帶電更換500 kV 直線轉角塔絕緣子通用工具的研制

2014-11-22 02:09:18張佰慶邵長一褚洪雷

電力工程技術 2014年6期

張偉，張佰慶，邵長一，褚洪雷

(江蘇省電力公司徐州檢修分公司，江蘇徐州 221000)

隨著電力系統電壓等級的提高，500 kV 電壓等級的輸電線路不斷增加，電力線路在路徑選擇上愈發困難。直線轉角塔（suspension angel tower）是主要以小或中等角度改變線路方向的桿塔，它的導線用懸垂絕緣子串進行懸掛。由于直線轉角塔較耐張塔造價低，節省電力走廊，可以達到節約投資的目的，因此直線轉角塔運用廣泛。目前，在日常巡視中所發現的嚴重影響線路安全穩定運行的重大缺陷，如絕緣子破損，受技術條件的限制，均是在停電條件下進行處理。國內一些單位曾對500 kV 帶電更換直線轉角塔絕緣子工具有一定研究[1]，但是這些工具均針對特定塔形或特定幾種塔形展開研究，不能滿足江蘇區域內所有塔型掛點的要求。本文提出一種通用工具，適用于江蘇省內不同塔型不同聯接方式的直線轉角塔絕緣子更換作業，并利用數值仿真計算對不同轉角情況下的工具的力學特性進行仿真分析，優化設計方案。

1 通用工具的研制

1.1 技術難點

江蘇區域內所運行維護的500 kV 直線轉角塔類型約十余種，其最大轉角度數達到20°，對工具的通用性和機械強度提出較高要求。正在運行的直線轉角塔橫擔側掛點結構各不相同，橫擔側寬度較小，無操作孔，上端工器具的安裝較困難。導線側采用上扛式和下垂式掛點，且絕緣子串有一定傾斜角度，當提升導線時絕緣子串受自身重力，使整串絕緣子產生弓形無法脫離上下掛點。

1.2 創新的作業工具研制

通過對江蘇區域內500 kV 輸電線路直線轉角塔各種塔型、絕緣子串結構、導線型號及金具組裝形式和帶電作業所需條件的分析，結合以往帶電作業經驗，針對以上技術難點，提出解決方案。

掛點側設計采用高強度鋁合金多用途卡具，使其能滿足不同掛點的應用要求。上部卡具采用扁擔卡安裝在橫擔角鐵上，利用鎖銷固定，無需操縱孔。在滿足強度要求的前提下采用鏤空結構減輕工具重量，提高工作效率。采用安裝托瓶架[2]，使絕緣子串在托瓶架下成為整體，使絕緣子串下掛點得以順利摘脫。

整體作業方案：采用扁擔卡（前卡）、可調絕緣拉板、斜卡（后卡）、起重絲杠配合組成成套承力工具。斜卡從直角掛板兩邊穿過，用銷鎖固定在直角掛板上，卡具首端上連可調絕緣拉板；扁擔卡利用橫擔處的角鐵固定，通過螺栓卡死，將起重絲杠倒裝在前卡上。安裝好托瓶架，收緊絲杠，將絕緣子串承受的拉力轉移到成套承力工具上，將受損絕緣子串解脫，更換新絕緣子串，從而消除線路缺陷，保證輸電線路通暢[3]。

2 力學分析

由于直線轉角塔所承擔的導線會偏轉一定的角度，導致絕緣子串傾斜，同時相應工具承受的水平荷載較一般的直線塔大。因此更換絕緣子的工具所受應力不均勻，其形變與傳統工具也不相同。如果僅以解析的形式給出工具的受力特性，與實際情況有很大差異，因而其結果只能定性或粗略定量，不能準確地反映工具在復雜受力條件下的狀態。而有限單元法（FEM）是一種用于連續場分析的數值模擬技術，它可以對機械、建筑結構的位移場和應力場進行分析，解決工程實踐中用解析法難以或無法解決的各種復雜問題，諸如復雜邊界條件、復雜物體形狀、非線性等等，且可以得到滿意的結果[4]。

（1）計算采用的軟件版本為Ansys10.0 版本，通過該軟件強大的前處理功能對導線及金屬卡具進行有限元建模；通過計算模塊對結構進行求解；最后通過Ansys 軟件強大的后處理功能對結算結果進行可視化顯示及分析。

線路基本參數：導線規格LGJ-400/35，計算截面積425 mm2，水平檔距450 m，垂直檔距800 m，風速30 m/s，線路最大轉角20°。

（2）考慮的荷載主要包括導線自重荷載，導線風壓荷載以及絕緣串子的自重及風壓荷載，其中風荷載取不利情況進行計算，即風荷載以水平方向為計算方向。此外，由于金屬卡具、拉桿等結構的自重相對于導線自重及風荷載而言相對較小，因而計算中并不考慮卡具及拉桿的自重。根據DL 5154—2002 架空送電線路桿塔結構設計技術規程，導線風荷載的標準值為：

式（1）中：基準風壓標準值W0=V2/1600；Wx為垂直于導線方向的水平風荷載標準值；α為風壓不均勻系數；βc為500 kV 線路導線荷載調整系數；μz為風壓高度變化系數；μsc為導線體型系數；d為導線計算外徑；Lp為桿塔的水平檔距；θ為風向與導線之間的夾角；V為基準高度的風速。

上述系數可根據具體情況按規范取值。絕緣子串風荷載的計算標準值為：

式（2）中：A1為絕緣子串承受風壓面積計算值。

根據規范規定，對構件進行承載能力極限狀態的驗算時需滿足：

式（3）中：γ0為結構重要性系數；γG為永久荷載分項系數；Gk為永久荷載標準值；ψ為可變荷載組合系數；γQi為第i 項可變荷載分項系數；Qik為第i 項可變荷載標準值；CG，CQi分別為永久荷載和可變荷載的荷載效應系數；R為結構構件抗力值。上述系數根據實際情況按規范取值[5]。

3 工作方案及工器具組合

（1）500 kV 直線轉角塔SZJ16 轉角度數較大，導線施加在絕緣子串的水平荷載也較大，因此采用如圖1 所示的直線雙串卡作為更換工具，其采用高強度鋁合金加工而成，上卡具為扁擔卡，下卡具為斜卡，都牢固可靠。此套工具能夠同時更換雙串絕緣子，工作負荷為100 kN，安全系數2.5，試驗負荷200 kN。

圖1 直線雙串卡

（2）500 kV 直線轉角塔SZJ2 轉角度數較大，導線施加在絕緣子串的水平荷載也較大。因此采用如圖2 所示的大刀卡，可以更換單串絕緣子，其采用兩個絕緣拉棒進行導線荷載的轉移，有效地承載水平負荷。它的工作負荷為50 kN，試驗負荷為100 kN。

圖2 大刀卡

4 有限元計算模型驗證卡具應力

4.1 建立受力模型

為引入工具的精確受力模型，首先做如下假設：（1）認為工具所用材料處處勻質；（2）絕緣拉板僅承受重力分布載荷及其兩端的力和彎矩；（3）同一截面上，彈性模量均勻分布，處處相等；（4）僅考慮正應力和正應變，不考慮剪切應力和剪切應變對正應力和正應變的影響[6]。

有限元計算模型包括前、后卡具部分以及絕緣拉桿。直線雙串卡具整體模型圖及局部模型圖如圖3、圖4 所示。卡具有限元模型采用8 節點六面體等三單元劃分，直線雙串卡具節點總數為25 764個，單元總數為19 984個。

圖3 直線雙串卡具整體有限元模型

圖4 直線雙串前、后卡具局部有限元模型

4.2 有限元計算及結果分析

為了觀察卡具各部位的應力分布情況，對卡具的前卡部分和后卡部分分別顯示，并且每個部分用了多個視角，從而能更全面地了解卡具應力分布。前卡和后卡[7]的應力分布云圖如圖5、圖6 所示。從圖中可以看出前卡和后卡上的最大應力為350 MPa，未超出鋁合金的屈服應力，整個工具安全可靠。但是2 種卡具的受力特點并不一樣。

圖5 前卡Mises 應力分布云圖

圖6 后卡Mises 應力分布云圖

從圖5 中可看出，前卡的受力不均勻，2個側面受力不同，在卡塊和扁擔卡的連接處和卡具轉角處受力較大，最大應力接近350 MPa，且遠大于最小應力40 MPa。這是因為前卡是通過螺栓固定在橫擔的角鐵上，其主要承受了導線傳導上來的垂直荷載和水平荷載，且不能位移。因此在前卡的設計時應當考慮增加薄弱處的機械強度，提高安全性。

而根據圖6的應力分布圖可知道，后卡所受應力較為均勻，最大應力為100 MPa 左右。這是因為后卡是直接與導線上的聯板相連，在導線的荷載作用下，其會和導線一樣發生位移，使其主要受力仍保持在拉板的軸向。因此在后卡的設計方案中可以考慮在保持足夠機械強度的前提下，采用鏤空或減下尺寸的方式減輕卡具重量提高工作效率。

對于拉桿，由于拉桿主要承受拉應力作用，并且從計算結果可以發現，拉桿的拉應力大致分布在20～50 MPa，如圖7 所示，遠遠小于其抗拉強度350 MPa，且應力分布均勻，能夠滿足作業的需要。