基于220kV輸電線路絕緣子的新型更換工具設計

摘 要：本文針對200kV輸電線路耐張雙串絕緣子更換問題，進行了基于220kV輸電線路耐張雙串絕緣子的新型更換工具設計研究。該更換工具采將無縫鋼管結構作為連接裝置，微調絲杠作為調整裝置，拉力液壓缸作為動力源，托平鉤作為承載工具，與傳統的專用卡具和5T雙鉤整串收緊更換方法相比，可降低更換雙串絕緣子的難度并節約時間，同時適用于不同類型耐張雙串絕緣子的更換工作，具有突出的經濟、安全效益。

關鍵詞：耐張雙串絕緣子；更換工具；微調絲杠；無縫鋼管

中圖分類號：TM 75" " " 文獻標志碼：A

在高壓輸電線路中，耐張絕緣子是電力設備中一個重要配件[1]。由于耐張絕緣子的形狀特殊、質量較大，傳統的更換方法存在高空作業風險大、操作復雜、人員安全難以保障且成本高等局限性，因此有必要設計一種新型耐張雙串絕緣子更換工具。本文以220kV輸電線路耐張雙串絕緣子更換為背景，結合具體實際情況，設計了一種新型更換工具。該工具主要由無縫鋼管聯板、無縫鋼管、微調絲杠、拉力液壓缸以及托平鉤等主要部件組成，可提高220kV輸電線路耐張雙串絕緣子更換效率和安全性。

1 現有更換工具的問題分析

220kV輸電線路耐張絕緣子是用于支撐輸電線路的關鍵元器件，經常承受高強度的張力并受氣象因素影響，長期使用后易出現老化、裂紋和損壞等問題，導致絕緣性能下降。因此需要對耐張絕緣子頻繁進行更換、維護。而卡具更換具有局限性與單一性，施工現場絕緣子型號也存在差異，因此工作人員多采用5T雙鉤整串絕緣子收緊更換自爆方法，具體如圖1所示。

220kV輸電線路通常使用雙串耐張構型進行電力傳輸。該構型需要使用13～20片玻璃絕緣子，其長度通常為2m～3m。使用5T雙鉤將220kV耐張絕緣子整串收緊更換法時，對于張力較大的檔距，尤其是使用雙分裂導線時，雙鉤需要分別收緊2個方向的導線，增加了操作難度，因此需要2個以上的工作人員同時協作且更換過程較吃力。使用5T雙鉤將220kV耐張絕緣子整串收緊時，與二聯板和雙鉤連接的卸扣是一個必不可少的組件，但該組件的卸下和組裝操作笨重且煩瑣[2]。此外，為更換自爆絕緣子并安裝新的絕緣子，工作人員需要托平整串絕緣子，但其質量較大且長度較長，托平操作非常具有挑戰性，因此常用短繩綁扎托平絕緣子方法，而該托平方式需要較多的人力和時間，并有過度牽引的隱患。

2 基于220kV輸電線路耐張雙串絕緣子的新型更換工具設計

2.1 關鍵技術

基于220kV輸電線路耐張雙串絕緣子的新型更換工具的關鍵技術主要包括以下6個方面。1）本裝置由無縫鋼管聯板、無縫鋼管、微調絲杠、拉力液壓缸和托平鉤等主要部件組成。2）本文發明了一種無縫鋼管結構，用于連接雙串耐張絕緣子二聯板，可替代卸扣，適用于不同電壓等級。3）發明了一種用于承托絕緣子的托平鉤。托平鉤具有定位結構，防止托平鉤向上打開時行程超限。托平鉤從上往下勾住絕緣子，然后使用螺栓緊固擰緊，定位勾住絕緣子，防止逃脫。4）發明了一種調節連接長度的微調絲杠結構。微調絲杠可以根據絕緣子串長度進行調節，使裝置具有通用性。5）發明了一種耐張絕緣子數顯拉力液壓缸，可實時檢測拉力值，防止過牽引，采用液壓結構節省作業人員操作強度。6）裝置通用性好，可適用于耐張桿塔任何類型絕緣子的更換。

2.2 裝置結構和框架

2.2.1 無縫鋼管結構

220kV輸電線路耐張雙串絕緣子新型更換工具中無縫鋼管的結構設計如下所示。對于220kV及以上高壓等級，采用壓接抱夾連接方式，通過螺栓或緊固夾具將絕緣子串的連接板與下一串絕緣子連接板緊固在一起。為保證無縫鋼管結構抱夾尺寸和結構能夠適應不同電壓等級的絕緣子串連接板形狀和數量，需要計算220kV輸電線路耐張雙串絕緣子牽引一串絕緣子的額定承載力P，如公式（1）所示。

（1）

式中：n1為作用于工具上的導線根數；S為子導線的橫截面積；n2為絕緣子并聯組合串數；αd為最大導線應力；Kb1為并聯絕緣子串承受導線張力時，不同串間受力的差異程度系數。

合理的無縫鋼管結構和連接方式可以提高工具的穩定性和安全性。本文選擇碳素鋼作為無縫鋼管結構的制作材料，其具有良好的機械性能、可焊性以及優異的抗腐蝕性能，能滿足更換工具的機械強度和質量要求。然后將無縫鋼管作為裝置的支撐結構，設計其直徑為50mm，壁厚為5mm，承受極限拉力為30kN，使其具有更好的機械強度。還將無縫鋼管設計為模塊化結構，以便于對不同電壓等級的耐張絕緣子進行適應性調整。

2.2.2 微調絲杠結構

在基于220kV輸電線路耐張雙串絕緣子的新型更換工具中，本文通過微調絲杠結構實現裝置的通用性。該微調絲杠結構采用不銹鋼材質，包括連接頭、焊接、正反牙絲杠、螺母、絲杠調節六角螺母和連接頭等主要部件，具體結構如圖2所示。

連接頭起到連接微調絲桿結構的作用，將其焊接螺母和絲杠調節六角螺母等其他組件連接在一起，可保證整個微調絲桿結構的可靠性和穩定性。將焊接螺母與連接頭進行焊接，并保證焊接點的強度和密封性。正反牙絲杠是微調絲桿結構的關鍵組件，是一端具有正牙、另一端具有反牙的螺桿結構。正反牙絲杠與焊接螺母間的螺紋連接，工作人員可以通過旋轉絲杠調節六角螺母，對焊接螺母位置進行微調。同時，正反牙絲杠的設計需要考慮牙形的精度控制，以確保微調的準確度和精度。正反牙絲杠的牙形精度計算過程如公式（2）所示。

（2）

式中：δ為牙形精度系數；v為絲杠半徑；λ為絲杠的螺紋數，表示絲杠上每單位長度內的螺紋數量，它決定了絲杠的調節靈敏度，螺紋數越多，調節越精細；?為螺紋牙形的幾何參數，其大小會直接影響螺紋的牙形和強度。

通過對這些參數進行精確控制和優化，可對微調絲杠結構進行精準設計和優化，提高其可靠性和穩定性，滿足220kV輸電線路耐張雙串絕緣子更換工具的高精度、高效率要求。螺母是與正反牙絲杠螺紋相匹配的螺母，通過與絲杠的螺紋進行接合，實現微調功能。絲杠調節六角螺母是連接頭與微調絲桿結構的另一個關鍵組件，通過旋轉絲杠調節六角螺母，可以控制焊接螺母在正反牙絲杠上的位置，從而對絕緣子更換工具的位置進行微調。

2.2.3 耐張絕緣子數顯拉力液壓缸

在基于220kV輸電線路耐張雙串絕緣子的新型更換工具中，作為裝置的力量來源，數顯拉力液壓缸結構可承受的最大拉力為20t。本文采用液壓動力傳動技術，該技術以液體為傳遞媒介，通過油路系統中的油缸、活塞和油泵，將輸入的機械能轉化為可控的壓力。耐張絕緣子數顯拉力液壓缸結構圖具體如圖3所示。

液壓泵通過不同組件產生壓力，將液壓油推入液壓缸中。其中加力手柄在數顯拉力液壓缸中至關重要，通過調整其壓力，可控制絕緣子更換工具的移動。外部力值儀表實時檢測液壓油壓力，并將其轉化為拉力值，便于工作人員控制拉力。液壓缸內的活塞由高強度銅合金制成，液壓油推動活塞向外移動，將絕緣子固定在適當位置。當液壓油通過活塞管道時，管道內部存在流動阻力，可降低液壓油壓力。液壓油的壓力損失計算過程如公式（3）所示。

（3）

式中：ΔP為壓力損失，表示液壓油在流動過程中由管道內部阻力產生的壓力降低，該壓力損失會影響液壓缸的工作效率，因此需要盡可能減少；f為描述液體在管道內流動時與管道壁面間摩擦阻力參數，減少該摩擦系數可降低壓力損失，提高液壓系統效率；l為活塞管道長度；Q為液壓油流量。

l、Q也是影響壓力損失的重要因素，長度越長，流量越大，壓力損失越大。活塞后部配備復位彈簧，其作用是在液壓油釋放后將活塞恢復到原位，以節約液壓油。油箱位于復位彈簧上部，具有足夠的容量，可存儲液壓油，并通過液壓管路與液壓泵相連來滿足液壓系統所需的液壓油量。在實際操作中，工作人員將該液壓缸與絕緣子相連，并通過油泵控制液壓油的進出，從而實現固定和釋放絕緣子的功能，并通過力值儀表實時監測、調整拉力值。

2.2.4 托平鉤

在220kV輸電線路耐張雙串絕緣子的更換過程中，托平架用于承托和固定絕緣子。絕緣子托平鉤結構圖如圖4所示。

該托平架包括松開或禁錮螺母、拖瓶橫擔等關鍵部件。在絕緣子更換過程中，通過松開或禁錮螺母，可使拖瓶橫擔能夠自由移動。再旋轉拖瓶橫擔上的定位機構，并通過瓷瓶掛鉤勾住絕緣子。托平鉤具有定位機構，可防止自身向上打開時行程超限。在固定絕緣子方面，拖瓶橫擔上的吊鉤松緊狀態可以控制托平鉤的位置和高度。在此過程中，絕緣子的質量和外部荷載會影響托平架懸掛絕緣子時的吊鉤松緊狀態，具體如公式（4）所示。

（4）

式中：m為絕緣子質量；g為絕緣子重心距；F為托平架承載能力；K為載荷系數；Fe為外力對絕緣子的作用力；b為修正松緊狀態系數；p為吊鉤承載能力；c為吊鉤鉤材料和結構因素的修正系數。

通過計算吊鉤松緊狀態，可保證托平架懸掛絕緣子時具有足夠的承載能力，避免吊鉤松緊不當導致絕緣子脫落或損壞，降低輸電線路運行風險。托平鉤免除人力托平絕緣子，使該項工作只需要1～2人便可完成。

2.3 基于220kV輸電線路耐張雙串絕緣子的新型更換工具操作步驟

在實際操作中，需要將聯板、微調絲杠和拉力液壓缸等部件連接起來，組成一個完整的更換裝置，并通過連接至兩端二聯板的施工孔進行連接，這一步需要嚴格按照設計要求和工具使用說明進行操作，保證裝置安裝牢固。基于220kV輸電線路耐張雙串絕緣子的新型更換裝置裝配圖如圖5所示。

根據實際需求和絕緣子的長度因素調節微調絲杠的長度，使整套更換工具初步收緊，與絕緣子呈同樣松緊狀態，以使更換后的絕緣子與原有的絕緣子狀態保持一致，不會對電力系統的穩定性和安全性產生影響。完成以上步驟后，將托瓶橫擔從上方安裝到無縫鋼管上，用托瓶鉤勾住絕緣子，使用螺栓擰緊固定（根據需要多段固定）。這一步是更換工具與絕緣子間關鍵的連接環節，需要根據設計要求和實際情況進行操作，保證托瓶能夠準確、穩定地勾住絕緣子，不會產生松動或脫落情況。然后使用數顯拉力液壓缸繼續收緊絕緣子，直至能將需要更換的絕緣子松脫時，停止收緊操作（緊線過程中數顯裝置能實時顯示拉力值）。松脫并更換需要更換的絕緣子后拆除各部件，完成收尾工作，將更換工具拆除并妥善保管，以備下次使用。同時，應及時通知、報告相關部門和人員，記錄工具使用情況和維護保養記錄，確保設備完好、安全。

3 結語

綜上所述，本文通過分析和改進傳統更換工具，提出了一種基于220kV輸電線路耐張雙串絕緣子的新型更換工具設計方案，可適用于多種不同型號、類別的耐張雙串絕緣子，不僅為輸電線路維護保養工作提供了高效便捷的解決方案，還有助于降低工作難度，提升維護工作的效率和質量。

參考文獻

[1]喬鈺彬，曲金帥，范菁，等.基于深度學習的輸電線路絕緣子缺陷識別研究[J].計算機與數字工程，2023，51（8）：1782-1786，1860.

[2]陳雅芳.輸電線路絕緣子覆冰預測及防護方法綜述[J].山東電力技術，2023，50（3）：48-56.