输电杆塔联接件的抗舞防松性能测试与分析

输电杆塔联接件的抗舞防松性能测试与分析

肖占海

内蒙古电力(集团)有限责任公司锡林郭勒电业局内蒙古锡林郭勒026000

摘要：在输电线路舞动造成的杆塔受损及其特征统计分析的基础上，通过对铁塔杆件及联接件的承载特性分析发现紧固联接件是输电杆塔抗舞性能最薄弱的环节。根据现有紧固联接件的生产、施工特点，利用现有紧固件防松性能测试方法和手段，对影响铁塔紧固件防松性能的各类因素进行系统测试和分析。

关键词：输电杆塔；联接件；抗舞；防松性能

输电线路长时间舞动除造成电气跳闸、线路停电外，还容易造成导线、杆塔受损等难以直接恢复的机械性破坏，在增加线路运行维护成本的同时，对电网供电的可靠性也带来了很大影响。通过对近１０年来全国范围内舞动所造成的杆塔损坏事故统计分析发现，舞动造成机械损坏的输电杆塔数量巨大、个别严重的甚至出现了倒塔现象。

一、杆塔联接件的舞动承载特性分析

现有输电杆塔主要是由杆件通过紧固联接件在施工现场组装而成的。当输电杆塔在导线舞动作用下产生受迫振动时，杆塔构件和联接紧固件均处于舞动引起的动态交变载荷之下。对于杆塔构件来说，材料强度和大小型号在设计阶段已经确定，受现场施工因素的影响较小，杆件的舞动承载特性主要取决于初始设计选型。前期研究表明：联接件对动态交变载荷的承受能力与其初始夹紧力有密切关系。杆塔联接件的舞动承载特性不仅与设计选型有关，而且与现场安装施工条件密切相关二因此杆塔联接件的舞动承载特性具有很大的分散性和不确定性：根据目前电网选择应用较多的是6．8级、M16的普通螺栓和单螺母组件，通过横向振动的试验方法。9对其防松性能进行测试，测试结果如图1所示。由图l可知：(1)被测的10组联接件，在初始预紧力相同、振动试验条件相同的情况下，其防松性能

图2.线路舞动损坏特征统计

二、舞动加载及测试技术

1.模拟舞动的动力加载技术，由于主要目的是对输电杆塔的舞动响应特性进

行试验研究，试验关键技术之一是如何再现覆冰导线舞动时产生的动态张拉力。因此试验过程中对舞动载荷的模拟可以通过机械加载的方式实现。有关舞动的现场观测和前期研究表明：覆冰导线舞动时，运动轨迹为竖向幅值大、横向幅值小的椭圆或者类椭圆，频率为导线竖向某个阶次的自振频率。在舞动加载装置设计时，采用以竖向振幅为半径的圆形轨迹对导线进行激振，激励幅值的大小按照相似系数和导线实际舞动幅值进行换算，激励通过电机驱动的机械装置实现。为了检验导线跨中在圆形轨迹的激励状态下能否产生与导线舞动时相似的动态张拉力变化效果，首先通过数值模拟的方式对其激振效果进行了计算，两种情况下的导线水平向张力变化对比见图３。通过与计算结果的对比分析发现：在沿导线方向上的动张力时程能够较好吻合，相应的功率谱和特征频率也具有较好的一致性。

2．测试系统的搭建与测点布置，根据杆塔动态承载特性的测试，在对输电杆塔的舞动响应特性试验中，主要测试数据包括导线张拉力、加速度响应以及杆塔构件应变。其中：导线张拉力通过在试验导线与杆塔挂点之间串接拉力传感器的方式进行测量；杆塔加速度采用电荷式加速度传感器，分别在中横担端部、横隔及其塔顶等位置进行布点测量；杆塔应变采用电阻应变片，选择带温度补偿特征的半桥电路测量方法，重点在关键部位的受压和受拉杆件上布点测量。试验系统整体如图４所示。

三、杆塔联接件防松的主要影响因素

针对目前输电线路铁塔组立的实际施工技术条件以及螺栓联接的型式，可以将螺栓防松性能的主要影响因素归纳为以下几个方面：(1)初始预紧力；(2)螺栓组件强度；(3)螺栓联接型式。除此之外，输电杆塔用螺栓组件的尺寸、镀锌工艺、安装时是否采取润滑措施等问题目前尚没有明确的规定和结论，这些因素在一定程度上也会对联接件的防松性能产生影响。

1.杆塔联接件的防松性能评估试验，现有评价紧固件防松性能的试验方法主要为横向振动试验，在对输电杆塔联接件防松性能评估时，在“机械工业通用零部件产品质量监督检测中心”开展了相关的评估试验。考虑到输电杆塔舞动条件下的承载特性，在试验条件选取时分别进行了振动频率和幅值对测试结果影响的分析，结果表明：振动幅值变化对螺栓组件的防松性能测试结果影响较大，而振动频率的影响较小。具体测试结果如图5所示。

图5振动频率和幅值对测试结果的影响

2．各类影响因素的测试分析，采取横向振动的试验方法，对影响螺栓防松性能的各种因素进行了试验和分析。①初始预紧力选择M16、6．8级的螺栓与6级单螺母的普通联接型式，在2种试验载荷下分别进行了初始预紧力为25，35，50，60kN的性能测试，在振幅为1．0mm的试验条件下，螺栓联接的残余夹紧力与初始预紧力直接相关，初始预紧力越大，防松效果越好；螺栓联接的初始预紧力在一定范围内其防松效果最佳，均能取得较好的防松效果。②螺栓强度的影响测试选择强度为6．8级、8．8级与10．9级的M16螺栓与6级单螺母的组合，在基础试验载荷、初始预紧力为50kN的条件下进行性能测试，在螺栓强度等级提高的前提下，同时提高螺栓组件的安装扭矩和初始预紧力，螺栓组件将会有更好的防松性能。③螺栓尺寸的影响测试选择强度为6．8级的M16、M20、M24的螺栓与单螺母的联接型式，同时选择螺杆长度分别为80，的6．8级M16的螺栓与单螺母的联接型式，在初始预紧力为50kN、基础试验载荷下分别进行性能测试对比，试验结果如图6所示。

图6螺栓尺寸的影响

四、联接件防松性能提升措施

通过对输电杆塔螺栓联接件的防松性能测试可知：除了螺栓强度、尺寸以及生产工艺等对其防松性能有影响外，初始预紧力、安装方法等与安装有关的因素也会对其防松性能产生影响。除防松型式外，对其防松性能影响最大的就是初始预紧力。根据上述试验结论，针对杆塔联接件的防松提出以下建议和意见：

1.针对有抗舞防松性能需求的杆塔联接件，在设计选型时可以考虑采取一定的防松型式，其中普通双螺母组合的防松型式性价比最高，但前提是确保其安装能够符合“防松性能最佳”的使用条件。

2.初始预紧力对杆塔联接件的防松性能至关重要，只有初始预紧力在螺栓组件材料的(0．5～0．7)。范围内取值时，防松效果最佳。经过对铁塔用螺栓紧固件的大量试验研究，针对不同型号、强度等级的螺栓组件提出了紧固扭矩的标准值，具体见表1。

3.为了确保联接件的初始安装扭矩和预紧力，建议在杆塔联接施工中采取扭矩扳手，或者定长扳手来确保螺栓组件的安装扭矩。通过对不同紧固件组件的预紧力和安装扭矩测试，提出的安装扭矩与对应的扳手长度推荐取值见表2。

表2不同扭矩范围推荐力矩扳手

4.考虑到人网杆塔螺栓组件的生产实际，建议建立杆塔联接的入网检测技术条件，以规范杆塔联接件的生产使用，消除不同厂家、不同批次产品之间的防松性能差异。

利用相似理论的结构建模方法，以实际舞动受损的５００kV输电塔线体系为原型，对搭建了塔线体系的缩比模型，并通过相应的激振装置来模拟实现导线舞动加载，搭建了输电杆塔舞动响应特征的试验系统。

参考文献：

[1]李诺．输电线路国内外舞动机理的分析研究.2015

[2]钱武．输电线路舞动特点及其防治措施研究进展.2015

[3]马天宇．输电线路舞动的研究.2015