一種新型可調節更換耐張單片絕緣子萬用后備保護卡具的研制

譚力 徐坤 梁煜曉 陳永德 曾臻 唐光輝

摘 要：在輸電線路運行當中，當玻璃絕緣子串中出現零值絕緣子時，絕緣子就會發生自爆。如果剩余的良好絕緣子片數不能滿足絕緣要求時就會危及輸電線路的安全穩定運行，因此需要停電或帶電對零值絕緣子進行更換。但是現有的更換絕緣子的卡具需要根據絕緣子碗頭型號大小來選用，同時由于不同廠家生產出的絕緣子碗頭可能大小不一，有時則需要定制卡具，費時費力。故研制一種新型的帶保護機構的萬用工具來解決此問題。該工具能有效提高更換效率，降低勞動強度，增加施工的安全性。

關鍵詞：輸電線路;更換絕緣子;保護機構;萬用工具;降本增效;安全

引言

在輸電線路運行當中，當玻璃絕緣子串中出現零值絕緣子時，絕緣子就會發生自爆。如果剩余的良好絕緣子片數不能滿足絕緣要求時就會危及輸電線路的安全穩定運行，隨著國網輸電線路的日益完善，電力公司對線路的檢修、技改工作量也相應增加。因此需要停電或帶電對零值絕緣子進行更換的工作量也逐年增加，根據《電力安全工程規程》提出的安全施工要求，本文提出了一種新型的帶保護機構的萬用工具，以提高施工的安全及效率。

1萬用后備保護卡具的構成

萬用后備保護卡具是基于傳統更換絕緣子的方法進行研制的，可適用于一定范圍內變化的絕緣子鋼帽，并且具有后備保護裝置，能夠大幅度增加卡具的通用性與安全性。

萬用后備保護卡具主要是由可調節卡具主體、傳動絲杠、后備保護裝置、轉軸、鎖緊螺母等元件構成。

考慮到輸電線路更換絕緣子的的重要性和難度，對萬用后備保護卡具進行了研究設計和改進。

1、根據更換絕緣子工具的基本原理，需要萬用后備保護卡具能夠對絕緣子的卡點有較好的包容性以保證安全。

2、根據絕緣子的外型尺寸，需要萬用后備保護卡具能夠進行一定的調節，以適應不同尺寸的同級別絕緣子。

3、在絕緣子更換的作業中，需要萬用后備保護卡具能夠拆裝方便，操作可靠簡單。

4、由于需要適應不同尺寸的絕緣子，使用頻率較高，考慮選用高強度材料，增加安全性，降低風險。

5、盡可能的減輕重量，方便攜帶和高空操作。

2萬用后備保護卡具的工作原理

各個廠家生產的絕緣子由于生產工藝及誤差的影響，尺寸都有一定的差別。參考絕緣子更換的原理，如圖1所示，影響絕緣子更換的關鍵尺寸為D、φ和D1。通過對不同廠家的生產的同噸位絕緣子的研究測量，發現了這些關鍵尺寸有以下的共通性：

1.D尺寸：D尺寸的變動范圍為大約在10mm內;

2.φ尺寸：D-φ的值基本相同;

3. D1尺寸：D-D1的值基本相同。

通過以上研究結果不難發現，如果絕緣子更換工具能滿足不同絕緣子的D尺寸，那么可以確定此工具可以通用。

圖2為后備保護裝置示意圖，兩端連接與卡具上，待更換絕緣子時內滑竿隨絲杠收緊一起回收，當絲杠脫開時，內滑竿與外滑竿靠限位塊來限制，保證卡具不會脫開。

3萬用后備保護卡具的結構設計

萬用后備保護卡具應用于輸電線路更換絕緣子，因此在外形上不能做太大的改變，需考慮安裝及強度等問題。根據施工現場的使用情況，萬用后備保護卡具外形結構設計如下圖所示。

4萬用后備保護卡具的選材

根據現在市面上常用的金屬材料，可供選擇的材質及機械性能見表1。

由表1可知，40Cr、7A04、TC4三種材料的機械強度都較高，對于鋼材40Cr及鈦合金TC4的機械性能σb及σs很接近，鋼材40Cr的比重比鈦合金TC4高1.8倍。鈦合金TC4力學性能σb及σs較鋁合金7A04增加了1倍左右;鋁合金7A04的工藝性及加工性要比鈦合金好，且價格便宜。經過性能及性價比對比，最終確定了以下設計加工方案：

（1）可調節卡具主體選用TC4鈦合金材料。鈦合金TC4比重比鋁合金7A04大1.6倍，但力學強度均為鋁合金的2倍多，做成的卡具除長度尺寸外，其他外形尺寸均比鋁合金卡具小一半，整體重量反比鋁合金卡具輕，另外由于外形尺寸小，使用時需要的安裝空間小，操作也相對方便的多。

（2）傳動絲杠選用40Cr優質合金鋼材料。40Cr合金鋼加工性能好，強度高，剛性強，是加工絲杠最合適的材料。

（3）后備保護裝置選用鋁合金材料。經過受力分析，后備保護裝置可以選用航空用超硬鋁合金，此材料重量輕，強度高，加工方便且降低成本。

（4）其余主要受力件均采用40Cr優質合金鋼材料，增加安全性。

5強度計算[1]

通過模擬工況進行強度計算，分析計算結果，用以驗證160kN萬用后備保護卡具是否能滿足前期設想的功能，取得理論依據。

根據卡具受力情況，簡化力學模型[2]：

由上圖可以看出，在A-A截面處有最大彎矩，故對此截面進行計算為主。

A-A截面處的強度計算：

A-A處的截面結構如下圖

經計算該截面慣性距為：Ia=494333.333mm4

則該截面的抗彎截面模量為W=Ia/23=21492.75361mm3

施加于該截面上的彎距為：

M =（P/2）×210×3=（45000/2）×210×3=14175000N.mm

則該截面上的彎曲應力為：

σ=M/W=659.6<σs=824Mpa

B-B截面處的強度計算：

B-B處的截面結構如下圖

經計算該截面慣性距為：Ia=444944.667 mm4

則該截面的抗彎截面模量為W=Ia/23=19345.3913mm3

施加于該截面上的彎距為：

M =（P/2）×125×3=（45000/2）×125×3= 8437500N.mm

則該截面上的彎曲應力為：

σ=M/W

σ= 437Mpa<σs=824Mpa

C-C截面處的強度計算：

C-C處的截面結構如下圖

經計算該截面慣性距為：Ia=300712.000 mm4

則該截面的抗彎截面模量為W=Ia/23=13074.43478mm3

施加于該截面上的彎距為：

M =（P/2）×83×3=（45000/2）×83×3= 5602500N.mm

則該截面上的彎曲應力為：

σ=M/W

σ= 429Mpa<σs=824Mpa

D-D截面處的強度計算：

D-D處的截面結構如下圖

則由手冊查得該截面的抗彎截面模量為W= 4232mm3

施加于該截面上的彎距為：

M=（P/2）×30×3=（45000/2）×30×3= 2025000N.mm

則該截面上的彎曲應力為：

σs=M/W=479MPa<σs=824Mpa

故卡具在工作負荷作用下，工作是安全的，并且有足夠的安全裕度。

卡具兩端的耳片截面計算：

耳片截面圖如下：

此處截面容易發生剪斷，故該處截面以剪切計算為主。

剪切面面積A=15.5×12=186mm2

剪切力為P/2=45000/2=22500N

故剪切應力為δ剪=22500/186=120.97MPa

取安全系數為3，則TC4的許用剪切應力為：

δ許=824×0.6/3=164.8MPa >δ剪=120.97MPa

由此可以看出，該截面的強度足夠安全

耳片處螺釘的計算：

由于該處的螺釘為M14的自制螺栓。為工廠廠標件，工作強度足夠，在此就省略計算。

D尺寸比標準尺寸小10mm時：

當D尺寸比標準尺寸小10mm時，卡具只有前卡卡爪出不能完全包圍絕緣子掛點，只能包容一部分（如下圖），其余受力情況不變，故只需計算卡爪受力：

卡爪受力計算：

許用剪切應力<τ>=824×0.6/3=164.8MPa

卡爪所受剪切力τ=9P/2πdb=46.07 MPa≤<τ>

卡爪所受彎曲應力：σ =3×27Ph/2db2=682Mpa<σs=824Mpa

所以D=φ90mm時，卡爪能滿足工作強度要求。

由以上計算可以得出結論，該卡具主體在工作負荷為45KN時，工作是安全的，并且能夠保證3倍的安全系數。

6萬用后備保護卡具的使用方法

輸電線路的檢修時，萬用后備保護卡具一般為等電位或停電更換及安裝耐張絕緣子，使用方法如下：

1. 組裝卡具：

A、將萬用后備保護卡具前后卡與絲杠連接，并將后備保護滑竿連接于卡具上。

B、打開上蓋，把絲杠調整到需要的長度。

C、把卡具裝卡在所要更換瓷瓶的前后兩片瓶上，合上蓋，擰緊螺母，將鋼帽抱牢（可通過調節螺母旋合長度來適應不同尺寸的160KN絕緣子，最大調節范圍為10mm）。

2.收緊絲杠使瓷瓶串松弛;

3.摘取彈簧銷;

4.更換中間單片絕緣子;

5.拆除步驟與安裝步驟相反。

7結語

實踐證明，萬用后備保護卡具能有效提高絕緣子更換效率，降低勞動強度，增加施工的安全性，值得推廣。

參考文獻：

[1]劉鴻文主編.材料力學.[M].北京：高等教育出版社，1991.

[2]哈爾濱工業大學理論力學教研組編.理論力學.[M].北京：高等教育出版社，1997.

[3]聞邦椿.機械設計手冊.[M].北京：機械工業出版社，2010.