保护金具设计知识

时间：2023-10-26 百科知识版权反馈

【摘要】：防振锤是用来抑制导线微风振动用的锤型组合件。设计优良的防振锤，一般可使振动应力减小90%以上。防振锤的设计涉及到振动的各种因素，现扼要叙述如下。这就是防振锤要覆盖的频率范围。在防振设计中，若架空线振动强烈时，一个防振锤不足以将此能量消耗至足够低的水平，就需要装多个防振锤。直线塔安装6个12．6kg斯托克布里奇防振锤，防振锤安装间距1．07m。为了使防振锤在这“某一范围内波动”实现一定的防振作用。

第三节　保护金具设计知识

一、防振锤设计

防振锤是用来抑制导线微风振动用的锤型组合件。设计优良的防振锤，一般可使振动应力减小90%以上。防振锤的设计涉及到振动的各种因素，现扼要叙述如下。

图5-31　锤头运动简图

1．锤头重心和防振锤的频率

图5-31所示为锤头运动简图，图中O点为重心，O′为锤头固定点，A为线夹对吊索的固定点，Ua为防振锤的垂直位移，x_a为锤头重心垂直移，φ_a为锤头绕重心而旋转的角位移。也就是说，有两个谐振频率：一个是重锤以A点作上下移动，另一个是重锤绕重心O而旋转。为简化起见，在分析中把这两种运动分别考虑（分为一频振动和二频振动），成为两个单自由度的运动。

（1）一频振动，假设在一悬臂梁的终端，外力作用在重心上而产生移动，如图5-32（a）所示。一频振动的自然频率f₁（单位：Hz）为

图5-32　防振锤的频率

（a）一频振动；（b）二频振动

式中：M为（一个）锤头的重量（单位：kg）；K为钢吊索的刚度（单位：N/cm）。K值是可以通过简单的试验方法：一端夹紧，另一端加荷载的方法来求得。但在一般的挠曲范围内，也可以利用下面的经验公式计算：

若假定线股间完全无摩擦，则Jm的计算为

现假定考虑线股间有部分摩擦，则采用一个系数（取1．4），这时J_m的计算成为：

以式（5-4）验算现有防振锤的频率，具有很高的准确性，故推荐采用此式。

（2）二频振动，假设在悬臂梁的终端，外力矩作用在重心上而产生的旋转，如图5-37（b）所示。其二频振动自然频率f₂（单位：Hz）为

上述二频振动、一频振动的比值f₂/f₁，一般为3～5。

2．防振锤的重量及其钢吊索

防振锤的重量包括两部分，即线夹和吊索的重量，称之为死重，另一部分是防振锤的锤头重量，称之为活重。根据试验，防振锤的活重应相当于1/2～3/4λ（λ＝v/D×0．185）振动波长的导线重量，波长的计算按平均风速3．61m/s。死重的允许值不大于活重的0．3倍。

钢吊索，对防振锤性能至关重要，其刚度影响防振锤的谐振频率，其迟后特性决定着防振锤吸收功率的能力，迟后回线图可通过试验得出。

3．防振锤的频率覆盖要求

防振锤的频率覆盖要求，即导线的振动的频率范围。为了简便，一般都采用下式估算频率，即：

这时若取防振锤适用范围内最大直径的导线，以风速1m/s代入，即为频率的下限；再取适用范围内最小直径的导线，以风速7m/s代入，即为频率的上限。这就是防振锤要覆盖的频率范围。

4．防振锤的安装设计计算

应用防振设计的“能量平衡观点”处理微风振动问题是一种比较科学的方法。但其计算工作量大，而更关键的问题是如何确切地掌握这些能量的量，仍然是有待进一步研究的课题，因此这一方法尚未得到广泛采用。故下面介绍习用的防振设计方法。

（1）防振锤的类型及型号选择

防振锤的类型及型号选择，见表5-7所示。

表5-7　防振锤的类型及型号选择表（部分）

（2）防振锤的数量

防振锤的数量不仅与档距内导线的振动水平有关，而且与风给导线的振动能量、与导线所处的地形、导线的档距、导线的直径等因素有关。但风给导线的能量越大，则所需防振锤的数量也就越多。在防振设计中，若架空线振动强烈时，一个防振锤不足以将此能量消耗至足够低的水平，就需要装多个防振锤。

为了设计方便，防振锤的数量，可根据架空线型号（或直径）和档距长度按表5-8选择。

表5-8　防振锤安装数量（档距每侧）　单位：mm

一般采用1～3个，大跨越甚至要用6～7个。如英国跨越Thanes河，档距1571m，采用光滑型钢芯铝线，线的结构为铝36/4．06＋74/3．38，钢芯90/3．2＋1/3．25，最大使用张力135kN。直线塔安装6个12．6kg斯托克布里奇防振锤，防振锤安装间距1．07m。耐张塔安装4个13．6kg的防振锤，安装距离亦为1．07m。

（3）防振锤的安装距离

防振锤宜装在架空线接近“波腹”点处，以便使最大限度地消耗振动能量。事实上，由于不同风速，对应的架空线可能出现的振动频率及波长也会在某一范围内波动，并非一个定值。为了使防振锤在这“某一范围内波动”实现一定的防振作用。这就要求防振锤的安装位置既能保证在最大波长，又保证能在最短波的情况下起到防振的作用。这样一来，也对振动的中间频率波段自然保证其防振的作用。

二、阻尼线防振设计

1．阻尼线防振原理

架空线振动时，固定在架空线上的阻尼线也相继振动。振动会引起导线及阻尼线线股之间产生摩擦而消耗部分能量；另一些振动能量中振动波通过阻尼线与导线的连接点，发生反复折射，使档内的稳定振动遭到破坏，振动能量逐渐消耗掉。也就是说，阻尼线花边随着导线振动而发生振动，该段阻尼线将把导线的振动能量消耗掉。此时，阻尼线的固有频率可按式（5-9）计算

惯性矩I的计算和测试均较困难，可粗略地按式（5-10）计算：

2．阻尼线花边数及安装距离

一般依档距大小而定，对一般线路普通档距下，每侧多采用两个花边（3个夹子），500～600m的大档距距每侧3个，随着档距增大，有采用3～5个或更多个花边，有的国家已达10个花边数。

一个花边，将阻尼线与导线一个连接点设在靠近线夹第一个最小波长的最大波腹处，即S₁＝λ_min/4，而外侧大第一个连接点设在第一个最大波长的最大波腹处，S₁＝λ_max/4。

二个花边，采用每侧二个花边时，花边安装距离的计算方法有如下4种。

美国戴维逊方法，第一个连接点x₁（见图5-33）设在第一个最小波长的1/4～1/8之间，第三个连接点x₃设在（1/4～3/8）λ_M处，第二个连接点设在第一个与第三个连接点的中间，即S₂＝S₃。

图5-33　每侧采用2个花边轮时的阻尼安装图（中间一个花边不等）

推荐法，根据原水电部电科所1964年推荐对一般档距阻尼线总长可取7～8m左右，在架空线线夹两侧分别设三个连结点，第一个连接点距线夹中心为第三个连结点，距设在距线夹中心为（1/4～1/6）λ_M（即位于最大半波长“波腹点”附近）；第二个连接点则设在第一与第三个连接点的中间位置上。其计算方法如下：

计算法，根据阻尼线的自阻尼振动特性，考虑阻尼线的自重，抗弯刚度（EJ）、衰减系数等因素选择阻尼线夹子大安装距离，计算方法如下：

防振锤等距法，即根据防振锤的等距安装设计计算方法来计算阻尼线夹子的安装：

3．阻尼线花边的弧垂

阻尼线的花边具有一定弧垂，一般地说花边弧垂大小对防振效果影响不大，一般取50～100mm，也有较大的，约为边长的1/10。

4．阻尼线的安装

我国某些大跨越采用与导线同样型号的线材作阻尼线，分流情况比较严重，甚至与导线流过的电流相当，因而对那些出现电阻大的连接点会有可能产生过热而烧伤导线。为此，目前采取在阻尼线与导线连接点处除一点直接与导线连接外，其他连接点均通过绝缘与导线隔离。连接点的固定，多采用钢丝缠扎，其缠长一般为100mm左右，扎后涂上红丹及防锈漆。采用滑轮线夹时，阻尼线使用夹子固定，夹子具有释放机构，断导线时阻尼线能自动落地。

阻尼线的安装原则与防振锤基本相同，缠扎点的位置应照顾到导线出现的最大或最小波长时均能起到消振作用来决定花边长度。

阻尼线与导线的连接，应考虑到阻尼线对导线电流的分流问题。当阻尼线流过的电流过大时会对电阻值大的连接点产生过热而烧伤导线。目前采用的办法是在阻尼线与导线连接处，除一点直接与导线连接外，其他连接点均通过绝缘与导线隔离。连接点的固定，国内多采用铁丝缠扎，其缠绕长度一般为100mm左右或用U形卡子固定，扎后应涂上红丹及防锈漆。个别的也有用铜丝缠扎。采用夹子固定方式主要用在滑轮线夹上，夹子应有释放机构，以便断导线时，阻尼线能自动脱落。

5．世界各国对阻尼线加防振锤的联合防振设计事例简介

为了适应实际需要，输电线路的大跨越工程，采用防振锤、阻尼线构成的联合防振方法。世界各国对阻尼线加防振锤的联合防振设计也有不少事例。

（1）中国对阻尼线加防振锤的联合防振设计事例

镇江长江大跨越，档距1289m，导线为GJ-118钢绞线，阻尼线线材与导线相同，装4个阻尼线花边和2个8．6kg重的防振锤，其布置如图5-34所示。

图5-34　镇江长江大跨越防振布置

500kV江阴长江大跨越工程，跨越方式：耐—直—直—耐；直线档距2 303m，耐张档距700m；导线采用4分裂的钢芯铝合金线（AACSR-500）；地线采用单根铝包钢绞线（AC360）；光缆采用R芯OPGW350型。跨越塔高346．53m。防振锤、阻尼线和护线条联合防振设计见图5-35所示，材料配置见表5-9。

图5-35　500kV江阴长江跨越工程一地线直线档防振方案（材料配置见表5-9）

（国家电力公司华北电力设计院）

表5-9　500kV江阴长江跨越工程—地线直线档防振方案材料配置表

（2）国外对阻尼线加防振锤的联合防振设计

英国跨越Thanes河，档距1 571m，采用光滑型钢芯铝线，线的结构为铝36/4．06＋74/3．38，钢芯90/3．2＋1/3．25，最大使用张力135kN，直线塔安装6个12．6kg斯托克布里奇防振锤，防振锤安装间距1．07m。耐张塔安装4个13．6kg的防振锤，安装距离亦为1．07m。

日本中四干线跨越2 357m大档距，导线为铝包钢线54/3．2，钢芯37/3．2，最大使用张力30QkN，缠绕两层预绞丝护线条，再装阻尼线和4个斯托克布里奇防振锤，如图5-36所示。

图5-36　日本中四干线2 357m大跨越防振布置

三、重锤设计

重锤是悬垂线夹不可分割的附件，所以在设计悬垂线夹时，总是同时考虑重锤和重锤挂架以及挂架与悬垂线夹的连接方法。重锤被利用的是其重量，可以用灰铁铸造，不必计算强度。

1．高压架空输电线路使用重锤的情况

（1）直线杆塔悬垂绝缘子串的风偏角超过允许值，对杆塔绝缘间隙不足时；

（2）直线杆塔悬垂绝缘子串或避雷线悬垂组合产生上拨时；

（3）采用直线杆塔换位，悬垂绝缘子串向塔身偏移，对杆塔绝缘间隙不足时；

（4）旧线路升压运行而致使对杆塔构件绝缘间隙不足时。

根据上述各种情况的偏移角，计算出所需增加的垂直荷重值，在绝缘子串下面悬挂重锤。

2．设计重锤应考虑的问题

（1）片数要可以任选，每片重量不要太大，一般一个人可以拿起为宜，相邻片间应有嵌合部位；然后挂架由每片中间的孔穿过，串在一起。因此，挂架应与几种长度相适应。

（2）为避免过分扩大带电部分的范围，重锤外廓尺寸要尽量小。

（3）超高压线路的重锤最好屏蔽在导线束之内，以免产生电晕，且不扩大带电部分范围。

如将重锤放在导线束之外，则需考虑防电晕问题。

3．重锤组装和悬挂方法设计

重锤的组装及悬挂方法有两种形式：一种是圆形重锤片的组装及悬挂；另一种是梯形重锤片（四分裂导线上使用）。

四、间隔棒的设计

1．对间隔棒的基本要求

（1）间隔棒的防电晕

间隔棒的防电晕主要靠其本身的造型，而不是另装屏蔽环，这是因为它的框架部分可藏在线束内部，暴露在外的线夹部分应做成防电晕的流线形，以避免电晕。

（2）阻尼间隔棒必须具备的基本性能

阻尼间隔棒利用橡胶垫在关节处产生弹性，吸收能量。并也要求具有耐磨性能好、硬度适中等优点。但最主要的问题是对关节橡胶垫的要求，这里不包括间隔棒线夹内的衬垫。因此，所采用的橡胶必须具备以下一些基本性能：①适应能温度范围为：-40℃～＋90℃；并要求在-40℃的温度下还具有弹性，且刚度模数不大于＋20℃时的两倍。②由于安装在高压输电线路的带电导线上，检修维护不方便，应具有良好的抗老化能力，耐用时间长（一般要求在25年以上）。③具有很好的耐光、耐候、耐热及耐寒性能，同时也因经常产生电晕，还需有很好的耐臭氧性能。④硬度及磨性能要求，国内外比较认可的参数是邵氏硬度A60左右；磨性能要求，国外（如加拿大）规定，通过常温及低温条件下的疲劳试验验证，振动频率2Hz左右，连臂的振动角±5°～±15°，振动次数10⁷次。⑤对采用橡胶做阻尼元件或做夹头防松件的间隔棒而言，橡胶应具有一定的导电性能，以防止在子导线之间的不平衡电压作用下橡胶元件发热损坏。⑥橡胶压缩量：橡胶允许的最大压缩量为50%，一般使用中的橡胶要求厚度压缩不大于原厚度的39%。

（3）间隔棒应具有充分的活动性

以避免由于导线的振动、振荡、弛度差及不均匀覆冰时，夹头附近的导线出现高应力疲劳而不被损坏。

（4）构造应简单

在导线上容易安装和拆卸并须满足：保持子导线之间有一定的间距；线夹握力有足够的握力；安装在导线上，应能使飞车通过；间隔棒各部分的耐摩擦性能好；使用容易掌握紧固牛矩的螺栓，为了获得稳定的握着力，应使用蝶型弹簧；在安装作业时应有防止螺栓和垫圈脱落的措施等。

（5）机械性能好

分裂导线间隔棒的机械强度应能承受导线覆冰不平衡张力（如仅单根覆冰）、次档距振荡及单根导线上人在子导线之间产生的拉、压力。考虑到可能出现的严重后果情况，相关资料推荐该强度应不低于400N。

2．间隔棒安装距离设计原则

如何合理地安排间隔棒的安装距离，是一个值得研究的问题。目前国内外已广泛采用按不等次档距布置，即根据《电力工程高压送电线路设计手册》所推荐的关于间隔棒的安装距离所拟定的原则，现说明如下。

（1）第一次档距对第二次档距（或倒第一对倒第二次档距）的比值宜选在0．55～0．65左右。此外，间隔棒不宜布置成对于档距中央呈对称分布。

（2）端次档距长度，对阻尼性能良好的间隔棒可选在25～35m范围。

（3）最大次档距长度，对阻尼性能良好的间隔棒，一般不宜超过80～90m，对阻尼性能一般或非对阻尼型间隔棒一般不超过60～65m。

五、均压环和屏蔽环设计及安装

1．均压环和屏蔽环的材料

均压环和屏蔽环材料，一般由圆管弯成，圆管可以是钢管，也可以是铝管。钢管须采用无缝钢管，一般只在变电所使用。采用钢管制作存在热镀锌的作业问题，如果管子全封闭，则在镀锌时管内的空气受热膨胀，有造成爆炸的危险。为此，国外有的采取开一些10圆孔的办法，使锌液、可进可出，有的也在镀锌前钻一个3的小孔排气而进锌。

2．均压环和屏蔽环的结构设计

环的形状，主要根据被屏蔽物的形状采用圆、椭圆、近方形圆，近桃形圆等形状。

对于均压环，因为套在绝缘子串的外面，为了使用方便（装、卸是不必卸开导线），国外采取开口圆环的形式（开口约距离100mm，管端饰以半球）。

3．利用分裂导线自行均压和屏蔽的设计

采取抬高分裂导线的位置，利用两根上导线来代替均压环的布置方式，以便缩短绝缘子串，也即缩小塔头降低塔高，省去均压屏蔽金具的设计概念。

设计用于500kV线路的防电晕线夹，在结构设计上，因左侧的喇叭形线夹可以既作上扛又作下垂、右侧的上扛式线夹U形螺栓朝下，下垂式线夹则U螺栓朝上，这样一来就可以避免螺栓头外露。但在组装中，应注意将主穿钉的方向半圆头朝外，从而避免电晕。对于上扛式线夹，因在组合中考虑其代替均压环的上导线顺线路无限延长，当上导线上升到与第一片绝缘子的瓷裙相平时，第一片绝缘子的电压分布将会降至7．8%，这就相当于均压环的效果，达到了均压的要求。

4．均压环、屏蔽环的安装

均压环、屏蔽环的强度，我国基本没有规定，一般应考虑能承受一个安装检修工人（规程也规定，在安装检修时不要踩踏）的体重即可。

因金具表面的毛刺、麻点、缩松和割口等都会产生电晕，所以在制造加工中应注意表面修整“光滑无毛刺”。

六、招弧角的设计与安装简介

招弧角（arcing horn），《金具术语》（GB 5075-85）定义为：防止电弧沿绝缘子表面闪络的角状金具。由于招弧角在国内偶尔有采用的事例，且国际招标中还常包括这一项目。因此，有必要介绍。

1．招弧角的作用

招弧角一般安装在绝缘子串的两端，当发生过电压事故时，空气间隙先于绝缘子串被击穿，工频电流将由空气跃过而不经过绝缘子的沿面。这样，将提高绝缘子的使用寿命。但研究表明，由于沿面闪络的快速切断，因而对绝缘子的损害并不严重。对于69kV及以下电压等级的线路因绝缘子串短，可省去招弧角；尤其220kV以上的超高压线路，因有防电晕要求，将安装均压环，兼备了招弧角的作用，即不再另装招弧角。因此，大多数国家都很少使用招弧角，但日本及南亚各国仍使用招弧角。中国也有极个别杆塔上因过电压保护的要求时，才装设招弧角。

图5-37所示国外在154kV线路上为了不使绝缘子因雷击而被破坏，安装角形招弧角的情况。

图5-38所示为角型保护器（类似招弧角）和绝缘子串组装实景。