特高压输电线电力金具磨损研究现状

特高压输电线电力金具磨损研究现状

王国强 王培琳

国网阿克苏供电公司输电运检中心 新疆阿克苏 843000

摘要：电力金具是输电导线传递自身质量到铁塔上的关键枢纽，在传递过程中受到导线和铁塔所加载的作用力与反作用力下，金具的表面形状在相互接触的摩擦作用下逐渐遭到连续的破坏。金具相互之间的摩擦是一种不可逆转的过程，最后必然会导致接触表面材料的丧失与迁移。金具的摩擦磨损受到的影响因素众多，如腐蚀、高温作用和电流、磁场的作用。

关键词：电力金具；强风；沙尘；腐蚀；覆冰；大温差

引言

对近年来我国输电线路电力金具磨损的研究现状进行了综述。介绍了不同介质环境中电力金具磨损的研究现状，分析了金具的各种改进方案的优点和不足之处，并对电力金具磨损问题未来的研究方向提出了建议。

1概述

电力金具作为电网系统中连接悬吊绝缘子串和其他部件的常规有效连接装置，在电网安全稳定运行中起着重要的作用。2008年12月3日某地220kV向方线金具和2011年4月29日某地220kV116号杆塔金具的断裂，给电网的安全运行带来极大的隐患。通过近两次电网金具断裂的对比分析，研究了金具断裂的主要影响因素，总结了金具的不同失效模式，并提出具体的预防措施。

2金具分类及使用现状

连接金具根据使用条件和结构特点，分为三大类：球—窝系列连接金具，该类为专用金具，与球窝型结构的悬式绝缘子配套使用，包括各种球头挂环、碗头挂板等，该类金具的优点是没有方向性，挠性大，可转动，装卸方便；环—链系列连接金具，该类为通用金具，结构简单，转动灵活，不受方向限制，受力条件好，包括U型挂环、直角环、延长环、U型螺丝等；板—板系列连接金具，该类为通用金具，包括平行挂板、直角挂板、U型挂板、联板、牵引板、调整板等。按照国家标准“电力金具”GB2314—2000~GB2345—2000选用，金具经热浸镀锌处理，强度安全系数运行情况不小于2.5；《金具手册》标准要求ZS-7挂板单板厚度应为6mm；该挂板由于连接方向互成直角，因此变换灵活，但是在运行中主要承受机械载荷，长时间使用容易产生断裂，直接导致绝缘掉串，从而导致线路断线。国家标准对于各种连接金具的结构型式、材料、工艺、标称载荷、连接型式等均有相应规定。连接金具承受机械载荷，应有足够的机械强度、耐磨性和耐腐蚀性。

3电力金具抗磨损的改进方案

随着输电线路由金具磨损导致的事故越来越多，大多数学者都提出了一系列改进方案。总体来说，输电线路金具抗磨损的改进方案主要从两方面进行：金具内部材料和表面改性处理、金具结构和连接方式的优化。

3.1电力金具内部材料和表面改性处理

提高金具的抗磨损性能，首先考虑的是用高强度耐磨损的材料进行替代，或者对金具表面进行处理，达到延长使用寿命的目的。潘丹青等采用碳氮共渗的方式对金具材料进行低温回火处理。研究表明，这可有效提高金具的抗磨损性能，将原始A3钢经处理之后，可大幅提高硬度，其抗磨损性能可以提升40倍；在原始结构上添加二硫化钼作为润滑剂，可提高抗磨损性6000倍。陈军君等针对输电线路中金具的腐蚀严重的问题，发现腐蚀引起金具失效的形式为强度降低、截面剩余尺寸减小和材料韧性减低；同时提出了对金具表面进行镀锌层处理，并且查阅相关资料，对镀锌层的厚度做出了要求，对于使用年限在30年以上的，应控制在192～300%μm，通过表面改性可以达到最佳防腐蚀的目的。

3.2电力金具结构和连接方式的优化

针对特殊地区发生急剧磨损的情况，需要对金具结构和连接方式进行特殊的优化处理。孙玉堂针对悬垂线夹易磨损问题进行了研究，并提出加大U型环接触面积的方法来提高使用寿命的改进方案。陈建航提出金具连接方式由单个线夹连接转变为两个线夹共同作用，这样可减少50%的承受力，进而实现降低U型挂环的磨损程度。汪旭旭针对三峡地区500kV地线悬垂线夹磨损严重的问题，通过建立不同工况线路模型，得到引起磨损的因素；并且提出表面镀铝或者高碳钢，同时采用耐磨衬套的方案来延缓磨损的发生。赵留学提出高压输电线路悬垂线夹抗磨损的方案，首先选择增大金具尺寸，然后选择双线夹的连接方式，来延长使用年限。廉志新等采用增加接触面和增加悬垂线夹耳板厚度的方式来降低金具磨损量。吴国宏指出在大温差的环境中，为防止金具的冻裂，需要在金具设计时满足间隙要求，同时预留排水孔。

3.3优点与不足

输电线路电力金具一般都是在多载荷、强风沙尘、大温差以及腐蚀等多因素耦合下发生失效的，现有的设计方案往往是针对某一因素进行改进，以达到暂时延长使用期限的目的。例如，表面改性等方案只是提高表面耐腐蚀等性能，对于金具在大载荷下的强度影响没有进行考虑；改变连接方式只是减低单个金具的承受力或者增大金具接触面积，针对大温差引起的冻裂等失效没有进行考虑。综上，随着特高压输电线路建设的越来越普遍，穿越的环境越来越复杂，单一因素的研究已不能满足对磨损机理的研究，所以要从根本上解决电力金具干摩擦磨损的问题，未来电力金具的改进方案应考虑交叉相互影响的作用。

4结语和展望

从总体上来看，特高压输电线金具磨损的研究工作获得了长足的发展，在强风沙尘、覆冰、大温差和腐蚀方面进行了磨损机理的探讨，并且建立了相关的数学模型进行可靠性的分析。但是，随着特高压电网系统的完善，在多因素的耦合作用下，电力金具的失效变得更加频繁，所以针对未来对特高压输电线金具磨损的研究，有以下几个方面：

4.1优化金具的材料和连接方式

现在的金具往往是可锻件或者可铸件，耐磨损性能一般，一方面可考虑在材料中添加稀土元素或者表面进行改性，提高金具的耐磨损性能；另一方面可在金具薄弱环节进行局部加强处理，以达到耐磨损的目的，进而增加金具的使用寿命。

4.2强风、沙尘暴、大温差和腐蚀等多因素耦合的极端环境下输电线路金具磨损行为的研究

国内外在常规低温、高湿度等典型恶劣气象环境中输电线路设备已达到较高水平，但是针对极端苛刻条件研究较少；随着我国电网系统的完善，大跨度的输送电能成为不可避免的趋势，多种因素交互作用下引起金具磨损已成为更加亟需解决的难题。

4.3建立多因素作用下输电线路金具的耐磨寿命预测和可靠性分析

针对输电线路金具磨损缺乏系统观测数据的问题，通过构建实验模型，可得到较完善的实验数据，进而建立寿命预测模型和可靠性分析，以为处于苛刻地区的输电线路金具的设计、检修和维护提供依据。

结语

从总体上来看，特高压输电线金具磨损的研究工作获得了长足的发展，随着特高压电网系统的完善，在多因素的耦合作用下，电力金具的失效变得更加频繁。目前还没有很好的方法对运行线路金具进行监测，为防止类似事件发生，只能通过金具的出厂验收、安装过程来进行预防和检查。但是在实际运行中处于复杂的工况，受到微气象、导线舞动、风偏等的影响，受力情况复杂，容易产生复杂交变载荷下的失效断裂。

参考文献

[1]魏光国．国有电力金具企业现状分析及改进建议[J]．科技传播，2011(23)：65-66．

[2]杨胜平．预绞丝金具产品质量控制及其特点分析[J]．电力设备，2006(9)：55-57．

[3]肖海东，杨暘，高虹亮，等.500kV架空地线耐磨金具的研究［J］.水电能源科学，2010，28（6）：118-120.