220 kV三跨输电线路子导线间隔棒脱落原因分析

曹先慧，欧阳克俭，陈军君，刘维可，冯超，杨涛

(1.湖南省湘电试验研究院有限公司，湖南 长沙410004；2.国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南 长沙410007；3.国网湖南省电力有限公司株洲供电分公司，湖南 株洲412000)

0 引言

跨越高铁、高速、重要线路“三跨”区段的超特高压输电线路在覆冰、风振下易发生严重舞动[1]，使线路设备安全运行存在重大隐患[2-3]，同时也对高铁、高速的安全通行带来影响。在相间加装间隔棒可以保证导线相间的安全距离，有效防止邻相导线舞动碰线和相间空气绝缘击穿故障的发生[4-7]。但工程实践表明[8-11]，在微风振动、重覆冰荷载作用下，间隔棒易发生脱落、扭曲，甚至断裂等失效故障。黎湘康[10]等对国内多条输电线路的间隔棒失效情况展开了调查，结果表明，间隔棒不能满足重覆冰等恶劣工况的服役需求。刘竹丽[12]等对四分裂间隔棒开展了非线性有限元分析及破坏试验，结果表明，线夹根部为整个结构中最薄弱环节。文献[13]指出相间间隔棒结构长度固定是导致其易发生失效的原因，并研制了一种结构长度可调式相间间隔棒。上述学者对相间间隔棒的失效原因及治理措施开展了大量研究，但对于存量大、风险高的三跨输电线路220 kV子导线间隔棒失效原因、影响因素及对策尚未进行针对性研究。

本文通过对某220 kV同塔双回失效间隔棒开展试验和数值模拟研究，对子导线间隔棒脱落原因分析。

1 故障基本情况

某220 kV同塔双回子线耐张段跨越高铁，“耐—耐”结构形式，档距为217 m。现场地形为一山头挖掘形成的双坡面路基供高铁线路通行，两基铁塔之间地形组成深“V”字型峡口，如图1所示。巡检中发现17—18号耐张段下相第2根、第4根，中相第3根、第4根子导线共计4个间隔棒一侧脱落，垂直悬挂在导线上。下相第2根间隔棒一侧脱落后滑移至高铁铁轨的正上方，如图2所示。图3为该处间隔棒脱落后的局部照片，间隔棒原始位置的铝包带依然缠绕在导线上，离松脱的间隔棒约1.6 m，紧固螺栓尚挂在间隔棒线夹孔中。

图1 现场地形

图2 17—18号耐张段下相第2根间隔棒

图3 间隔棒脱落细节

子导线间隔棒单侧脱落失效所在档导线型号为2×LGJ-300/50，间隔棒为FJQ-405轻型间隔棒，设计基本风速23.5 m/s，该耐张段间隔棒自2009年9月投运后一直保持安装状态运行。

2 间隔棒试验分析

2.1 外观检查

取样检测4个间隔棒，如图4所示，间隔棒外观未见明显的变形、裂纹、撞击、烧灼等损伤痕迹。对间隔棒外观尺寸进行检测，紧固螺栓规格为6.8级M12，其他数据见表1。结果表明，间隔棒尺寸及选用符合GB/T 2314—2008《电力金具通用技术条件》和《电力金具手册》要求。

图4 间隔棒外观

表1 间隔棒尺寸测量 mm

2.2 垫片质量检查

GB 93—1987《标准型弹簧垫圈》中规定，M12弹簧垫圈的开口处错开量H的范围为6.2 mm≤H≤7.75 mm，而4套高铁上方故障间隔棒紧固螺栓弹簧垫圈错开量H最大值仅为3.2 mm，降低了48.3%，弹簧垫圈弹性丧失量较大。另外，紧固用平垫片表面锈蚀明显，并有一定量的减薄，螺栓弹簧垫圈及平垫片如图5所示。

图5 螺栓弹簧垫圈及平垫片

2.3 螺杆和螺帽尺寸检测

依据标准GB/T 41—2016《Ⅰ型六角螺母C级》对4套螺栓螺帽进行了尺寸检测，检测结果见表2。要求螺帽厚度为10.4～12.2 mm，螺帽对边距为17.57～18.00 mm，螺帽对边顶点长度≥19.85 mm。结果表明螺帽的对边距和螺帽厚度均不合格。

表2 螺帽尺寸测量 mm

2.4 螺杆和螺帽配合间隙检测

依据GB/T 197—2018《普通螺纹 公差》规定的7 H/8g配合精度要求对4套螺栓螺帽进行配合间隙检测，检测结果见表3。结果表明配合间隙均不合格，存在螺帽内孔径偏大而螺杆直径偏小的问题，所以螺杆与螺帽的咬合力变差，易松动。

表3 螺栓螺帽配合间隙测量 μm

2.5 螺栓楔负载试验

依据标准DL/T 284—2012《输电线路杆塔及电力金具用热浸镀锌螺栓与螺母》对4套螺栓进行了螺栓保载试验，当加载到40 kN左右时，螺帽出现脱扣现象，明显低于标准规定保证荷载小于50.6 kN不脱扣的要求。结果表明，该型螺帽和螺杆的配合承载能力差。

3 列车通行影响分析

3.1 现场振动实测

采用光电全站仪、高精度望远镜等仪器，对跨越档间隔棒部位振动情况、高铁接触网与导线距离进行了现场实测，现场实测点位如图6、7所示。图8为高铁上方跨越档间隔棒部位振动观测图。经检测，高铁上方距导线距离为35 m左右。共对16列高铁通行时，导线振动量进行了观测，未见高铁通行前后跨越档上方导线振动有明显的变化。

图6 跨越档侧前方检测

图7 跨越档正下方检测

图8 高铁上方跨越档间隔棒部位振动观测

3.2 仿真计算

为进一步分析高铁通行时对跨越档内气流的影响，采用ANSYS14.0流场分析模块FLUENT建立了高铁及其通行区域的仿真模型[14-16]。考虑仿真资源，计算域取220 m×100 m×400 m的空间，列车位于计算域正中间。列车通过部分采用动网格技术中的光滑化方法(Smoothing Methods)和局部网格重生成方法(Local Remeshing Methods)。列车运行速度300 km/h，匀速通过。列车入口采用压力入口边界条件，入口处相对总压为0；出口采用压力出口边界条件，出口相对静压为0；结构物表面及地面采用无滑移壁面条件，高铁仿真模型如图9所示。

图9 高铁仿真模型

高铁运行气流旋涡变化涡量和随机风速分布结果如图10—11所示。图10中所截取的三个平面的法向均与列车轴线平行，分别位于距列车尾部0 m、40 m、80 m处。在距列车尾部0 m处的截面中，可以清晰地看到左右两个漩涡，这是由来自列车左侧和右侧的气流在此汇聚碰撞所形成。图11为列车通行的随机风速分布图，在距列车尾部0 m处的截面中，可以看出左侧的脉动风速较大，且呈现出L型分布，与列车轮廓左侧轮廓一致。由此可知，气流对涡量和随机风速两个参数的影响高度均在10 m左右，说明高铁通行对其上方气流的影响局限在10 m范围内，这与现场监测情况吻合。

图10 高铁运行气流旋涡变化涡量图

图11 高铁运行气流随机风速分布图

4 山地峡口地形风振分析

故障现场地形为一山头挖掘形成的双坡面路基，两基铁塔之间组成深“V”型峡口地形。峡谷风的主要特点是气流加速[17]，图12为典型峡口地形的平均风速剖面特征。可以看到，峡谷相对于单山脉与平地，其近地0～50 m高度风速空间分布呈现出显著的不均匀性，在迎风坡山脚和山后尾流区风速变化幅度更为剧烈。来流沿高度的风速差作用在输电线上下缘，将更易产生卡门漩涡，交替脱涡造成输电线上下振动。

图12 峡口地形的平均风速剖面

5 结语

通过对间隔棒的检查试验、现场振动检测及仿真分析，得到结论:

1)间隔棒外观未见明显的变形、裂纹、撞击、烧灼等损伤痕迹，可排除外荷载破坏的可能。

2)间隔棒运行8年后紧固螺栓弹簧垫片错开量严重降低、平垫片锈蚀明显，造成螺栓紧固力减弱、抗振性能下降。同时，螺杆和螺帽配合间隙超标，这些质量缺陷使得螺栓易松动。

3)通过对跨越点高铁通行时的现场实测和仿真计算来看，高铁通行气流影响高度在10 m范围内，对导线振动的影响有限。

4)故障现场地形为一山头挖掘形成的双坡面路基，两基铁塔之间地形组成深“V”型峡口，这一特殊地形的输电线路导线更易发生风致振动。

5)间隔棒的两个线夹在振动作用下逐渐松动后慢慢往弧垂低处滑移，滑移过程中螺栓从螺帽中脱出，间隔棒一侧线夹失去对导线的夹紧力，最终导致间隔棒单侧掉落。

因此，为防止“三跨”输电线路间隔棒单侧掉落，建议:

1)对于新建线路宜采用具有自耗能减振性能的FJZ阻尼型间隔棒，在微风振动多发区域采取开口销或双螺母等防松保护措施。

2)加强基建工程入网检测，确保紧固螺栓质量符合标准要求。

3)加强“三跨”输电线路间隔棒的运行巡视，采用无人机、全站仪等方式重点跟踪关注，如发现隐患点恶化应立即处置并结合检修进行消缺。