相间间隔棒的防振与防舞弹簧阻尼装置

王星涵，颜京忠，王茂成，金晓唐，王绍辉

（1.国网山东省电力公司龙口市供电公司，山东 烟台 265700；2.国网山东省电力公司蓬莱市供电公司，山东 烟台 265600；3.国网山东省电力公司烟台供电公司，山东 烟台 264001；4.山东大学电气工程学院，山东 济南 250061；5.哈尔滨工业大学（威海），山东 威海 264200）

0 引言

防舞相间间隔棒能有效遏制线路覆冰舞动，自2010年以来，已经在全国架空输电线路中得到了广泛应用。但由于使用过程中存在夹具易脱落、导线断股甚至磨断的问题，成为电网安全运行的隐患，各地曾发生多起相间间隔棒与双分裂导线脱落现象，引起生产部门的高度重视。目前已安装的防舞相间间隔棒主要起到支撑、隔离作用，防止相间短路，但加剧振动。2016年3月，国家电网公司运检［2016］413号文中第5.2条规定，应避免在跨铁路、高速路和重要输电通道的跨越档内安装相间间隔棒，说明现有防舞相间间隔棒技术并不成熟。

相间间隔棒最早由加拿大人提出，是防止线路不同步舞动导致相间短路非常有效的措施［1-10］；文献［11-12］所述单弹簧阻尼装置仅限于相间间隔棒受压情况下发生弹簧形变，文献［13-14］所述双弹簧阻尼装置在相间间隔棒受拉或受压情况下均能发生弹簧形变，弹簧的刚度系数限制了文献［11-14］所述的两种弹簧阻尼装置只能适于防振或仅限于防舞。导线覆冰舞动和微风振动所产生的效果截然相反，导线覆冰舞动是大幅度、低频率的，舞动幅度小至2～3 m，大至4～6 m，而导线的微风振动是小幅度、高频率的，因此，防振和防舞的理论计算模型是截然不同的，现有弹簧阻尼装置因其刚度系数的限制达不到既能防舞又能防振的效果，生产一线紧迫需求研发出高效耗能的阻尼装置。

设计一种既能防舞又能防振的相间间隔棒，最大限度地消耗导线舞动能量，减少导线舞动幅度，降低对相邻杆塔强度的影响，避免出现倒塔事故；最大限度地消耗导线微风振动能量，避免出现导线断股、断线等事故。

1 防振防舞弹簧阻尼装置构成

防振防舞弹簧阻尼装置［15］由圆柱筒体、活塞、轴杆、空腔、防振弹簧、防舞弹簧、底座、防松螺栓等组成；其中，圆柱筒体由槽型扁脚、连接孔和圆柱凸起组成，活塞上有若干换气孔，轴杆下联带连接孔的单扁脚，底座下联圆筒体，如图1所示。

图1 弹簧阻尼装置组装总成

防振防舞弹簧阻尼装置的设计原则是：在导线微风振动过程中消耗导线振动能量，避免导线断股、断线；在导线覆冰舞动过程中消耗导线舞动能量，减少导线舞动幅度，避免相间导线短路。设计一种同时具有防振、防舞功能的弹簧阻尼装置，如图2～5所示。圆柱筒体顶部设带两个安装孔的槽型扁脚，内顶面中心部位设有一圆柱形凸起，圆柱筒体底部与底座丝扣连接，底座下面连接圆筒体；在圆柱筒体内设置防振上弹簧、防舞上弹簧和防振下弹簧、防舞下弹簧，防振上弹簧、防振下弹簧分别套在防舞上弹簧、防舞下弹簧内，防振上弹簧、防舞上弹簧和防振下弹簧、防舞下弹簧以联有轴杆的活塞隔离开；轴杆一端连接带换气孔的活塞，另一端连接带两个安装的单扁脚，先后通过底座和圆筒体伸出圆柱筒体外。

图2 弹簧筒结构

图3 底座与固定筒体

图4 活塞轴杆和防振弹簧

防振上弹簧和防舞上弹簧底部均固定于活塞的上表面，防舞上弹簧顶部与圆柱筒体顶部之间预留防振上弹簧的形变空间；防振上弹簧的顶部套设于圆柱筒体的圆柱形凸起上，避免横向错位。

防振下弹簧和防舞下弹簧均套于轴杆外围；防舞弹簧的底部固定于底座的上表面，防舞下弹簧顶部与活塞之间预留防振下弹簧的形变空间；防振下弹簧的上、下两端分别与活塞、底座相接触但不固定，确保轴杆的轴向自由度，避免导线覆冰舞动过程中复合绝缘子芯棒受扭。

2 防振防舞弹簧阻尼装置工作原理

在导线微风振动过程中，活塞上、下高频率位移，上、下防振弹簧随之交替受压，消耗导线微风振动能量，避免导线断股、断线和紧固螺栓松动以及相间间隔棒从导线上掉落。在导线覆冰舞动、弹簧阻尼装置受拉过程中，活塞下移，下防振防舞机构的防振弹簧压缩至防舞弹簧位置时，防振弹簧将与防舞弹簧共同受压并消耗舞动的能量；在导线覆冰舞动、弹簧阻尼装置受压过程中，活塞同时带动上防振防舞机构的防舞弹簧上移至上防振防舞机构的顶部位置时，防舞弹簧受压并消耗舞动的能量，此过程中，上防振防舞机构的防振弹簧始终处于弹性受压状态；通过上下两个防舞弹簧和防振弹簧弹性变形的完美组合，自动达到新的平衡。

使用时，将装置的上连接件安装于相间间隔棒中的复合绝缘子端部金具上，将装置的下连接件安装于相间间隔棒中的调整板上，如图6所示。两个防舞弹簧的结构高度应不影响两个防振弹簧在微风振动过程中独立工作，也就是说，两个防振弹簧比两个防舞弹簧高出微风振动形变量的一半及以上，以便在导线微风振动过程中，只有防振弹簧在工作；防振弹簧的弹簧圈直径小于防舞弹簧的弹簧圈直径，并大于轴杆外径，工作过程中不应相互接触、磨损。在导线微风振动或覆冰舞动过程中，防振弹簧和防舞弹簧的固有频率不应在导线微风振动或覆冰舞动的频率范围内，避免发生共振。

图6 具有防振防舞弹簧阻尼功能的220 kV相间间隔棒

防振弹簧和防舞弹簧均采用SUS304-WP型不锈钢材质，不考虑金具安全系数2.5［16］，否则弹簧形变失真。其他构件需考虑金具安全系数，并热镀锌。

3 防振防舞弹簧阻尼装置数据计算

3.1 防振弹簧

导线微风振动风速1～5 m／s对应的导线振动频率为 9.26～46.3 Hz［17］，对应的激振力单位幅值为0.11～1.3 N／m，相间间隔棒的间距不超过 200 m［10］，则导线微风振动对应的激振力幅值为22～260 N；考虑到安全裕度，防振弹簧的额定机械荷载取290 N。防振弹簧的理论计算：根据圆柱形螺旋压缩弹簧计算公式［18-19］，输入数据如表 1 所示。

得出计算结果如表2，得出防振弹簧的最大压力292.2 N和最小压力29.2 N，满足导线微风振动横向力范围。

防振弹簧的刚度系数［18-19］为

防振弹簧的固有频率为

式中：n为频率，Hz；K为弹簧的刚度系数；m为弹簧承受载荷的质量，g。

表1 防振弹簧的设计数据

表2 防振弹簧的计算结果

显然，防振弹簧的固有频率不在导线微风振动的频率范围内，不会发生共振现象。

防振弹簧的自振频率为

显然，防振弹簧在导线微风振动过程中也不会发生自振现象。

3.2 防舞弹簧

非舞动条件下，相间间隔棒（含端部连接金具）额定机械拉伸荷载不小于8 kN，破坏机械荷载为10 kN［20］。LGJ-400／35型单导线安全系数为 2.5，在 0.1～1.0 Hz频率范围内的横向舞动力为 3 756～9 648 N［21］，则LGJ-400／35型双分裂导线的最大横向舞动力约为7 512～19 296 N，双分裂导线相间间隔棒所受的最大轴向拉、压力约为双分裂导线的最大横向舞动力的2倍，即约为15.0～38.5 kN。考虑到安全裕度，取防舞弹簧的轴向额定机械荷载为40 kN。防舞弹簧的理论计算：根据圆柱形螺旋压缩弹簧计算公式［18-19］，输入数据如表3所示。

计算结果如表4所示，得出防舞弹簧的最大压力42.4 kN和最小压力4.2 kN，满足导线横向舞动力范围。

防舞弹簧的刚度系数为

防舞弹簧的固有频率为

显然，防舞弹簧的固有频率不在覆冰舞动的频率范围内，不会发生共振现象。

防舞弹簧的自振频率为

显然，防舞弹簧在导线覆冰舞动过程中也不会发生自振现象。

3.3 弹簧阻尼装置结构强度

使用spring单元模拟弹簧，在必要的位置建立了接触。使用rigid单元模拟了螺纹连接。加载位置位于结构螺栓孔几何中心，固定一端，在另一端施加载荷，计算模型如图7所示。

图7 弹簧阻尼装置计算模型

通过有限元分析，发现筒体（材质Q235，屈服强度235 MPa）与槽形扁脚（材质Q235）之间衔接强度偏低，如图8和图9，需要改为Q345钢（屈服强度345 MPa）或45号钢（屈服强度355 MPa），并进行热处理；其他构件满足强度要求。

图8 筒体应力云图

图9 带槽形扁脚的封顶应力云图

表3 防舞弹簧的设计数据

表4 防舞弹簧的计算结果

4 结语

设计了同时具有防振、防舞功能的弹簧阻尼装置，可以避免防舞相间间隔棒在使用过程中易脱落、导线断股甚至磨断。该装置中，上下两个防振弹簧比上下两个防舞弹簧高出微风振动形变量的一半及以上，在导线微风振动过程中，只有防振弹簧在工作；防振弹簧的弹簧圈直径小于防舞弹簧的弹簧圈直径，并大于轴杆外径，工作过程中不相互接触、磨损。在导线覆冰舞动过程中，防振上弹簧、防舞上弹簧或防振下弹簧、防舞下弹簧随活塞低频位移而交替受压，消耗导线舞动能量。防振弹簧和防舞弹簧不考虑金具安全系数。其固有频率不在导线微风振动和覆冰舞动的频率范围内，不会产生导线与弹簧共振现象以及弹簧自振现象。通过有限元分析，建议筒体材质应采用Q345钢或45号钢。