500kV架空线路地线防振锤滑移分析及结构改造

方 权 张学锋 侯金华 高虹亮 汪旭旭

（1.国网湖北省电力公司检修公司 宜昌检修分部，湖北 宜昌 443000；2.三峡大学 电气与新能源学院，湖北宜昌443002）

自1925年最早出现的防振锤（Stock Bridge）［1］问世以来，电力金具市场已经涌现出多种型式的防振锤.在进行防振锤设计与研究时，研究人员常常将重点放在型号、安装距离、安装数量等方面［2］，或仅仅关注防振锤的力学特性［3］，而忽略了防振锤安装以后出现的滑移问题.

防振锤滑移问题由来已久且广泛存在于各省电网公司的运维工作中，如2005年江苏“田盐线”发生多起、2006年甘肃庆阳“梅西线”出现200多次［4］.虽然不断有新型防滑移的防振锤投入运行使用，但是仍然不能解决防振锤滑移问题.新型的防振锤即使在室内试验满足防振锤技术条件，在运行一段时间后也会出现滑移现象.防振锤一旦滑移，便会失去抑制导线微风振动及消耗风能的作用.因此，根据防振锤运行环境、受力特性、自身结构特点设计新型的防滑移防振锤，可以减少防振锤滑移几率，提高防振锤的可靠性，也能够减轻运行部门的运检工作量，保障电力系统的安全运行.

1 防振锤滑移分析

此次的研究对象为湖北省电力公司检修公司宜昌分公司所辖500kV架空良导体地线（LHAGJ－150／25）上使用的防振锤，型号为FR－2型.FR－2型防振锤采用不对称分布结构，具有4个固有频率，防护的频率范围更宽、更有效［5］.

1.1 防振锤力学分析

防振锤在实际运行时可以和输电线一起运动，从而吸收耗散输电线的振动功率.防振锤的受力分析，要考虑防振锤的安装姿态.输电线档距较大时，其刚度可以忽略不计，近似于悬链线.防振锤夹头轴线与水平线之间存在夹角θ，当两基杆塔不等高时，夹角θ也随之增大.下面分别从静态和动态两个方面分析防振锤的受力状态.

1）无风状态

无风即输电线－防振锤体系无振动，处于静力平衡状态.假设一档线路，两基杆塔高差为H，档距为L，防振锤夹头轴线与水平线间的夹角为θ，防振锤离悬挂点的距离为Lc，图1是输电线－防振锤体系示意图.

图1 输电线－防振锤体系示意图

设两锤头的重力为G1、G2，以防振锤夹头中心为研究对象，f表示摩擦力，M表示弯矩，F表示输电线对防振锤的支持力，如图2所示.

图2 无风状态防振锤受力分析

输电线处于悬链线状态悬挂于两基杆塔之间，则防振锤夹头轴线与水平线的夹角θ可以用比载γ、防振锤到弧垂最低点间的线长LOC、输电线应力σ0表示［6］，如式（1）所示.

由图2可以得出静止状态下，相对于夹头中心的弯矩平衡，如式（2）所示

Y向静力平衡如式（3）所示

X向静力平衡如式（4）所示

式中，μ为摩擦系数，S设为夹头与输电线实际接触面，q为单位接触面上的力，则qS是夹头对输电线握力的反力.

2）受迫振动情况下的受力分析

当输电线处于微风振动情况时，防振锤也会随之振动以降低近悬挂点处的振幅及应力分布状态.根据振动力学理论，可以将输电线－防振锤体系的振动看成简谐惯性力激励的受迫振动［7］.振动系统的简化如图3所示.

图3 防振锤动力学模型

图中c为输电线－防振锤体系的阻尼系数，k为体系的刚度，m为防振锤荷重.假设输电线的振幅为A，频率为ω，沿y向做简谐振动，其运动方程为

输电线的振动会在防振锤上产生惯性力Fy，如式（7）所示

1.2 滑移原因分析

根据上一部分的受力分析可知，防振锤重力沿导线轴线方向的分力、材料配对、导线蠕变伸长等因素可能导致防振锤出现滑移现象.

1）重力沿导线轴线方向的分力

防振锤夹头轴线往往与水平线间存在一个夹角θ，当防振锤的紧固螺栓松动时，就会导致摩擦力不足.由式（4）、（5）可知，摩擦力不足时，沿防振锤夹头轴线方向的合力不再平衡，此时

由此可知，防振锤在线夹轴线方向的分量大于摩擦力时，防振锤就会在重力分量的驱动下发生滑移.

2）材料配对的影响

防振锤线夹夹头一般采用铸钢或是高强度铝合金材料制作，而输电线（导线或是良导体地线）其外层绞线的材质为铝，铝材的塑性较好，但硬度较铸钢和铝合金要差很多.由式（7）可知，在输电线振动时，防振锤夹头和输电线之间存在一个大小方向不断变化的惯性力，相对较硬的线夹夹头作用在硬度较小的输电线上时，输电线在冲击下产生挤压变形，经过一定次数的积累，原本处于紧握状态的防振锤线夹出现间隙而引起滑移.

南京线材厂对其设计的防滑防振锤进行了防振锤功率特性和疲劳试验表明，同种类型的防振锤安装在钢芯铝绞线上的滑移趋势要大于安装于钢绞线上的情况，由此看出材料的配对可能引起防振锤滑移.

3）输电线蠕变伸长引起松弛

输电线由于其运行环境的复杂性，导致输电线的状态随运行环境的改变而变化.输电线张力不仅产生弹性伸长，也会产生永久性的蠕变伸长.在覆冰有风、档距中央有非均布载荷的情况下，输电线的应力随之增大，输电线更易产生塑性伸长.输电线伸长会引起输电线的直径变小，从而导致防振锤滑移.

2 防滑移方案

2.1 防滑移方案列举

为了改善防振锤滑移现象，结合防振锤运行环境及对象的特定性，可以从增大摩擦力、减小驱动力等方面入手.具体的方案为：通过改变结构，改变材料来改善接触状态、增大摩擦系数.图4为所提出的4种防滑移方案：左上为弹性卡子式，右上为橡胶垫式，左下为金属内套式，右下为预绞丝橡胶套式.

图4 4种防滑移方案

弹性卡子式将线夹分成内外两部分，通过弹性卡子紧固，当导线因蠕变、摩擦磨损变细时，弹性卡子会收紧线夹内外两部分.橡胶垫式将两个橡胶垫内嵌在线夹内，通过橡胶的回弹性能防止防振锤线夹松动.金属内套式将导线与线夹通过锥形金属铝套固定在一起.预绞丝橡胶套式融合了橡胶垫与预绞丝双重防滑作用而未改变原有线夹结构.

4种防滑移方案虽在理论上能够抑制防振锤滑移，但是从制造成本、加工工艺、安装难易等几个方面考虑，最终选择金属内套式.表1为4种方案的对比结果.

表1 4种方案对比结果

2.2 方案有限元验证

利用ANSYS13.0Workbench对前面最终选择的金属内套方案进行有限元接触分析.

1）有限元模型简化

金属内套式防振锤防滑移的关键部件为金属内套，其真实模型嵌合后，可认为是对称结构，因此取其1／2部分，此外将其锥齿部分简化为完整的锥套.同时将与金属内套接触的地线简化为圆柱结构.两者简化后的模型如图5所示.

图5 金属内套与地线简化模型

2）网格化

图6 网格化

3）加载计算

金属内套式防振锤拧紧时螺栓力臂要大于地线反力的力臂，由力矩平衡计算可得线夹施加在地线上的力40kN左右，取40kN.根据《防振锤技术条件和试验方法》关于线夹防振锤线夹对地线握力的试验要求：大于2.5kN即为合格，取作用在金属内套上沿地线轴向的力5kN.查摩擦系数表，铝材取0.17.

4）接触分析

图7为金属内套等效应力云图，从图中可知应力由外向里呈减小趋势，即与线夹接触部位应力最大，高达132MPa，1／2剖面处达到了265MPa以上，说明在拧紧螺栓的同时，铝质金属内套会挤压变形，可靠地嵌合在一起，而与地线接触处应力最小，基本在66MPa以下.

图7 等效应力云图

图8为金属内套与地线接触面的摩擦应力云图.从图中可以看出，摩擦应力最大值43.8MPa出现在金属内套的非锥齿处，而锥齿处的摩擦应力（15MPa左右）相对比较均匀，因此可以减少锥齿部分对地线的划伤；经计算可知，接触面间摩擦力值约为850N，大于防振锤重力（式8）沿导线轴线方向的分力值45N，能够抑制防振锤出现滑移.

图8 摩擦应力云图

图9为金属内套与地线接触面的接触状态图，根据图中显示区域可知，接触面整个区域基本处于粘着状态（sticking），未见有滑移状态（sliding）的区域.

图9 接触状态图

3 结 论

1）通过对防振锤的结构、组成、材料、运行环境及受力特性分析，找出了地线防振锤滑移的影响因素.并根据影响因素，利用建模软件提出了4种防滑移方案.

2）针对提出的4种防滑移方案进行了综合比较，确立金属内套式防振锤为最佳方案，并利用ANSYS13.0Workbench对其进行有限元接触分析.结果验证表明，该方案能够满足防滑移的目的，是一种有效的设计方案.

3）由于对模型进行一些简化，故后期有待进一步增加模型和实物的逼真性，进而探索结构的优化设计.

［1］ 荣国杰，李臣忠.4D系列防振锤的历史与发展［J］.电力建设，2005，26（12）：62－66.

［2］ 张 旗，张 玲.架空线防振锤设计中的几个问题［J］.电力学报，2005，20（2）：169－171.

［3］ 徐乃管，王景朝，董玉明.关于防振锤性能的探讨［J］.电力建设，2001，22（3）：8－11.

［4］ 夏泓轩，夏德森.防振锤线夹滑移分析及预防措施［J］.电力建设，2008，29（8）：108－109.

［5］ 侯景鹏，吴兴宏，孙自堂，等.防振锤的动力特性分析［J］.水电能源科学，2011，29（2）：172－173.

［6］ 孟遂民，孔 伟.架空输电线路设计［M］.北京：中国电力出版社，2007：60－66.

［7］ 郭应龙.输电线路舞动［M］.北京：中国电力出版社，2002：41－51.