更換架空線路耐張絕緣子托瓶架固定裝置的研制

溫惠婷，張建峰

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司梅州供電局，廣東 梅州 514000）

在電網(wǎng)架空輸電線路中，一般使用直線桿塔與耐張桿塔，為滿足架空輸電線路的荷載需求，其中耐張桿塔會使用玻璃或瓷質(zhì)絕緣子串，極易受外力等因素的影響發(fā)生玻璃絕緣體破碎等狀況，從而導(dǎo)致絕緣性能消失，如果不及時更換會造成架空輸電線路出現(xiàn)電力安全事故。由于更換耐張絕緣子的過程中，必須先收緊絕緣子串后再放松，放松和收緊絕緣子串時必然對固定托瓶架的繩子產(chǎn)生拉扯，導(dǎo)致繩子被拉長變形或繩結(jié)松脫，無法固定托瓶架，托瓶架因自重與絕緣子串之間形成較大空隙，且單片絕緣子的自身重量也非常大，整串絕緣子因與托瓶架之間的空隙和自重，成反弓形下墜，單片絕緣子之間互相卡死，無法把破損得絕緣子取出來，亦無法把正常的完好絕緣子安裝到原絕緣子串中，最終導(dǎo)致更換檢修無法開展。為解決此問題，本文針對托瓶架固定裝置進(jìn)行深入研究，意在通過此裝置來提升架空線路耐張絕緣子的檢修作業(yè)效率。

1 計算架空線路耐張絕緣子受力

一般情況下，須在無風(fēng)且溫度高于15 ℃的天氣下進(jìn)行架空線路耐張絕緣子[1]檢修作業(yè)，此時耐張絕緣子串的受力主要有導(dǎo)線張力與自身重力，如圖1所示。

圖1 架空線路耐張絕緣子串受力簡圖

圖1 中，F(xiàn)1是架空線路導(dǎo)線的張力；F2是架空線路耐張絕緣子串受橫擔(dān)的拉力；Fx1、Fy1分別是架空線路導(dǎo)線張力在水平方向與垂直方向上的分力；Fx2、Fy2分別為架空線路耐張絕緣子串所受橫擔(dān)拉力在水平方向與垂直方向上的分力；G為耐張絕緣子串自身重力；a為架空線路導(dǎo)線在水平方向上的角度。根據(jù)耐張絕緣子串受力平衡可以得到，架空線路上任意位置的軸向應(yīng)力在水平方向上的分量，與導(dǎo)線弧垂最低點(diǎn)位置的軸向應(yīng)力之間存在平衡，也就是說，在電網(wǎng)的架空線路中，導(dǎo)線所有位置的軸向應(yīng)力在水平方向上的分量均相同，但是，沿著導(dǎo)線弧垂最低點(diǎn)直到兩邊掛點(diǎn)位置，軸向應(yīng)力呈增長狀態(tài)，其中線路懸掛點(diǎn)處的軸向應(yīng)力達(dá)到最大值，其計算公式（1）所示：

式中：Z為架空線路上導(dǎo)線懸掛點(diǎn)位置的軸向應(yīng)力參數(shù)；Zx為導(dǎo)線軸向應(yīng)力在水平方向上的分量；h為導(dǎo)線懸掛點(diǎn)的高度差參數(shù)；δ為架空線路導(dǎo)線的自重比載參數(shù)；d為架空線路耐張桿塔到第一個基直線桿塔之間的孤立檔距離參數(shù)；Dh-0為導(dǎo)線高懸點(diǎn)處的線路長度參數(shù)。根據(jù)式（1）獲得架空線路耐張絕緣子串所受導(dǎo)線總張力為：

式中：S為架空線路導(dǎo)線截面的面積參數(shù)。由此，進(jìn)一步得到架空線路耐張絕緣子的受力計算公式如下所示：

式中：N為架空線路耐張絕緣子片的總數(shù)量；Gn為架空線路耐張絕緣子串中的第n個絕緣子片的自身重力參數(shù)。本文利用式（3）獲取架空線路耐張絕緣子串的受力[2]，并將其作為確定托瓶架固定裝置荷載強(qiáng)度的理論依據(jù)。

2 計算更換耐張絕緣子過牽引力

在利用托瓶架更換架空線路耐張絕緣子串[3]時，首先須要將導(dǎo)線收緊，讓耐張絕緣子串處于松弛狀態(tài)，那么此時就會產(chǎn)生過牽引力，為了確保托瓶架固定裝置的抗壓、抗彎強(qiáng)度符合耐張絕緣子串更換作業(yè)需求，必須精準(zhǔn)計算過牽引力。在收緊架空線路導(dǎo)線時，如果導(dǎo)線的過牽引長度過大，會造成架空線路導(dǎo)線的斷裂，威脅檢修作業(yè)安全，所以首先要獲得導(dǎo)線允許的最大過牽引長度[4]：

式中：l1、l2分別為孤立檔導(dǎo)線與連續(xù)檔導(dǎo)線所允許的最大過牽引長度參數(shù)；Z為架空線路導(dǎo)線的原有軸向應(yīng)力參數(shù)；Z為架空線路導(dǎo)線的軸向許用應(yīng)力參數(shù)；T為架空線路導(dǎo)線的彈性模量參數(shù)；d0為架空線路耐張桿塔上各個檔之間的距離參數(shù)。在實(shí)際的架空線路耐張絕緣子檢修作業(yè)中，必須保證收緊導(dǎo)線的過牽引力不能大于式（4）獲得的數(shù)據(jù)。然后根據(jù)導(dǎo)線的過牽引長度獲取更換耐張絕緣子過牽引力，本文為計算簡便，排除架空線路橫擔(dān)撓度、懸掛點(diǎn)高度差等非關(guān)鍵因素的影響，用下述公式來計算：

式中：Q為架空線路耐張絕緣子更換時所受過牽引力參數(shù)；l為實(shí)際作業(yè)中采取的導(dǎo)線過牽引長度參數(shù)。本文利用式（5）獲取更換架空線路耐張絕緣子時的過牽引力，并將其作為確定托瓶架固定裝置抗壓、抗彎強(qiáng)度的理論依據(jù)。

3 托瓶架固定裝置制作材料選擇

本文主要根據(jù)受力分析和材料的機(jī)械性能進(jìn)行裝置材料的選擇。根據(jù)相關(guān)資料以及工作經(jīng)驗，確定裝置的選材范圍[5]如表1所示。

表1 裝置選材范圍

由表1 可知，合金鋼的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度最高，但重量也較大，鋁合金的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度雖較低，但其重量較小，鈦合金則在強(qiáng)度與重量方面表現(xiàn)出整體的優(yōu)越性，所以本文結(jié)合各材料的特性，以及實(shí)際架空線路耐張絕緣子更換作業(yè)情況，綜合考慮固定裝置上各個組件的功能需求來選擇制作材料。關(guān)于托瓶架固定裝置的支撐組件，可以選用鈦合金作為主材，強(qiáng)度較高，可以保證裝置的使用安全，重量較低，便于高空攜帶作業(yè)；關(guān)于托瓶架固定裝置的滑動組件，可以選用鋁合金作為主材，無需較高強(qiáng)度，僅需要摩擦力小，操作省力即可；關(guān)于托瓶架固定裝置的緊固組件，可以選用合金鋼作為主材，緊固組件尺寸較小，大比重的合金鋼也不會給固定裝置增加壓力，僅需強(qiáng)度較高，滿足現(xiàn)場安全使用要求即可。確定托瓶架固定裝置制作材料之后，本文參考DLT 875—2004《輸電線路施工機(jī)具設(shè)計、試驗基本要求》中相關(guān)規(guī)定，選用安全系數(shù)為2.5進(jìn)行托瓶架固定裝置的研制。

4 新型托瓶架固定裝置設(shè)計

本文主要研制一種托瓶架結(jié)合支撐架的固定裝置，在固定裝置的支撐架上設(shè)置可調(diào)節(jié)組件，從而實(shí)現(xiàn)托瓶架的自由移動。此固定裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 新型可調(diào)節(jié)托瓶架固定裝置立體結(jié)構(gòu)示意圖

如圖2 所示，此裝置主要包括：基礎(chǔ)支撐架、滑動組件、工具支架、鎖緊組件。其中滑動組件以套接的形式安裝在支撐架的兩根主梁上，可以進(jìn)行自由移動，滑動組件結(jié)構(gòu)一般可以設(shè)計為“H”、“∏”、“∩”、“—”、“⌒”這5 種形式，其中由于“H”結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，與支撐架的接觸面面積更大，所以本文將滑動組件設(shè)計為“H”結(jié)構(gòu)，這對高空作業(yè)是一個很好的保障，與此同時，在利用本文研制托瓶架固定裝置進(jìn)行絕緣子更換作業(yè)時，可以根據(jù)實(shí)際的絕緣子串尺寸，隨時調(diào)節(jié)滑動組件位置，再通過鎖緊組件進(jìn)行固定，整個操作過程簡單且方便，從而提升絕緣子更換作業(yè)的效率。在本文研制的托瓶架固定裝置中，在兩側(cè)滑動組件與基礎(chǔ)支撐架銜接處，分別設(shè)置一個工具支架，用于安裝鎖緊組件，鎖緊組件主要由2 塊可活動夾板構(gòu)成，可以根據(jù)實(shí)際檢修作業(yè)需求實(shí)現(xiàn)多種尺寸耐張絕緣子片的鎖緊固定，關(guān)于組件的鎖緊形式一般包含螺栓固定和卡扣固定，雖然卡扣固定操作方便，但極易發(fā)生脫落，這為高空更換絕緣子作業(yè)的安全性帶來嚴(yán)重隱患，所以本文將組件鎖緊方式設(shè)計為螺栓固定。與現(xiàn)有托瓶架相比，本文研制的新型托瓶架固定裝置結(jié)構(gòu)更加巧妙，安全性能更可靠，利用自由調(diào)節(jié)的方式，使操作更方便，提高架空線路耐張絕緣子更換作業(yè)效率。

5 實(shí)際應(yīng)用

為了校驗本文研制的新型托瓶架固定裝置的效果，選取某220 kV 電解Ⅱ線4#耐張塔，使用“托瓶架法”進(jìn)行耐張絕緣子更換實(shí)驗。實(shí)驗展開之前，本文提出2 種更換方案：（1）傳統(tǒng)繩子綁扎固定托瓶架；（2）本文研制新型托瓶架固定裝置，實(shí)驗流程如圖3所示。

圖3 架空線路耐張絕緣子更換流程圖

耐張絕緣子更換作業(yè)過程中，針對前面所提的2 種方案，本文分別統(tǒng)計作業(yè)流程中各個環(huán)節(jié)的耗時情況并進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表2所示。

表2 架空線路耐張絕緣子更換耗時對比

通過表2 中實(shí)驗數(shù)據(jù)可知，使用傳統(tǒng)托瓶架更換耐張絕緣子時，必須先收緊絕緣子串后再放松，導(dǎo)致繩子被拉長變形或繩結(jié)松脫，無法固定托瓶架，整串絕緣子因與托瓶架之間的空隙以及自身重力，成反弓形下墜，絕緣子之間出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，導(dǎo)致破損絕緣子的取出以及完好地安裝絕緣子極其困難，所以用時較長為90 min；而本文研制的托瓶架固定裝置，在收緊和放松絕緣子串時，可使托瓶架來回移動，抵消絕緣子串伸縮時對托瓶架產(chǎn)生的影響，保證托瓶架始終穩(wěn)穩(wěn)托住整串絕緣子，解決原來單片絕緣子之間的互卡問題，所以用時較短僅30 min，較傳統(tǒng)托瓶架減少了60 min。由此可以說明，新型可調(diào)節(jié)托瓶架固定裝置可以大大降低更換耐張絕緣子的作業(yè)時間，提升作業(yè)效率，此裝置不僅可以節(jié)約人力物力，而且可以保障架空線路供電的連續(xù)性。由于使用托瓶架更換耐張絕緣子南網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)普遍存在類似問題，輸電專業(yè)人員在檢修中均面臨嚴(yán)重的耗時耗力難題，所以本文研制的新型可調(diào)節(jié)托瓶架固定裝置可推廣全網(wǎng)，大大節(jié)省人工成本。

6 結(jié)束語

當(dāng)下，我國大部分架空線路耐張絕緣子更換作業(yè)中仍使用托瓶架，然而傳統(tǒng)托瓶架使用較為原始的繩子綁扎方式進(jìn)行固定，托瓶架與耐張絕緣子片之間存在互卡問題，導(dǎo)致作業(yè)效率較低。因此，本文研制一種新型托瓶架固定裝置，此裝置可使托瓶架來回移動，抵消絕緣子串伸縮時對托瓶架產(chǎn)生的影響，徹底解決原來單片絕緣子之間的互卡問題，確保耐張絕緣子的更換工作得以順利進(jìn)行。不僅可以降低檢修人員的勞動強(qiáng)度，而且可以減少檢修時間，進(jìn)而提升公司經(jīng)濟(jì)效益。