關于球窩聯接中α與β角的研究

竇 剛，鄒德仕，張繼軍，郭 鵬，張學東，盧聲彥

（大連電瓷集團輸變電材料有限公司技術研發(fā)中心，遼寧大連116600）

0 引言

“十三五”期間，我國將大力發(fā)展電力工業(yè)，重點突出結構電網建設和調整。將國家電網優(yōu)化為西部（西北+川渝藏）、東部（“三華”+東北三省+內蒙古）兩個特高壓同步電網，形成送、受端結構清晰，交、直流協(xié)調發(fā)展的格局，將國家電網跨區(qū)輸電規(guī)模從目前的1.1億kW提高到3.7億kW。伴隨著我國電網的不斷建設和發(fā)展，對電網運行提出了更高的安全要求。

絕緣子是架空輸電線路的重要組成部分，需同時滿足電氣性能和機械性能兩方面的要求[1]。目前絕緣子之間大部分通過球窩聯接的方式進行聯接，因為球窩聯接結構無方向性并具有裝拆方便的優(yōu)點，特別是便于帶電更換絕緣子，因此高壓、超高壓和特高壓線路上一般均采用球窩聯接結構[2]。近年來，電力人員在巡檢中發(fā)現采用球窩聯接的“V”形串中，球窩中的鎖緊銷個別存在被腳球壓扁的現象，這可能與絕緣子串在受力時腳球在球窩中發(fā)生滑動和傾斜的程度有關，鑒于這種情況，我們對球窩聯接中腳球在球窩中的滑動和傾斜進行了深入研究。

1 關于α角的研究

1.1 α角的定義

α角是表征球窩聯接的絕緣子串受到垂直方向的拉力和水平方向的其他作用力影響，腳球上表面（r1）僅沿帽窩內腔上表面（R1）運動時，鐵帽軸線與鋼腳軸線的關系。腳球在帽窩中的滑動位置見圖1。

圖1 α角示意圖Fig.1 α angle

1.2 大瓷產品α角范圍

為了精確地算出各等級球窩聯接的α角范圍，我們參照GB/T 4056—2008《絕緣子串元件的球窩連接尺寸》中的尺寸和公差[3]，選擇用圖解法進行計算，將帽窩和腳球按照1:1進行二維繪圖，對發(fā)生滑動時會產生接觸的面進行約束，尋找該尺寸下腳球在帽窩中的最佳滑動位置。在繪圖過程中，當帽窩尺寸取正公差，鋼腳尺寸取負公差時，α角取最大值；當帽窩尺寸取負公差，鋼腳尺寸取正公差時，α角取最小值。以本廠現使用的鐵帽和鋼腳尺寸為依據，算出的各等級球窩聯接的α角數值見表1。

表1 各等級球窩聯接的α角數值Table 1 The value ofαangle in all levels of ball and socket coupling

1.3 影響α角的原因

影響α角的大小除了帽窩和腳球的尺寸與公差外，帽耳高度H3也將影響α角的大小，帽耳高度H3的增大將減小鋼腳傾斜空間，但是在滑動過程中，腳球上表面緊貼帽窩上表面，鋼腳側壁與帽耳側壁距離較近，帽耳高度雖然可以影響α角的數值，但是影響微乎其微。

在GB/T 4056—2008《絕緣子串元件的球窩連接尺寸》中規(guī)定了各等級球窩聯接的帽窩和腳球的公稱尺寸及公差，但是沒有36與40兩種聯接方式。隨著國內特高壓電網的不斷發(fā)展，更高強度等級的產品應運而生，如額定機電破壞負荷為760 kN、840 kN懸式瓷絕緣子，伴隨著更高強度等級產品的到來，更高等級的球窩聯接方式也隨之出現。在該標準的最新送審版中對這兩種聯接方式進行了明確規(guī)定。對比表1中α角平均值可以發(fā)現，拋開36和40兩種聯接方式，隨著聯接等級的提高，α角平均值逐步減小，但是36和40兩種聯接方式不符合這種趨勢。

對于上述36和40聯接的異常情況，我們進行了深入研究。α角形成時，腳球上表面（r1）僅沿帽窩內腔上表面（R1）運動，那么r1與R1的大小將直接影響α角的大小，查閱GB/T 4056—2008《絕緣子串元件的球窩連接尺寸》和該標準的最新修訂送審版，同一聯接中r1與R1的數值相同，具體數值見表2。

表2 各等級球窩聯接的r1與R1數值Table 2 The value of r1and R1in all levels of ball and socket coupling

在表2中可以發(fā)現，36與40聯接的r1與R1和低等級聯接相比，并不是遞增關系，隨后將40聯接的r1和R1由55 mm改成70 mm，用圖解法求出α角，對比圖見圖2。

圖2 r1和R1的比較圖Fig.2 Comparison between r1and R1

從圖2中可發(fā)現，在40聯接中，當R1由55 mm增加到70 mm時，α角由3.72°降低到3.05°，即R1增大將導致α角變小，由于標準中R1不是隨著聯接等級的提高而增大，最終導致36與40兩種聯接方式的α角平均值不隨著聯接等級的提高而遞減。

2 關于β角的研究

2.1 β角的定義

β角是表征絕緣子串受到垂直方向的拉力和水平方向的其他作用力時，鋼腳腳球在帽窩中的傾斜運動引起的鋼腳軸線與鐵帽軸線間的角度，該運動受到帽窩內腔上表面、帽耳內壁和鎖緊銷上表面的限制。腳球在帽窩中的傾斜位置見圖3。

圖3 β角示意圖Fig.3 Figure of β angle

2.2 大瓷產品β角范圍

參考α角的計算方法，同樣用圖解法對β角進行計算，當腳球在帽窩中處于最佳傾斜位置時求得β角。對于β角，當帽窩尺寸取正公差，鋼腳尺寸取負公差，鎖緊銷厚度取負公差時，β角取最大值；當帽窩尺寸取負公差，鋼腳尺寸取正公差，鎖緊銷厚度取正公差時，β角取最小值。β角產生時，腳球會擠壓鎖緊銷前端，使其與鐵帽隔板接觸，作圖時腳球下端與隔板距離始終保持為鎖緊銷厚度T，實際上在傾斜過程中，腳球下端某一點與隔板的距離會略小于T，此值無法獲取，影響很小，作圖時將其忽略。以本廠現使用的鐵帽、鋼腳和鎖緊銷的尺寸為依據，算出的各等級球窩聯接的β角數值見表3。

表3 各等級球窩聯接的β角數值Table 3 The value ofβangle in all levels of ball and socket coupling

2.3 影響β角的原因

在用圖解法計算β角時，發(fā)現帽耳高度H3對β角影響很大，但是在GB/T 4056—2008《絕緣子串元件的球窩連接尺寸》中并未對其進行明確規(guī)定，每個生產廠家結合自身生產經驗和鐵帽材料及生產工藝會確定不同的帽耳高度，這勢必會導致同一聯接中存在不同的β角范圍。

為了探究帽耳高度H3對β角的影響，我們以本廠16AR聯接的帽腳為例，按照GB/T 4056—2008《絕緣子串元件的球窩連接尺寸》中16聯接通規(guī)的公稱尺寸將聯接通規(guī)畫出，與本廠16AR聯接的鐵帽進行配合，見圖4，從圖中可看出，帽耳高度還有4.8 mm的提升空間，以0.5 mm的提升速度逐步增加帽耳高度，用圖解法求出對應的β角，數值見表4。β角與H3的關系見圖5。

圖4 16AR聯接通規(guī)與鐵帽配合圖Fig.4 Hook-on“Go”gauge and cap of 16AR

表4 H3與β角對應關系表Table 4 The relationship between H3andβ

圖5 16AR聯接β角與H3關系曲線Fig.5 The relationship of β and H3in the coupling of 16AR

在表4中可發(fā)現，隨著鐵帽帽耳高度H3的增高，β角呈現遞減趨勢，從圖5可看出，對H3和β曲線進行擬合，經過多種擬合的嘗試，發(fā)現多項式與該曲線之間的R2值為0.999，說明趨勢線的擬合程度很高，可靠性亦很高。當其余尺寸不變時，16AR聯接中β角與H3的關系為

3 結論

基于GB/T 4056—2008《絕緣子串元件的球窩連接尺寸》和本廠生產過程中實際采用的聯接尺寸，用圖解法對各聯接等級的α角和β角進行計算，并對二者進行深入分析，得出以下結論：

1）當其余尺寸不變時，α角與腳球上表面圓弧r1和帽腔上表面圓弧R1及帽耳高度H3有關，隨著腳球上表面圓弧r1和帽腔上表面圓弧R1的增加，α角數值將減小；帽耳高度H3對α角影響很小。

2）當帽窩和腳球尺寸一定時，鎖緊銷厚度和帽耳高度H3將影響β角的大小，鎖緊銷厚度增加，帽窩空間變小，β角變??；帽耳高度H3的增大將導致β角變小，但不是簡單的線性關系，本廠16AR聯接中β角與H3的關系：β=0.004（H3）2-0.651H3+27.84。

參考文獻：

[1]關志成.絕緣子及輸變電設備外絕緣[M].北京：清華大學出版社，2006．

[2]邱志賢.高壓絕緣子的設計與應用[M].北京：中國電力出版社，2006．

[3]西安電瓷研究所.絕緣子串元件的球窩連接尺寸：GB/T 4056—2008[S].北京：中國標準出版社，2009.