架空輸電線路通用型閉式卡具的研制與應用

姚 磊，潘金虎，段賽飛，趙 蔚，王海濤，楊浩晨

（國網北京市電力公司檢修分公司，北京 豐臺 100073）

0 引言

架空輸電線路例行檢修過程中，常使用閉式卡具進行單片絕緣子更換工作。由于絕緣子生產廠家眾多，且對于絕緣子的生產制作缺乏統一標準規范，導致不同廠家生產的絕緣子鋼帽尺寸參差不齊。每種型號的傳統閉式卡具只能更換一種尺寸的絕緣子，不同尺寸絕緣子須配備多種型號的閉式卡具。在現場實際生產作業中，經常出現閉式卡具型號與絕緣子尺寸不匹配的狀況，嚴重影響作業效率，增加了人員作業風險。

1 通用型閉式卡具的研制

1.1 結構的設計

傳統的閉式卡具如圖1 所示，主要有3 個部分組成，即閉式卡具前卡具、后卡具以及調節絲杠，由于其前、后卡具的內腔尺寸無法調節，因此每種型號的卡具只能更換對應型號的絕緣子，對現場生產作業造成很大困難。一些研究者針對傳統的閉式卡具進行了改進，文獻[1]在傳統閉式卡具的基礎上研制了“多用單片卡”，其原理為在前、后卡具內配備多種型號的“芯具”，通過更換不同型號的“芯具”來實現更換對應型號的絕緣子；文獻[2]研制了用于特高壓帶電作業的碳纖維通用閉式卡，如圖2 所示，卡具本體為通用結構，不存在前、后卡的區別，內襯套采用鈦合金，其結構與鋼帽外形匹配設計，根據絕緣子型號修正尺寸，以更換內襯套來實現通用功能；上述2 種改進方式可節省大量的閉式卡具本體，但仍須配備多種型號的“芯具”或內襯套用于不同型號的絕緣子；文獻[3]研制了適用于帶電作業中的可調式絕緣子閉式卡，如圖3所示，采用固定式外殼與可調節螺栓加分片內膽的方式與鋼帽進行配合，但使用前先用鏈條葫蘆、提線器轉移導線荷載，確保卡具只承受絕緣子串的荷重，且僅可用于更換160、210 kN 的2 種噸位的絕緣子。

圖1 傳統閉式卡具示意圖

圖2 碳纖維通用閉式卡結構

圖3 更換絕緣子通用的閉式卡

基于以上調研分析，針對通用型閉式卡具提出如下設計思路：在傳統閉式卡具的基礎上，對前、后卡具內腔進行改進；在前卡具（安裝在導線側）內腔中設計若干凹槽，在凹槽中分別安裝不同大小的鉤爪，鉤爪后側采用轉軸形式，鉤爪前側通過外沿頂絲轉動使鉤爪卡在鋼帽與傘裙接觸側凸起處；在后卡具（安裝在橫擔側）內腔中設計若干凹槽，在凹槽中分別安裝不同大小的壓塊，將壓塊與鋼帽接觸面設計為斜面，以適配各種型號絕緣子鋼帽尺寸，壓塊后側采用轉軸形式，壓塊前側通過外沿頂絲轉動實現與絕緣子鋼帽緊密結合。

根據以上設計思路，為了設計出卡具具體參數，首先對常用絕緣子型號進行建模，如圖4 所示。

圖4 絕緣子3D 模型

根據圖4 模型中鋼帽與傘裙接觸位置的內凹尺寸、鋼帽與傘裙間距離、絕緣子鋼帽的弧度、鋼帽的截面圓直徑變化趨勢等，計算出與絕緣子鋼帽緊密結合的鉤爪與壓塊的尺寸參數。通過計算鉤爪和壓塊與鋼帽的接觸面積、受力情況與數量的關系，并結合實際試驗數據得出壓塊和墊塊數量各5 塊為最佳，最終確定通用型閉式卡具設計圖紙如圖5 所示。

圖5 通用型閉式卡具設計圖

1.2 材料的選擇

關于閉式卡具制作材料的選用，眾多學者進行了研究。在特高壓線路中常使用碳纖維材料[2,4-6]，碳纖維復合材料具有密度小、強度高等特性，可用于輕型化設計，但價格較昂貴；而在普通線路中，使用鋁合金、鈦合金甚至鋼材較多[7-8]。在本設計材料選擇中對鋁合金、鈦合金以及鋼材3 種材料的性能以及經濟性進行了比對，如表1 所示。

由表1 分析可知，3 種材料的機械強度都比較高，鋼材40Cr 的抗拉強度最高，為鋁合金7A04 的2 倍，但鋼材40Cr 得比重約為鋁合金7A04 的2.9 倍，約為鈦合金TC4 的1.8 倍；鈦合金抗拉強度約為鋁合金7A04 的1.8 倍，屈服強度為為其2 倍，性能較好，但其比重約為鋁合金7A04 的1.6 倍，其價格更是遠高于鋁合金7A04。綜合考慮，選用鋁合金7A04 作為制作通用型閉式卡具本體的材料，選用鈦合金TC4 作為制作鉤爪與壓塊的材料。

利用鋁合金7A04 與鈦合金TC4 2 種材料，結合圖5，對通用型閉式卡具進行建模，其3D 模型如圖6 所示。

圖6 通用型閉式卡具3D 模型

1.3 成品測試

根據圖5 設計圖紙以及圖6 所示3D 模型，生產出通用型閉式卡具實物，如圖7 所示。

圖7 通用型閉式卡具實物

在投入到現場生產作業使用前，委托電力工業電氣設備質量檢測測試中心對通用型閉式卡具進行檢測，依據DL/T 463—2020《帶電作業用絕緣子卡具》規程，測試標準要求及結果如表2 所示。經過測試可知，通用型閉式卡具的性能滿足現場作業要求，可投入實際生產使用。

表2 通用型閉式卡具質量檢測標準要求及結果

1.4 現場作業流程

針對在生產現場使用通用型閉式卡具更單片絕緣子，編制了如下工作流程：

步驟一：地面電工將導線保護套和卡具用循環繩拴牢系至桿塔上。

步驟二：桿塔上電工將導線保護套一端固定在導線端，另一端固定在橫擔上，做好雙重保護。

步驟三：將卡具卡在待更換絕緣子兩側相鄰絕緣子的鋼帽上，安裝時應使絕緣子鋼帽大口與卡具垂直，擰緊固定螺栓，裝好兩側承力絲杠；擰緊前、后卡具外沿頂絲，檢查鉤爪是否卡緊鋼帽與傘裙連接側凸起處，檢查壓塊是否壓緊鋼帽，如圖8（a）所示。

圖8 使用通用型閉式卡具更換單片絕緣子

步驟四：同時收緊卡具兩側絲杠至絲杠承受導線張力，檢查卡具各受力點情況，如有問題立即停止工作，查明原因并采取補救措施。

步驟五：取出待更換絕緣子兩側的彈簧銷子，繼續收緊承力絲杠至被更換絕緣子便于脫離狀態。

步驟六：桿塔上電工摘下待更換絕緣子，并用循環繩拴好與地面電工配合傳送到桿塔下，如圖8（b）所示。地面電工用循環繩將良好絕緣子拴牢傳送到桿塔上。

步驟七：桿塔上電工迅速將良好絕緣子復位，裝好彈簧銷子，轉動絕緣子鋼帽大口方向與原絕緣子串一致，如圖8（c）所示。松卡具至絕緣子串受力狀態。

2 通用型閉式卡具的應用以及成效

通用型閉式卡具實際適用絕緣子種類與型號如表3 所示。

表3 通用型閉式卡具具體參數及適用型號與范圍

為試驗通用型閉式卡具在實際生產中的使用效果，在北京地區某110 kV 線路更換耐張單片玻璃絕緣子工作現場，隨機統計了10 組使用傳統的閉式卡具與10 組使用通用型閉式卡具的工作時間，為了排除塔形及高度不同的影響，僅計算檢修人員塔上作業時間，如表4 所示。

表4 使用不同卡具塔上工作時間對比min

分析表4 可得，與使用傳統型閉式卡具相比，使用通用型閉式卡具可使塔上工作平均時間減少27.3 min，約58%。通用型閉式卡具在現場工作中表現良好，大幅度減少了工作人員塔上作業時間與工作總時間，極大提高了生產效率，同時降低了作業人員塔上作業風險。

3 結束語

與傳統的閉式卡具相比，通用型閉式卡具的研制與應用，解決了絕緣子型號種類繁多、傳統卡具適用型號單一的問題；同時能夠減少工作人員塔上作業時間，降低作業風險，在輸電線路專業具有廣泛的應用前景。

該通用型閉式卡具總體質量約為20 kg，下一步可考慮使用碳纖維等比重較小、抗拉強度與屈服強度較大的優良材料，減小卡具總體重量，便于在生產作業中使用。