鲍明正，祝永坤，吴 昊，杨志超，于开文
（国网内蒙古东部电力有限公司，呼和浩特 010010）
悬垂线夹是输电线路使用最多的金具之一，用于将导线固定在绝缘子串上或将避雷线悬挂在直线杆塔上，也可用于换位杆塔上支持换位导线及耐张转角杆塔上固定跳线[1]，其性能直接影响着架空线路的使用寿命。引起悬垂线夹故障的原因主要有自然环境和线夹质量等。悬垂线夹受气候条件及环境的作用，主要承受风荷载、垂直载荷及线材与接触面的摩擦力，在长期运行过程中，尤其在大风、大档距等恶劣条件下，悬垂线夹的承重轴磨损情况频发，严重的甚至出现断裂。因此，深入分析悬垂线夹的磨损原因，制订有效的防范措施，对确保线路的长期安全稳定运行十分必要。
某±500 kV 直流输电线路已投运12 年，途经高山峻岭、丘陵及草原，地形地貌复杂，线路杆塔多沿山谷沟壑走向，档距大小不均匀。线路所在地区为典型的中温带季风气候，常年风力较大，年平均风速在5 m/s以上，受复杂地形影响，存在风速大、风向和风速变化频繁的特点。2021 年4 月，运维人员巡视发现该线路732号塔地线悬垂线夹承重轴单侧断裂，地线无断股情况。该塔位于丘陵地区（如图1所示），塔型为G13 型，呼称高54 m，地线悬垂线夹型号为XGU-2F型。
图1 某±500 kV直流输电线路732号塔所处地形Fig.1 Landform of tower 732 of a ±500 kV DC transmission line
后续进一步全面检查发现，该线路721 号、730号、736 号、740 号塔悬垂线夹承重轴同样存在不同程度的磨损现象，其中721号、736号塔磨损较严重，721 号、736 号塔地线线夹承重轴直径为16 mm，磨损后的直径分别为14.6 mm、13.4 mm。721 号塔的磨损断面为8.578 mm2，占比4.27%；
736号塔的磨损断面为21.22 mm2，占比10.55%。
2.1 外观检查
本次承重轴断裂的地线悬垂线夹出厂日期为2009 年，其承重轴断口明显分两个部分：一部分断口光亮，表面平滑，为磨损所致的陈旧断口，此部分占断口面积80%以上；
另外一部分断口呈脆性断裂特征，为最后的瞬时断裂区。断口上未观察到明显的制造缺陷。
依据相关标准[2-4]，XGU-2F 型悬垂线夹本体及压板应采用牌号不低于KT33-8 的可锻铸铁制造，破坏荷载不小于38.2 kN，查看厂家出具的试验报告，732号塔符合相关标准要求。
经实际测量，732 号塔所用的悬垂线夹长度为195 mm，高度为90 mm，质量为1.98 kg，与GB/T 2315—2017《电力金具标称破坏载荷系列及连接型式尺寸》的要求存在差距[5]。此外，对地线悬垂线夹承重轴直径与挂板螺栓孔径的配合情况进行了检查，对于槽型连接的金具，直径16 mm的螺栓所匹配的孔径为18 mm，误差不得超过±0.5 mm。经测量，732号塔地线悬垂线夹挂板孔径为18.8 mm，考虑运行年限较长，挂板同样存在磨损的情况，可以认为挂板的孔径满足规范要求[5]。732 号塔磨损地线线夹如图2所示。外观尺寸检查结果如表1所示。
图2 732号塔磨损地线线夹Fig.2 Worn ground line clamp of tower 732
表1 外观尺寸检查结果Tab.1 Appearance size check result
732号塔地线悬垂线夹的挂板有明显的电焊加工补强痕迹（如图3 所示），在焊接加固零件过程中挂孔变形，并产生焊渣，挂孔内壁未根据要求进行打磨，通过触摸挂孔内壁发现有明显凸起，凸起位置与承重轴断裂位置吻合，说明挂孔内壁的凸起部位加剧了悬垂线夹承重轴的磨损。挂板的磨损程度较承重轴的磨损程度轻，主要是由于挂板和承重轴的材质不同，挂板的材质为碳素结构钢，硬度高于制造承重轴的铸铁材料。
图3 732号塔地线线夹挂板加工补强痕迹Fig.3 Processing and reinforcing marks of ground line clamp of tower 732
2.2 材质检测
依据相关标准[6-7]，对受损悬垂线夹（使用材料KTH330）开展金相检测、材料拉伸性能和布氏硬度检测。
将受损的悬垂线夹表面进行打磨处理后开展金相检测，金相组织均为铁素体加团絮状石墨，是黑心可锻铸铁的正常组织，符合悬垂线夹可用可锻铸铁制造的规定。
拉伸性能测试结果如表2 所示。1 号样品（732号塔受损线夹）的a 组拉伸强度和伸长率分别为328.2 MPa 和6.4%，均低于CB/T 9440—2010《可锻铸铁件》标准要求；
b组拉伸强度为324.8 MPa，低于上述标准要求，其余结果合格[3]。
表2 拉伸性能测试结果Tab.2 Tensile performance test results
对送样悬垂线夹进行布氏硬度检测，打磨外表面，分两点测量其硬度，布氏硬度测试结果如表3所示，结果符合相关标准要求[7]。
表3 布氏硬度测试结果Tab.3 Brinell hardness test results
2.3 运行条件分析
2.3.1 架空地线张力受风力的影响
通过查阅平断面定位图及现场地理、气象资料发现，承重轴磨损严重的730 号、732 号塔两侧档距比均较大，同样在两侧档距比较大的杆塔上存在金具顺线路方向磨损缺陷。具体情况为：726 号、729号塔光缆挂环因受纵向不平衡张力影响，长期与光缆支架摩擦，导致磨损程度较大（如图4所示），其中726 号、729 号塔两侧档距比分别达到了2.83 和7.33。金具磨损杆塔档距明细见表4。
图4 光缆挂环磨损情况Fig.4 Abrasion of optical cable hanging ring
表4 金具磨损杆塔档距明细Tab.4 Span of hardware worn tower m
以732 号塔为例，其大号侧档距为459 m，小号侧档距为740 m，档距比为1.61。在风力作用下，小号侧档内导线所受到的水平荷载较大号侧档内导线水平荷载大得多，造成地线悬垂线夹顺线路方向向小号侧偏移运动，当风力减弱后，在档内地线张力的作用下，悬垂线夹顺线路方向向大号侧运动，这种往复的顺线路方向运动，较两侧档距比较小的杆塔更为频繁，加剧了732 号塔地线悬垂线夹承重轴的磨损。当线夹承重轴发生磨损后，由于承重轴截面由圆形变为椭圆形，其与线夹挂板的接触面由“面接触”变成了“点接触”，产生应力集中，这种特性也会进一步加剧承重轴磨损。
2.3.2 架空地线微风振动影响
架空地线受到横向风的作用时，导线背风面将形成按一定频率上下交替出现的气流旋涡，它的依次出现和脱离使得导线受到同一频率的上下交变的冲击力，在同步效应的作用下，地线的风振使得地线围绕耳轴中心有个小角度往复位移，相应的承重轴和联板也存在一个小角度往复相对位移，从而使得联板和耳轴往复摩擦导致磨损。
2.3.3 地形及气象因素影响
查看现场照片、卫星地图定位以及平断面定位图，732号塔位于山坡之上，地形为跨越山谷的典型凹字形区域，复杂的地形影响风的速度和局部风向，形成局部微气象，架空地线在风力作用下，使地线悬垂线夹发生顺线路方向的运动，这种运动造成地线悬垂线夹的挂板与船体承重轴磨损，磨损使受力截面减小，最后承重轴发生单侧断裂。统计全部金具磨损塔位地形条件如表5所示，由表5可知，跨越山谷、连续上下坡地区容易出现金具磨损。
表5 金具磨损杆塔地形统计Tab.5 Topographic statistics of hardware worn tower
2.3.4 悬垂线夹荷载影响
该线路GJ-100 型地线覆冰时综合荷载为19.77 N/m，悬垂线夹的破坏荷载不小于40 kN，按照GB 50545—2010《110 kV～750 kV 架空输电线路设计规范》以及《电力金具手册》（第二版）[1，8]，验算线夹的允许最大垂直档距为809 m。对比出现悬垂线夹磨损杆塔的允许最大垂直档距使用率，732 号塔允许最大垂直档距使用率最高，较大的垂直荷载加速了线夹的磨损进程。金具磨损杆塔垂直档距统计如表6所示。
表6 金具磨损杆塔垂直档距统计Tab.6 Statistics of vertical span of hardware worn tower
732 号塔地线悬垂线夹运行年限为12 年，所在地形以丘陵为主，线路为南北走向，与主导风向西北风夹角约45°，常年季风较大。该线路自投运以来，出现过多处因微风振动导致的防振锤滑移缺陷。依据《国网蒙东电力风区分布图》（2020 版）[9]，缺陷发生区段属于27 m/s 的风区。2021 年3 月以来，缺陷发生地区出现了4 次大风天气，1 次暴雪天气，尤其是3 月15 日最大阵风达11 级，距离732 号塔40 km地区出现33.2 m/s的最大风速，局部阵风的作用，进一步加剧了732 号塔悬垂线夹的磨损。处于山区尤其是微气象区的输电线路，受复杂地形和特殊气象条件的影响，极易形成导、地线悬垂线夹磨损的条件[10-13]，在受到风力长期作用下线夹摆动频繁，导致地线线夹承重轴长期磨损，局部的瞬时大风也使金具的机械性能发生突变，最终因承重轴磨损严重、局部应力过大发生承重轴单侧断裂。
综上所述，架空地线悬垂线夹承重轴断裂原因为悬垂线夹制造工艺、尺寸不合格，在大档距比条件下长期存在纵向不平衡张力，复杂地形下长期的微风振动及较大垂直荷载和水平荷载影响，造成悬垂线夹形成顺线路单摆运动，逐步磨损至断裂。
4.1 设计规划阶段
4.1.1 提高设计标准，严格控制档距比
设计阶段充分调研微地形、微气象区域，收集该地区在运线路的运行情况，注意山谷中的塔位和大跨越塔位，在排塔定位时应尽量避免出现大高差和垂直档距较小的情况，同时应控制杆塔两侧档距比不大于1.5。
4.1.2 采用双线夹，分解垂直荷载
对于跨越山谷、连续上下坡、山顶地区的杆塔，地线悬垂串应采用双联结构，宜采用双挂点，且单联应满足断联工况荷载的要求，降低单个地线悬垂线夹承载的垂直荷载。
4.1.3 采用新材料，提高线夹耐磨能力
采用高锰钢等高强度材质的金具以及耐磨金具，提高金具的耐磨性和耐腐蚀性。通过金具上焊接附加部件，增大点、面接触等两种金具接触方式下的接触面积。
4.2 运维阶段
4.2.1 加强输电线路架空地线悬垂线夹运行管理
适时开展全面检查，重点是大档距、大高差、微地形、微气象区段架空地线悬垂线夹受力情况观测与检查，检查过程中注意收集现场风速信息，掌握线路运行环境。
4.2.2 加强架空地线悬垂线夹日常维护与检测
悬垂线夹的垫片遮住了挂板与承重轴的连接部位，在日常线路巡视中很难发现挂板与承重轴的磨损情况，运维单位需按照DL/T 741—2010《架空输电线路运行规程》要求定期开展导地线打开线夹检查[14]，对于微地形、微气候等特殊区域应适当缩短检查周期，对已发生磨损的杆塔应做好记录，并根据磨损情况缩短检查周期。
4.2.3 及时更换缺陷线夹，增加线夹强度
根据运行经验改进悬垂线夹工艺，将悬垂线夹槽材料由铸铁改为铸钢，或者对悬垂线夹承重轴进行防磨处理，增加悬垂线夹耳轴的磨损余量。
4.2.4 特殊区域架空地线线夹进行单改双加强
对大档距、大高差、微地形地区单联单挂点型式的地线金具进行改造，增加一组地线悬垂线夹，以减轻线夹承受的荷载，提升输电线路运行的可靠性。
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