)查，各種線路安裝鋁質(zhì)線夾的FDZ型防振錘多有線夾滑移的情況，而FG型鋼質(zhì)線夾的防振錘均未發(fā)生防振錘滑移問題。

防振錘線夾在架空輸電線路上的滑移現(xiàn)象由來已久。相關(guān)資料記錄[6]，2005年在田鹽線（連云港—鹽城）就發(fā)生了多起;2006年12月份，在甘肅慶陽“梅西線”上竟爆發(fā)了200多次;2010年投入運(yùn)行的±500 kV伊穆直流極Ⅰ極Ⅱ線，2013—2014年間，共發(fā)現(xiàn)36處防振錘滑移。經(jīng)作業(yè)人員巡視發(fā)現(xiàn)，時(shí)常有防振錘滑移現(xiàn)象的發(fā)生，防振錘的滑移缺陷，已嚴(yán)重影響到線路的安全運(yùn)行。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題，線夾滑移多數(shù)發(fā)生在鋁線夾的架空導(dǎo)線上，地線上用的鋼質(zhì)線夾的防振錘基本沒有滑移。

5 防振錘滑移原因分析

5.1 導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)

導(dǎo)線微風(fēng)振動(dòng)由氣候環(huán)境影響所致，屬不可抗拒因素。但也可以通過調(diào)整其他方面的參數(shù)來改善條件。通過前期工程勘測(cè)的基本風(fēng)速和頻率，結(jié)合理論公式來測(cè)得導(dǎo)、地線的最大、最小半波長(zhǎng)，通過調(diào)整導(dǎo)、地線的懸掛高度改變氣流的影響，或改變兩桿塔間的檔距，來控制導(dǎo)、地線的運(yùn)行張力，也能起動(dòng)減少導(dǎo)、地線振動(dòng)的效果。

5.2 導(dǎo)線的蠕變導(dǎo)致線徑的縮小

架空導(dǎo)線一般是由多股絞合的金屬單絲組成，在受到運(yùn)行張力作用后，各股單絲相互滑移、擠壓使線股絞合得更緊而產(chǎn)生導(dǎo)線初伸長(zhǎng)，其長(zhǎng)度將延伸的同時(shí)導(dǎo)線外徑也將稍微縮小，同樣有可能引起防振錘線夾松動(dòng)，導(dǎo)致滑移。蠕變是金屬材料的一種共有特性，它是指金屬材料在一定溫度、拉力作用下，隨著時(shí)間的增加緩慢地產(chǎn)生永久變形的現(xiàn)象;蠕變特性主要取決于材料的分子結(jié)構(gòu)、結(jié)晶方式，還與外部荷載和溫度有關(guān);不同材料的蠕變特性不同;碳素鋼在溫度300 ℃下蠕變現(xiàn)象極不明顯，而鋁則比較嚴(yán)重[7]。蠕變將使導(dǎo)（地）線產(chǎn)生永久變形， 即張力撤去后這兩部分伸長(zhǎng)仍不消失，初伸長(zhǎng)與張力的大小和作用時(shí)間的長(zhǎng)短有關(guān)，在運(yùn)行過程中，隨著導(dǎo)線張力的變化和時(shí)間的推移，這種初伸長(zhǎng)逐漸被伸展出來，最終在若干年后才趨于穩(wěn)定值。

5.3 線夾與導(dǎo)線之間的摩擦力不夠

當(dāng)線夾在導(dǎo)、地線的表面上受到激振力的作用而有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)，在線夾與導(dǎo)、地線的接觸面就會(huì)產(chǎn)生阻礙它們相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)的作用力，這個(gè)力叫摩擦力。防振錘的線夾與導(dǎo)線之間的受力狀態(tài)，即是具有相對(duì)滑動(dòng)趨勢(shì)，而又將發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的狀況。

決定摩擦力的因素有2個(gè)，即正壓力和兩接觸面的摩擦系數(shù)。正向壓力越大，摩擦力越大;兩接觸面的摩擦系數(shù)越大，摩擦力越大。線夾上的螺栓緊固產(chǎn)生的夾緊力即正壓力。改變螺栓緊固產(chǎn)生的正壓力或線夾與導(dǎo)線之間的摩擦系數(shù)，都可改變線夾與導(dǎo)線之間的摩擦力。根據(jù)相關(guān)資料查詢，鋼線夾型的防振錘少有線夾滑移的情況發(fā)生，線夾滑移的現(xiàn)象多數(shù)發(fā)生在鋁線夾型防振錘的產(chǎn)品身上。鋼與鋁的摩擦系數(shù)不同，比鋁與鋁的摩擦系數(shù)大，也是握力更好的原因。但是鋼制線夾結(jié)構(gòu)有磁滯損耗的經(jīng)濟(jì)性不好的方面，鋁制線夾防振錘從能耗上講更節(jié)能。

5.4 防振錘線夾結(jié)構(gòu)存在設(shè)計(jì)缺陷

根據(jù)2種不同結(jié)構(gòu)線夾的性能對(duì)比，鋼線夾型的防振錘少有線夾滑移的情況發(fā)生，線夾滑移的現(xiàn)象多數(shù)發(fā)生在鋁線夾型防振錘的產(chǎn)品身上。通過對(duì)比試驗(yàn)說明產(chǎn)品結(jié)構(gòu)還是存在一定的問題。國內(nèi)目前的防振錘產(chǎn)品線夾材質(zhì)基本分為鋼材和鋁材2種，基本上都是選用螺栓螺母來緊固，彈簧墊圈是防松的關(guān)鍵部件。制作彈簧墊圈的材料基本是65Mn，彈簧墊圈要求防腐必須經(jīng)過熱鍍鋅處理。而熱鍍鋅過程有一個(gè)鋅液熔解并在彈簧墊圈表面形成合金層的過程，等同于增加了一道退火工藝，降低了墊圈材料的韌性，從而降低了彈簧墊圈的防松補(bǔ)償功能。另外，由于鋁合金線夾與其緊固的鋼制螺栓的材料不同，溫度膨脹系數(shù)也不同，這也會(huì)使螺栓松動(dòng)進(jìn)一步加劇。也有采用不銹鋼材質(zhì)的彈簧墊圈來防松的案例，但是熱鍍鋅工藝還是電力金具防腐使用最多的措施。

將線夾固定在導(dǎo)線上，其實(shí)就是通過螺栓、螺母緊固件利用力的相互作用來達(dá)到固定的效果。根據(jù)作用對(duì)象不同，分為作用力與反作用力。根據(jù)力矩平衡的計(jì)算公式：動(dòng)力×動(dòng)力臂=阻力×阻力臂。在動(dòng)力不變的情況下，動(dòng)力臂越長(zhǎng)，產(chǎn)生的力矩就會(huì)更大。鋼制線夾的結(jié)構(gòu)受力支點(diǎn)位置不同，使其力臂長(zhǎng)度更長(zhǎng)，受力情況更好，也是握力更好的原因。

5.5 施工安裝工藝質(zhì)量不高

線路架設(shè)施工中，施工人員未按工藝要求將防振錘線夾螺栓緊固至要求的扭力，導(dǎo)致在運(yùn)行過程中螺栓經(jīng)振動(dòng)不斷松動(dòng)，致使防振錘滑移。

6 防振錘線夾受力分析

針對(duì)上述現(xiàn)象的發(fā)生，現(xiàn)將2種比較常用的產(chǎn)品，鋼制線夾的FG型與鋁制線的FDZ型防振錘產(chǎn)品，就線夾結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及材質(zhì)進(jìn)行對(duì)比分析。

FG型防振錘基本未發(fā)生滑移現(xiàn)象，而FDZ型防振錘容易發(fā)生滑移現(xiàn)象，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上可以看出受力的狀況不同，作用點(diǎn)位置不同、力臂長(zhǎng)短不同，所產(chǎn)生力矩的作用效果也不同。力臂是力的作用線到轉(zhuǎn)動(dòng)軸的距離，分為動(dòng)力臂和阻力臂，動(dòng)力臂就是動(dòng)力作用線到轉(zhuǎn)動(dòng)軸的距離，阻力臂就是阻力作用線到轉(zhuǎn)動(dòng)軸的距離。螺栓所在的位置到線夾支撐點(diǎn)的位置的距離就是動(dòng)力臂。導(dǎo)線所在線槽的中心位置到線夾支撐點(diǎn)的距離就是阻力臂。2種線夾的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及受力分析如圖1所示。

通過圖1可以看出，2種類型防振錘的作用點(diǎn)位置明顯不同，F(xiàn)DZ型防振錘支撐點(diǎn)在作用力與反作用力的中間，而且螺栓作用力臂小于導(dǎo)線反作用力臂;FG型的防振錘支撐點(diǎn)在一側(cè)，螺栓作用力臂大于導(dǎo)線反作用力臂，在相同螺栓扭矩的情況下，F(xiàn)G型防振錘導(dǎo)線處所承受的作用力更大，防滑移效果較好，也就不容置疑了。

FG型防振錘的線夾材質(zhì)為鋼，而且鋼制線夾的表面因?qū)嶋H防腐需要采用了熱鍍鋅工藝，表面附有一層鋅鐵復(fù)合層，與導(dǎo)線的鋁表面的接觸摩擦系數(shù)也不盡相同。FDZ型防振錘的線夾材質(zhì)為鋁，鋼質(zhì)線夾與鋁質(zhì)線夾的材質(zhì)差異，鋼與鋁之間的摩擦系數(shù)較鋁與鋁的摩擦系數(shù)較大，同等規(guī)格的螺栓在相同力矩的作用下，鋼質(zhì)線夾的握力比鋁質(zhì)線夾的握力要大。所以鋁線夾的FDZ型防振錘線夾滑移的可能性就要大很多，也是線夾滑移的原因之一。

7 防止防振錘線夾滑移的措施

7.1 增大防振錘線夾與導(dǎo)、地線之間的摩擦力

在整體結(jié)構(gòu)不大變動(dòng)的情況下，就要增大壓板對(duì)導(dǎo)線的作用力和線夾與導(dǎo)線之間的摩擦系數(shù)，實(shí)施改進(jìn)目標(biāo)圍繞這2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)而展開。

7.2 增大壓板對(duì)導(dǎo)線的作用力

可通過加大螺栓大小、改變螺栓性能等級(jí)或改變作用力臂長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的改動(dòng)對(duì)日后的生產(chǎn)材料投入的成本及對(duì)現(xiàn)有模具的改進(jìn)，將付出較大的經(jīng)濟(jì)成本，所以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上盡量不做太大的改動(dòng)。

7.3 改變線夾與導(dǎo)線之間的摩擦系數(shù)

在鋁線夾主體夾持導(dǎo)線的線槽的表面，機(jī)械化操作涂附一層特殊涂料，涂料內(nèi)含適量的料度均勻的硬質(zhì)金鋼砂，涂料有一定的橡膠層厚度，富有一定的彈性，能有效彌補(bǔ)導(dǎo)線因承受運(yùn)行張力而產(chǎn)生的外徑尺寸的變化。從而達(dá)到提高線夾對(duì)導(dǎo)線握著力度的目的。

7.4 線夾壓板的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

將原來鑄造成型的壓板的線槽部位改為導(dǎo)線徑向帶有均布凹槽的形狀，其凹槽成為膠質(zhì)涂料的容置槽的同時(shí)，也能加厚涂層的厚度，可有效儲(chǔ)存一部分能量，因?yàn)槟z質(zhì)材料有較好的壓縮性能。機(jī)械化操作涂附一層特殊涂料，涂料內(nèi)含適量的料度均勻的硬質(zhì)金鋼砂，金鋼砂的附著面改善了線槽表面的粗糙度，對(duì)導(dǎo)線的握著力度也有一定的好處。線夾改進(jìn)后的組裝圖如圖2所示。

8 線夾改進(jìn)的效果驗(yàn)證

將改進(jìn)前的2只線夾分別夾持在對(duì)應(yīng)導(dǎo)線的兩端，為防止絞線散股影響端頭留30 cm長(zhǎng)度作標(biāo)記位置，手工預(yù)緊后再通過力矩扭手按螺栓規(guī)格大小的標(biāo)準(zhǔn)力矩30546211be6db9a7ef92688bcc9e1e2e26424bfe10a01ce7b578981b0b3ad15d來擰緊螺母，注意力度均勻，觀察絞線在線槽的接觸情況，擰緊后在線夾的兩側(cè)面與絞線貼合交匯處畫上標(biāo)記，通過試驗(yàn)機(jī)的顯示值及標(biāo)記線來觀察線夾的握力承載及滑移情況。用同樣的方法將改進(jìn)后的線夾作一下對(duì)比試驗(yàn)。按標(biāo)準(zhǔn)要求在試驗(yàn)機(jī)數(shù)值欄設(shè)定力值為2.5 kN，保壓1 min，然后將最終力值設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)值的1.2倍。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)前的線夾握力值基本在2.5～2.8 kN，改進(jìn)后的線夾握力值明顯高于改進(jìn)前的線夾握力值，且數(shù)值穩(wěn)定，均能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的1.2倍。說明改進(jìn)后的線夾的握力還是有比較好的效果。線夾改進(jìn)前、后的握力試驗(yàn)數(shù)值對(duì)比見表1。改進(jìn)后握力較改進(jìn)前握力有統(tǒng)計(jì)上的提高。

9 結(jié)論

通過多組握力試驗(yàn)對(duì)比，在線夾與導(dǎo)線接觸的表面經(jīng)人工打磨增加粗糙度，能有效提高握著力度。鑒于增加粗糙度能明顯提高握著力度，同時(shí)考慮人工操作時(shí)的不確定因素，通過在鋁線夾線槽表面加成條紋，并通過機(jī)械化操作涂附一層特殊涂料（涂料內(nèi)含適量的料度均勻的硬質(zhì)金鋼砂），來提高表面摩擦力，從而提高握著力度，防止線夾滑移，防振錘線夾的改進(jìn)將對(duì)架空輸電線的安全運(yùn)行發(fā)揮重要的作用。

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作者簡(jiǎn)介：閆昌干（1979-），男，工程師。研究方向?yàn)殡娏鹁叩漠a(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)及工程技術(shù)管理。