特高壓輸電線路通用卡具的設計與分析

韓志軍 于智博 韓東峰 常彥 張斌

摘要：目前使用的更換絕緣子工具和儀器在更換輸電線路上的絕緣子串時，不能及時更換輸電線路側第一個損壞得絕緣子，在效率和通用性方面存在很大的不足。為了使特高壓線路更穩定、更安全地運行，本文開發了一種新型通用卡具，可及時更換損壞的絕緣子，提高了特高壓線路的運維效率。通過有限元法對新型卡具的力學性能進行分析，通過實驗結果驗證了新型卡具結構設計的可行性。

關鍵詞：高壓輸電線路，絕緣子串，通用卡具，有限元分析

1.引言

越來越多的特高壓交直流輸電線路投入運行[1]，特高壓骨干網已逐步形成。目前，550kN絕緣子主要用于特高壓線路的耐張塔。由于受電場的影響，輸電線路側絕緣體上的電壓大于其他部位[2]的絕緣體，容易發生斷裂。目前，更換絕緣子工具和儀器在效率和通用性方面存在很大的不足。

實際工程中使用的絕緣子和金具的規格有很多。卡具需要根據管件類型進行非標設計制造，應用條件苛刻且專業。對于不同的配件，需要相應的卡具來滿足實際需要，這樣會造成工具的積壓和浪費。倉儲卡具規格的增加，無形中造成了庫存管理的專業性和相關負責人的專業性，對操作人員的專業性提出了更高的要求[3]-[4]。為減輕倉庫管理及相關負責人和操作人員的工作強度，有效降低管理成本，工具的通用化、易操作、輕量化、智能化已成為工具發展的方向。許多研究人員對絕緣子串更換線夾進行了相關研究。例如，文獻[5]研究了500kV輸電線路更換絕緣子卡具，文獻[6]研究開發了L形絕緣子更換卡具。但上述研究并未考慮夾具的通用性，應用范圍存在局限。

基于以上分析，本文研制了一種新型通用卡具，可及時更換損壞的絕緣子，提高了特高壓線路的運維效率。并通過有限元法對新型夾具的力學性能進行分析，通過實驗結果驗證了新型卡具結構設計的可行性。

2.通用卡具結構設計

1）材料參數

比強度是材料的抗拉強度與表觀密度的比值，也稱為強度重量比。比強度是材料輕量化的重要指標。優質的材料必須具有較高的比強度，即強度高、重量輕。通過比較不同材料的比強度，選擇性能更高的材料進行通用卡具的設計和制造。表1所示為不同材料的比強度。從表1中可以看出，滿足高強度輕量化要求的高強度鋁合金和高強度鈦合金比其他材料具有更高的比強度，便于現場施工和高空施工要求。此外，高強度鈦合金的剛度比明顯優于其他材料。因此，本文選用高強度鈦合金制作萬能夾具。

2）結構設計與受力分析

本文以1000kV特高壓輸電線路單片瓷絕緣子更換鈦合金卡具為例進行

分析。通用卡具尺寸及結構示意圖如圖1所示，其中a為通用卡具前夾，b為絲桿，c為通用卡具后夾。通用卡具代替原絕緣子承受拉力。受力示意圖如圖1所示。

通用卡具工作時，需要擰緊絲桿，卡箍與剛性帽的接觸部分可視為固定約束，左右端耳板可視為加載端。在分析通用卡具的力學性能時，前后夾具可以等效為一個簡單的梁，受3點力平衡，可以認為前后卡具上的力相同。根據通用卡具的受載特性和邊界條件可知，該結構主要承受彎矩和剪切力，整體結構可簡化為如圖2所示。

根據圖2，可以計算出前后卡具的相關參數。假設前后卡具受力相同，等效示意圖如圖2所示。由于橫截面結構的不同，前后夾鉗的相關參數將分別進行測量和計算。

3.通用卡具機械特性分析

本文采用AitairHyperWorks軟件用作有限元分析工具。為減少計算規模，盡可能真實地反映通用卡具的主要力學性能，需要對通用的三維模型進行簡化，如對零件表面進行平滑處理等。圖5所示為有限元分析的流程圖。

施加載荷和邊界條件后進行數值計算和分析。采用SolidWorks3D建模軟件用于對通用卡具進行建模。根據通用卡具圖紙和受力邊界條件，建立卡具結構的三維有限元模型和幾何模型。紅色部分代表約束，綠色部分代表施加載荷。有限元模型的單元總數和節點總數分別為272875和56778。圖6所示為通用卡具的三維模型。圖7-圖9所示為施加載荷和邊界條件后的通用卡具的有限元模型，以及整個模塊的應力云圖和位移云圖。從上圖可以看出，裝置受力時的最大應力為618.3Mpa，出現在A-A截面上。材料屈服強度為824Mpa，滿足強度要求。此外，其他構件的拉應力和剪應力均小于相應的許用應力，強度符合要求。萬能夾最大位移為1.82mm，滿足設計要求。

4.通用卡具機械實驗驗證

1）通用卡具制作工藝分析

根據鈦合金材料的特點，本文制定了通用卡具制造工藝。鈦合金硬度大于300HBS～350HBS時，切削困難。造成加工困難的原因不僅在于材料硬度，而是鈦合金的機械、化學和物理性能的綜合。變形系數小是鈦合金切削的最大優點。這是因為鈦合金的塑性小，切削收縮也小。但在切削過程中，切削部件的主切削力比45鋼小，背力比45鋼大20%。切削鈦合金時，切削溫度比同等條件下切削其他材料高1倍以上。并且最高溫度在刀具附近的小區域內。原因是鈦合金的導熱系數小，切屑接觸長度短（僅為45鋼的50%～60%）。切削鈦合金時，由于切削熱量大，切削溫度高，附近切削集中，月牙形凹坑會迅速發展為切削刃損傷。由于鈦的化學親和力高，再加上切屑的高溫高壓作用，切削時容易發生嚴重的粘著現象，導致刀具的結合磨損。圖10所示為本文設計的通用卡具實物圖。

4.通用卡具機械實驗驗證

2）通用卡具機械實驗

在大型拉力機上進行通用卡具的力學實驗。圖11所示為實驗裝置圖。通用卡具和絕緣子串組裝安裝在拉力機上。設備的張力根據輸送線實際張力增加2.5倍以上，然后啟動拉力機。

當施力增加到輸電線路實際張力的2.5倍時，通用卡具沒有出現損壞，最大變形為4.25mm。拉力機卸載后，通用卡具無變形，無損壞跡象，符合設計要求。圖11所示為通用卡具安裝示意圖。

總結

為了使特高壓線路運行更穩定、更安全，本文研制了一種新型通用卡具，可以及時更換損壞絕緣子，提高了特高壓線路的運維效率。對于不同類型的連板，可以更高效地完成輸電線路側第一個損壞絕緣子的更換。通過有限元法對新型卡具的力學性能進行分析，通過實驗結果驗證了新型卡具結構設計的可行性。

致謝

本項目由國網山西省電力公司科技項目資助，項目編號52051018001A。

參考文獻：

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