一種FDZ型防振錘線夾結構改進措施

摘 要：針對架空輸電線路用防振錘滑移進行原因分析，發(fā)現(xiàn)線夾結構不合理是問題產生的主要原因。該文提出將防振錘線夾線槽設計成多紋加涂層型，以增大線夾與導線之間的摩擦力，經試驗，結構改進設計提高防振錘的滑移荷載。

關鍵詞：輸電線路;防振錘線夾;滑移;結構;設計

中圖分類號：TH122 文獻標志碼：A 文章編號：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、地線在受到穩(wěn)定且不大的微風（風速0.5～6 m/s）作用時，導線背風面將產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。當氣流旋渦的交替變化頻率與架空線固有自振頻率相等時，在垂直平面內產生共振[1]。導線振動時，導線懸掛處的工作條件最為不利，長時間和周期性的振動將造成導線疲勞損壞，使導線發(fā)生斷股、斷線[2]。

為了預防或減輕導、地線的振動，常用的方法是在懸掛導、地線線夾的附近安裝一定數量的防振錘[3]。當導、地線發(fā)生振動時，防振錘能有效減少導、地線的振動。然而現(xiàn)有部分工程防振錘，安裝運行一段時間后仍出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，會對線路安全運行造成一定的隱患。本文分析防振錘的滑移現(xiàn)象，并從振動的起因及防振錘產品結構進行分析，并提出結構改進方案。

1 微風振動的成因、危害及防控措施

1.1 微風振動

微風振動是指外形近似于圓柱的架空輸電線路中的導、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速（常在0.5～6 m/s范圍）的橫向風力作用時，氣體流過導、地線表面，在導、地線背風面產生的漩渦，當渦流的變化頻率與導、地線的固有振動頻率相同時就會產生共振，使導、地線在重力方向的平面內引起具有一定幅度的上下擺動，這種小幅度的上下擺動因風速不大時引起振動[4]。

1.2 微風振動的成因及危害

引起導、地線振動主要包括2個因素：風速和風向。當風速較小或過大時，均不足以在導、地線背風面形成渦流共振，從而帶動導、地線上下振動。根據勘測設計實測及運行經驗，一般引起架空線路導、地線穩(wěn)定振動風速下限值為0.5 m/s，上限值為4～6 m/s。影響導、地線產生振動的因素除風速和風向外，還與線路走向的地形、懸掛高度、檔距、導地線的平均運行張力等因素有關。若振動的頻次較大，會使導、地線在懸掛點線夾口處反復彎折引起材料的疲勞，導致導、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行。

1.3 防止或減輕導、地線振動的措施

為了保證架空輸電線路工程安全可靠的運行，防止或減輕導、地線振動的措施，國家標準GB 50545—2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規(guī)范》[5]明確指出，可通過降低導、地線的平均運行張力，安裝預絞絲護線條，安裝阻尼間隔棒，安裝防振錘及安裝阻尼線5項措施，來防止或減輕導、地線的振動危害。

2 防振錘的應用現(xiàn)狀及防振原理

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

3 防振錘結構及應用

防振錘的產品結構是由具有一定質量的一對重錘、具有較高彈性和高強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、地線。

防振錘的應用，通過其線夾固定于架空導、地線上，當架空導、地線發(fā)生振動時，防振錘的2個重錘上下運動，利用兩側重錘的慣性運動及重錘繞鋼絞線固定點的扭轉運動，使其鋼絞線產生內摩擦消耗架空導、地線的大部分振動能量，空氣對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。根據能量平衡原理，防振錘的能量消耗使微風振動的強度降低，甚至能完全消除導、地線的振動，總體就是用防振錘的相對運動來消耗架空導、地線的振動，使其在允許的安全范圍，從而保證電網線路的安全運行。

4 防振錘滑移現(xiàn)象

防振錘在現(xiàn)實應用中也存在一些問題，特別是鋁質線夾滑移的情況，在線路巡檢維護保養(yǎng)過程中，經常發(fā)現(xiàn)有些工程的防振錘位置偏離了正常的安裝位置。經多個實際工程案例的調查，各種線路安裝鋁質線夾的FDZ型防振錘多有線夾滑移的情況，而FG型鋼質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。經作業(yè)人員巡視發(fā)現(xiàn)，時常有防振錘滑移現(xiàn)象的發(fā)生，防振錘的滑移缺陷，已嚴重影響到線路的安全運行。同時也發(fā)現(xiàn)一個問題，線夾滑移多數發(fā)生在鋁線夾的架空導線上，地線上用的鋼質線夾的防振錘基本沒有滑移。

5 防振錘滑移原因分析

5.1 導線微風振動

導線微風振動由氣候環(huán)境影響所致，屬不可抗拒因素。但也可以通過調整其他方面的參數來改善條件。通過前期工程勘測的基本風速和頻率，結合理論公式來測得導、地線的最大、最小半波長，通過調整導、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、地線的運行張力，也能起動減少導、地線振動的效果。

5.2 導線的蠕變導致線徑的縮小

架空導線一般是由多股絞合的金屬單絲組成，在受到運行張力作用后，各股單絲相互滑移、擠壓使線股絞合得更緊而產生導線初伸長，其長度將延伸的同時導線外徑也將稍微縮小，同樣有可能引起防振錘線夾松動，導致滑移。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，隨著時間的增加緩慢地產生永久變形的現(xiàn)象;蠕變特性主要取決于材料的分子結構、結晶方式，還與外部荷載和溫度有關;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，而鋁則比較嚴重[7]。蠕變將使導（地）線產生永久變形， 即張力撤去后這兩部分伸長仍不消失，初伸長與張力的大小和作用時間的長短有關，在運行過程中，隨著導線張力的變化和時間的推移，這種初伸長逐漸被伸展出來，最終在若干年后才趨于穩(wěn)定值。

5.3 線夾與導線之間的摩擦力不夠

當線夾在導、地線的表面上受到激振力的作用而有相對運動的趨勢時，在線夾與導、地線的接觸面就會產生阻礙它們相對運動的趨勢的作用力，這個力叫摩擦力。防振錘的線夾與導線之間的受力狀態(tài)，即是具有相對滑動趨勢，而又將發(fā)生相對滑動的狀況。

決定摩擦力的因素有2個，即正壓力和兩接觸面的摩擦系數。正向壓力越大，摩擦力越大;兩接觸面的摩擦系數越大，摩擦力越大。線夾上的螺栓緊固產生的夾緊力即正壓力。改變螺栓緊固產生的正壓力或線夾與導線之間的摩擦系數，都可改變線夾與導線之間的摩擦力。根據相關資料查詢，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)象多數發(fā)生在鋁線夾型防振錘的產品身上。鋼與鋁的摩擦系數不同，比鋁與鋁的摩擦系數大，也是握力更好的原因。但是鋼制線夾結構有磁滯損耗的經濟性不好的方面，鋁制線夾防振錘從能耗上講更節(jié)能。

5.4 防振錘線夾結構存在設計缺陷

根據2種不同結構線夾的性能對比，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)象多數發(fā)生在鋁線夾型防振錘的產品身上。通過對比試驗說明產品結構還是存在一定的問題。國內目前的防振錘產品線夾材質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過熱鍍鋅處理。而熱鍍鋅過程有一個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，溫度膨脹系數也不同，這也會使螺栓松動進一步加劇。也有采用不銹鋼材質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。

將線夾固定在導線上，其實就是通過螺栓、螺母緊固件利用力的相互作用來達到固定的效果。根據作用對象不同，分為作用力與反作用力。根據力矩平衡的計算公式：動力×動力臂=阻力×阻力臂。在動力不變的情況下，動力臂越長，產生的力矩就會更大。鋼制線夾的結構受力支點位置不同，使其力臂長度更長，受力情況更好，也是握力更好的原因。

5.5 施工安裝工藝質量不高

線路架設施工中，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，導致在運行過程中螺栓經振動不斷松動，致使防振錘滑移。

6 防振錘線夾受力分析

針對上述現(xiàn)象的發(fā)生，現(xiàn)將2種比較常用的產品，鋼制線夾的FG型與鋁制線的FDZ型防振錘產品，就線夾結構特點及材質進行對比分析。

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，從產品結構上可以看出受力的狀況不同，作用點位置不同、力臂長短不同，所產生力矩的作用效果也不同。力臂是力的作用線到轉動軸的距離，分為動力臂和阻力臂，動力臂就是動力作用線到轉動軸的距離，阻力臂就是阻力作用線到轉動軸的距離。螺栓所在的位置到線夾支撐點的位置的距離就是動力臂。導線所在線槽的中心位置到線夾支撐點的距離就是阻力臂。2種線夾的結構特點及受力分析如圖1所示。

通過圖1可以看出，2種類型防振錘的作用點位置明顯不同，F(xiàn)DZ型防振錘支撐點在作用力與反作用力的中間，而且螺栓作用力臂小于導線反作用力臂;FG型的防振錘支撐點在一側，螺栓作用力臂大于導線反作用力臂，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為鋼，而且鋼制線夾的表面因實際防腐需要采用了熱鍍鋅工藝，表面附有一層鋅鐵復合層，與導線的鋁表面的接觸摩擦系數也不盡相同。FDZ型防振錘的線夾材質為鋁，鋼質線夾與鋁質線夾的材質差異，鋼與鋁之間的摩擦系數較鋁與鋁的摩擦系數較大，同等規(guī)格的螺栓在相同力矩的作用下，鋼質線夾的握力比鋁質線夾的握力要大。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、地線之間的摩擦力

在整體結構不大變動的情況下，就要增大壓板對導線的作用力和線夾與導線之間的摩擦系數，實施改進目標圍繞這2個關鍵點而展開。

7.2 增大壓板對導線的作用力

可通過加大螺栓大小、改變螺栓性能等級或改變作用力臂長度來實現(xiàn)，結構的改動對日后的生產材料投入的成本及對現(xiàn)有模具的改進，將付出較大的經濟成本，所以產品結構上盡量不做太大的改動。

7.3 改變線夾與導線之間的摩擦系數

在鋁線夾主體夾持導線的線槽的表面，機械化操作涂附一層特殊涂料，涂料內含適量的料度均勻的硬質金鋼砂，涂料有一定的橡膠層厚度，富有一定的彈性，能有效彌補導線因承受運行張力而產生的外徑尺寸的變化。從而達到提高線夾對導線握著力度的目的。

7.4 線夾壓板的結構改進

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

8 線夾改進的效果驗證

將改進前的2只線夾分別夾持在對應導線的兩端，為防止絞線散股影響端頭留30 cm長度作標記位置，手工預緊后再通過力矩扭手按螺栓規(guī)格大小的標準力矩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面與絞線貼合交匯處畫上標記，通過試驗機的顯示值及標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后的線夾作一下對比試驗。按標準要求在試驗機數值欄設定力值為2.5 kN，保壓1 min，然后將最終力值設定為標準值的1.2倍。通過試驗發(fā)現(xiàn)，改進前的線夾握力值基本在2.5～2.8 kN，改進后的線夾握力值明顯高于改進前的線夾握力值，且數值穩(wěn)定，均能達到標準的1.2倍。說明改進后的線夾的握力還是有比較好的效果。線夾改進前、后的握力試驗數值對比見表1。改進后握力較改進前握力有統(tǒng)計上的提高。

9 結論

通過多組握力試驗對比，在線夾與導線接觸的表面經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，同時考慮人工操作時的不確定因素，通過在鋁線夾線槽表面加成條紋，并通過機械化操作涂附一層特殊涂料（涂料內含適量的料度均勻的硬質金鋼砂），來提高表面摩擦力，從而提高握著力度，防止線夾滑移，防振錘線夾的改進將對架空輸電線的安全運行發(fā)揮重要的作用。

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作者簡介：閆昌干（1979-），男，工程師。研究方向為電力金具的產品開發(fā)設計及工程技術管理。