一種測(cè)量絕緣子內(nèi)徑的新型卡鉗的研發(fā)與應(yīng)用

朱洪波，張慶平，蔡建輝，楊　凱，馬智強(qiáng)，劉世濤，郝金鵬，李秀廣

（國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏　銀川　750011）

輸電線路的防污閃工作對(duì)于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，但隨著城市工業(yè)的發(fā)展，空氣中的排放物日益增加，使得該地區(qū)的污穢等級(jí)提高，輸電線路運(yùn)行的環(huán)境變得更加復(fù)雜，因此后期的運(yùn)維工作就顯得更為關(guān)鍵［1-3］。在輸電線路絕緣子的運(yùn)維過程中，需要定期測(cè)量絕緣子表面的污穢度，以安排定期清掃和噴涂防污閃涂料。絕緣子的污穢度由等值鹽密和灰密兩個(gè)指標(biāo)來確定。在測(cè)量絕緣子的等值鹽密和灰密過程中，需要測(cè)量絕緣子的內(nèi)徑和表面積［4-5］。目前工程應(yīng)用中估算絕緣子表面積主要采用將絕緣子表面分解成若干個(gè)圓臺(tái)，通過用卡鉗測(cè)量圓臺(tái)的直徑，計(jì)算圓臺(tái)表面積，然后求和得到絕緣子的表面積［6］，但隨著輸電線路電壓等級(jí)的不斷上升，絕緣子形狀更為復(fù)雜，尺寸更大，下表面的棱槽變得更深，大噸位鐘罩型絕緣子下表面棱槽深度已經(jīng)超過了傳統(tǒng)的內(nèi)卡鉗和外卡鉗可以測(cè)量的深度，致使大噸位鐘罩型絕緣子內(nèi)徑和表面積的工程測(cè)量面臨前所未有的挑戰(zhàn)。

本文從工程實(shí)際出發(fā)，研究設(shè)計(jì)了一種實(shí)用型測(cè)量絕緣子棱槽內(nèi)徑的卡鉗工具，不僅適用于大噸位鐘罩型絕緣子下表面棱槽內(nèi)徑的測(cè)量，而且最大程度地保證了測(cè)量效率與測(cè)量精度，促進(jìn)了輸電線路防污閃工作的深入開展。

1　絕緣子棱槽內(nèi)徑及表面積的數(shù)值計(jì)算

絕緣子一般為軸對(duì)稱圖形，將絕緣子表面劃分為許多小圓環(huán),，則絕緣子的表面積由圓矩體和弧線圓臺(tái)的側(cè)面組成,圓柱體的側(cè)面積計(jì)算公式為

式中：y—圓柱體的直徑；

ds—圓柱體的側(cè)邊高。

整個(gè)旋轉(zhuǎn)體的側(cè)面積可以通過對(duì)弧長(zhǎng)的積分得到，見式（2）：

為了求得旋轉(zhuǎn)體的表面積，需要確定表面曲線函數(shù)y=f(x)，但是在實(shí)際測(cè)量絕緣子表面積的過程中通常不知道曲線的函數(shù)表達(dá)式，因此可以通過在絕緣子的表面取點(diǎn)，對(duì)曲線進(jìn)行擬合，其計(jì)算的精度取決于曲線擬合的精度［7-9］。從理論上來說，這種方法可以取得很高的精度，但是實(shí)際應(yīng)用中并不適用［10］，而是采用一系列的圓臺(tái)側(cè)面積疊加去逼近旋轉(zhuǎn)體表面積的方法。

圖1　圓臺(tái)側(cè)面積展開圖

如圖1所示，設(shè)圓臺(tái)的上下底面半徑分別為r、R，母線長(zhǎng)l，其側(cè)面展開圖是一個(gè)扇環(huán)，小扇形的弧長(zhǎng)為2πr，大扇形的弧長(zhǎng)2πR，如果小扇形的半徑為x，則大扇形的半徑為x+l，則存在：

圓臺(tái)的面積為

所以，單個(gè)圓臺(tái)的表面積為

式中：S1—圓臺(tái)的表面積；

R、r—圓臺(tái)上下面半徑；

D1—圓臺(tái)上下面半徑和；

ΔL—圓臺(tái)的側(cè)面長(zhǎng)度。

整個(gè)絕緣子的表面積為

當(dāng)?shù)确衷撉€（爬距）的數(shù)量n越大（即ΔL越?。?，則絕緣子表面積的計(jì)算值越接近實(shí)際值，這時(shí)可以用該曲線各等分中任意一點(diǎn)處的直徑代替圓臺(tái)的平均直徑，即將圓臺(tái)近似為圓柱體，這樣絕緣子表面積的近似計(jì)算公式為

測(cè)量絕緣子的表面積只需將其沿泄露距離方向分成n份，再將各份中的任意一點(diǎn)的直徑測(cè)出，即可計(jì)算出總的表面積，如果將絕緣子的泄露距離按1 cm等分，則總的表面積為

可見，絕緣子復(fù)雜曲面旋轉(zhuǎn)體的表面積可以通過一系列的圓臺(tái)來逼近，只需精確地測(cè)出這些旋轉(zhuǎn)體的直徑和弧長(zhǎng)，就很容易計(jì)算出絕緣子的表面積［11］，所以研發(fā)一套能在工程應(yīng)用中精確測(cè)量各種噸位、各種型號(hào)絕緣子內(nèi)徑的卡鉗工具就顯得很重要。

2　卡鉗工具的研發(fā)

2.1　卡鉗的研發(fā)

本文研究的主要目的在于為工程實(shí)際提供一種用于測(cè)量絕緣子棱槽內(nèi)徑及表面積的分段式卡鉗，使絕緣子下表面棱槽的內(nèi)徑得以直接精確測(cè)量，便于精確估算絕緣子的表面積,為實(shí)現(xiàn)上述目的，本文采用以下技術(shù)方案。

分段式卡鉗的鉗臂采用三段式結(jié)構(gòu)，分為大臂、中臂和小臂。大臂的目的是橫跨絕緣子表面的法向長(zhǎng)度，中臂的目的是將小臂伸入絕緣子下表面的棱槽內(nèi)部，小臂的目的是指向需要測(cè)量直徑的點(diǎn)。所有鉗臂采用304不銹鋼制備。

鉗臂之間使用鉚釘鉚接，鉚接的方式采用的是活動(dòng)鉚接，保證鉗臂之間可以180°轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)保持一定的摩擦使鉗臂之間不會(huì)滑動(dòng)。鉚釘使用307不銹鋼制備，是中空的管狀結(jié)構(gòu)。在鉚釘?shù)哪┒送ㄟ^撐大內(nèi)徑使鉚釘緊固，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　卡鉗示意圖

2.2　具體實(shí)施方式

現(xiàn)對(duì)實(shí)用型卡鉗的使用方法作詳細(xì)說明，實(shí)際測(cè)量示意圖如圖3所示。在使用該套卡鉗測(cè)量絕緣子內(nèi)徑時(shí)，包括以下幾個(gè)步驟：

（1）將絕緣子倒立在水平面上，選定需要測(cè)量直徑的兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)；

（2）將大臂打開，擴(kuò)大其角度至測(cè)量點(diǎn)的寬度；

（3）將中臂打開，伸入到測(cè)量點(diǎn)的深度；

（4）手持鉚釘?shù)奈恢?，將分段卡鉗拿起，同時(shí)將小臂旋轉(zhuǎn)至臂端與兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)接觸；

（5）將分段卡鉗垂直取出平放在水平面上，用尺子測(cè)量?jī)蓚€(gè)端點(diǎn)之間的間距，即可得到絕緣子表面測(cè)量點(diǎn)的內(nèi)徑。

圖3　測(cè)量示意圖

3　實(shí)際測(cè)量及其使用效果

通過上述分析，要測(cè)量絕緣子的表面積需要把絕緣子表面劃分為許多的圓臺(tái)側(cè)面，而確定這些圓臺(tái)的側(cè)面積需要測(cè)量上底和下底直徑以及斜邊高（弧長(zhǎng)）［12］。在實(shí)際測(cè)量中坐標(biāo)紙可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣子表面弧線的剖分，從粘貼在絕緣子表面的坐標(biāo)紙上可以得到所有圓臺(tái)的斜邊高（弧長(zhǎng)），并且可以采用卡尺測(cè)量每一斜邊高（弧長(zhǎng)）所對(duì)應(yīng)的圓臺(tái)直徑，坐標(biāo)紙粘貼方式如圖4所示。測(cè)量步驟如下：

（1）將準(zhǔn)備好的坐標(biāo)紙裁成細(xì)長(zhǎng)條，并用記號(hào)筆在上面每隔1 cm依次標(biāo)上0、1、2、3、…、n；

（2）將坐標(biāo)紙貼在沿絕緣子徑向方向；

（3）用研發(fā)的新型卡鉗依次根據(jù)坐標(biāo)紙上標(biāo)識(shí)的坐標(biāo)值，分別測(cè)量直徑值，并做好記錄；

（4）在曲面變化劇烈的位置可以適當(dāng)插值，即在兩坐標(biāo)值之間的位置再測(cè)量一組直徑值。

圖4　坐標(biāo)紙粘貼示意圖

為驗(yàn)證研發(fā)的測(cè)量絕緣子棱槽內(nèi)徑及表面積的卡鉗工具的功能及性能是否滿足要求，特選擇型號(hào)為XZP-420及XZP-160的瓷質(zhì)絕緣子進(jìn)行測(cè)量，并與廠家提供的原始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。在使用研發(fā)的該套工具測(cè)出絕緣子一系列內(nèi)徑后，計(jì)算出了兩種不同型號(hào)絕緣子的總表面積S總與下表面積S下，其結(jié)果如表1所示。在與原始出廠值對(duì)比后，不難發(fā)現(xiàn)測(cè)量誤差在5%左右，其精度完全滿足現(xiàn)場(chǎng)工程測(cè)量的需求。

表1　實(shí)測(cè)值與出廠值誤差對(duì)比

4　結(jié)論

（1）實(shí)用型測(cè)量絕緣子棱槽內(nèi)徑及表面積的卡鉗工具的研發(fā)，解決了檢測(cè)人員對(duì)大噸位鐘罩型絕緣子內(nèi)徑無法測(cè)量的問題，保證了現(xiàn)場(chǎng)工作的需求。

（2）實(shí)用型卡鉗工具采用分段式設(shè)計(jì)，三段不同的臂部結(jié)構(gòu)，使其具有操作簡(jiǎn)單、上手快、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。

（3）使用研發(fā)的實(shí)用型卡鉗可以精確測(cè)量各種型號(hào)絕緣子的內(nèi)徑，不僅確保了絕緣子表面積計(jì)算精度，而且報(bào)證了現(xiàn)場(chǎng)工作效率。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 張萬全.重污穢地區(qū)變電站瓷絕緣子的防污閃措施[J].高電壓技術(shù),1990(4):79-81.

［2］ 吳湘黔.貴州電網(wǎng)污穢閃絡(luò)現(xiàn)狀調(diào)查及防污閃治理[J].貴州電力技術(shù),2006,9(1):1-5.

［3］ 宿志一.用飽和鹽密確定污穢等級(jí)及繪制污區(qū)分布圖的探討[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004，28（8）：16-19.

［4］ 詹清華，阮江軍，鐘連宏.珠三角地區(qū)架空線路絕緣子的自然積污特性[J].高電壓技術(shù)，2010，36（11）：2662-2666.

［5］ 吳湘黔.貴州電網(wǎng)污穢閃絡(luò)現(xiàn)狀調(diào)查及防污閃治理[J].貴州電力技術(shù),2006,9(1):1-5.

［6］ 伍世豐.珠三角酸雨污染特征及其影響因素初步分析[D].廣東：暨南大學(xué)，2011.

［7］ 沈志舒,劉春翔,王建,等.線路絕緣子表面積污物源分布特性[J].電瓷避雷器,2016,274(6):56-59.

［8］ 任昂,畢曉甜,秦麗偉,等.高壓直流絕緣子積污特性數(shù)值模擬與預(yù)測(cè)[J].高電壓技術(shù),2017,43(5):1572-1580.

［9］ 王志寧.用AutoCAD計(jì)算絕緣子爬距、重量及表面積[J].電瓷避雷器,2012，249(5):9-11.

［10］ 李光輝，鐘國(guó)森，黃宵寧.輸電線路基礎(chǔ)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2014.

［11］ 王鑌.直流懸式系列絕緣子設(shè)計(jì)性能及應(yīng)用[J].電瓷避雷器,2010.233(1):13-18.

［12］ 宇凱，陳,華,田濤.絕緣子表面積測(cè)量與精確計(jì)算方法[J].電工材料，2009.(4):20-22.