絕緣穿刺線夾帶電安裝作業(yè)現(xiàn)狀分析和改進(jìn)

吳少雷，馮 玉，吳 凱，陳 銳，王 偉

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009)

0 引言

社會(huì)生產(chǎn)力的提高使得機(jī)關(guān)廠礦和百姓對(duì)電力的依賴程度日益增強(qiáng)。絕緣穿刺線夾作為一種電力接續(xù)金具，已被廣泛運(yùn)用于配網(wǎng)架空線路、建筑施工等多個(gè)領(lǐng)域。絕緣穿刺線夾主要是用來完成1 kV，10 kV或20 kV電纜、絕緣導(dǎo)線(以下簡(jiǎn)稱線纜)主、支線的接續(xù)技術(shù)，與以往接續(xù)技術(shù)相比較，絕緣穿刺線夾的結(jié)構(gòu)特性更符合電纜的供電形式。由于絕緣穿刺線夾具有安裝簡(jiǎn)便、可靠安全以及高性價(jià)比等優(yōu)越性，在發(fā)達(dá)國(guó)家早已廣泛使用，并且在線路安全穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)超過40年。近年來，在國(guó)內(nèi)穿刺線夾連接方式逐漸取代電纜分線箱和預(yù)分支電纜等連接方式，解決了線纜接續(xù)面臨的技術(shù)難點(diǎn)，同時(shí)創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益，很有發(fā)展前途。

在使用絕緣穿刺線夾進(jìn)行電力線路接續(xù)作業(yè)的過程中，其安裝方式主要是依靠絕緣防護(hù)措施近距離操作，實(shí)施難度高、人力物力耗費(fèi)大，同時(shí)在安全性上還存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。因此，電力企業(yè)對(duì)如何更安全、高效的安裝線夾投入了很大精力，例如優(yōu)化線夾設(shè)計(jì)，又或是研制相關(guān)的絕緣安裝工具，使得工作效率和安全性得到極大的提升。

1 絕緣穿刺線夾簡(jiǎn)介

絕緣穿刺線夾如圖1所示。它主要由絕緣體、穿刺接觸刀片、密封膠圈、力矩螺母與螺栓等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 絕緣穿刺線夾

圖2 絕緣穿刺線夾結(jié)構(gòu)

其工作原理是：在擰緊力矩螺母的過程中，絕緣穿刺線夾的2塊絕緣體同時(shí)緊閉，隨著絕緣體的運(yùn)動(dòng)，絕緣體內(nèi)部嵌套的穿刺接觸刀片從接觸線纜的絕緣皮層進(jìn)入，再刺破絕緣皮層與金屬導(dǎo)線接觸。當(dāng)穿刺刀片與線纜金屬導(dǎo)線接觸效果達(dá)到最佳時(shí)，即擰緊和穿刺力度達(dá)到最佳時(shí)，力矩螺母會(huì)自動(dòng)斷裂脫落，穿刺完成。在整個(gè)穿刺過程中，隨著絕緣體的閉合，線夾內(nèi)部密封膠圈不斷壓迫穿刺位置附近，同時(shí)絕緣體內(nèi)的硅脂也會(huì)溢出，填充穿刺產(chǎn)生的間隙，以達(dá)到密封防水效果。

2 安裝作業(yè)現(xiàn)狀

在配電線路中，許多線纜架空敷設(shè)，工作人員在地面無法直接開展絕緣穿刺線夾的安裝作業(yè)。

目前，國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)絕緣穿刺線夾安裝采用絕緣斗臂車輔助安裝。因斗臂車具有良好的絕緣性能，可保證工作人員的人身安全；且結(jié)構(gòu)機(jī)動(dòng)性好，使得作業(yè)空間范圍廣，升空作業(yè)十分方便。當(dāng)工作人員在絕緣斗臂車上工作時(shí)，必須事先做好絕緣防護(hù)措施，包括絕緣服與絕緣手套的穿戴。在工作過程中，需事先將支線纜放入線夾支線槽，讓線夾主線槽定位主線纜。在保持與主、支線槽良好配合的主、支線纜相互平行后，再完成線纜接續(xù)工作。

但在地形復(fù)雜、路面傾斜等復(fù)雜條件下，或是斗臂上方存在障礙物時(shí)，絕緣斗臂車的使用就受到了限制，帶電作業(yè)無法順利開展。此時(shí)，一般是在作業(yè)對(duì)象附近搭建絕緣平臺(tái)來開展帶電作業(yè)；但搭建絕緣平臺(tái)人力物力耗費(fèi)龐大，且勞動(dòng)強(qiáng)度更大，不是理想作業(yè)方式。

2.1 直接作業(yè)

直接作業(yè)法就是在絕緣防護(hù)條件下帶電安裝絕緣穿刺線夾的作業(yè)方法。此方法需要多個(gè)工作人員合作完成；不僅需要確定穿線線夾與主、支線纜的把持定位，還要依靠輔助工具(套筒扳手)擰緊絕緣穿刺線夾力矩螺母。這就使得絕緣穿刺線夾安裝可靠性受到人為操作和工作人員專業(yè)水平的影響。

為了提高線夾安裝可靠性，從絕緣穿刺線夾本身結(jié)構(gòu)入手，提出了一些改進(jìn)措施，如對(duì)普通絕緣穿刺線夾進(jìn)行優(yōu)化，加長(zhǎng)了緊固力矩螺母，以方便操作桿安裝；在線夾絕緣體兩側(cè)增加了導(dǎo)線柔性固定器，從而限制導(dǎo)線的位置；另外，在不影響穿刺效果的前提下，對(duì)穿刺刀片的刀刃進(jìn)行圓潤(rùn)處理，提高了刀片與線纜金屬導(dǎo)線的接觸面積。

2.2 絕緣工具作業(yè)

在直接作業(yè)法中，由于人體與帶電體間隔過近，必須占有帶電設(shè)備固有凈空，設(shè)置、拆除絕緣遮蔽過程較危險(xiǎn)，操作程序復(fù)雜，勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)過程中存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)；所以配套設(shè)計(jì)了絕緣工具，使人體無需占據(jù)帶電設(shè)備固有凈空，與帶電體的安全距離得到保證，作業(yè)安全性得到改善。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]，沈一平等通過分析絕緣穿刺線夾本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)線夾結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，在絕緣外殼部分增加了支線固定裝置，以及在螺栓部分配置了操作桿的軌道裝置，研制出了一種新型絕緣穿刺線夾及其絕緣聯(lián)動(dòng)桿配套操作裝置，并開展了相關(guān)性能試驗(yàn)和實(shí)地運(yùn)行，接續(xù)性能穩(wěn)定可靠。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]，詹斌等設(shè)計(jì)了一種間接接引法及其應(yīng)用延伸的10 kV帶電安裝絕緣穿刺線夾工具，可在線纜接續(xù)位置進(jìn)行引線測(cè)量和量取，并利用操作桿將穿刺線夾舉入安裝位置；此時(shí)可將主線纜推至線夾的主線槽內(nèi)，再利用鎖桿定位支線纜將其推送至穿刺線夾的支線槽，最后利用操作桿間接控制扳手，擰緊穿刺線夾的力矩螺栓。

絕緣工具的使用是更高效普遍的線夾安裝技術(shù)，省時(shí)省力，大大減少人員勞動(dòng)強(qiáng)度。在絕緣工具設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮安全性，也需要關(guān)注工具的可靠、高效和便捷。

2.3 機(jī)器人作業(yè)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器和人工智能等領(lǐng)域的發(fā)展，絕緣穿刺線夾安裝作業(yè)以及其他帶電作業(yè)機(jī)器人的研究也在不斷推進(jìn)。帶電作業(yè)機(jī)器人可輔助人員操作，或是直接代替工作人員完成整個(gè)作業(yè)過程；不僅保證了工作人員的人身安全，而且提高了工作效率，操作規(guī)范性強(qiáng)。但機(jī)器人價(jià)格昂貴，對(duì)作業(yè)空間也有一定要求，目前在復(fù)雜架設(shè)方式的配電線路上難以使用，離大規(guī)模商用還存在一定差距。

3 存在問題和改進(jìn)措施

絕緣穿刺線夾本身質(zhì)量不過關(guān)是配電線路線夾運(yùn)行出現(xiàn)故障的重要原因。質(zhì)量問題集中體現(xiàn)在：線夾緊固力矩螺母的強(qiáng)度和尺寸大小不同，會(huì)造成與導(dǎo)線金屬部位的穿刺接觸面大小有異；絕緣殼體材料性能差、嵌套的穿刺刀片組數(shù)少或刀片材料導(dǎo)電性差、密封設(shè)計(jì)及安裝工藝不合理等。這些問題都會(huì)造成線夾使用壽命下降，甚至導(dǎo)致線路故障。

3.1 線夾設(shè)計(jì)

穿刺線夾力矩螺母扭矩值的設(shè)定是線夾安裝可靠性的關(guān)鍵。從穿刺線夾的工作原理可以看出，線夾完成主線纜與支線纜的接續(xù)完全依靠穿刺刀片刺穿線纜絕緣皮層直至接觸金屬導(dǎo)線。

良好的接觸效果必須依靠力矩螺母扭矩值的合理設(shè)定。如果緊固力矩螺母的扭矩值預(yù)設(shè)太小，會(huì)造成上述過程中的接觸不到位，刀片與金屬導(dǎo)線的實(shí)際電氣接觸面積較小，從而使接觸電阻變大，電流通過時(shí)產(chǎn)生過高的焦耳熱，甚至燒毀線夾和導(dǎo)線。如果力矩螺母的扭矩值預(yù)設(shè)太大，穿刺刀片會(huì)刺破導(dǎo)線金屬表層使導(dǎo)體損傷，影響導(dǎo)線的載流量，同時(shí)使一直承受線路張力的導(dǎo)線機(jī)械強(qiáng)度降低，極有可能引發(fā)線路斷開事故。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]，李禾等通過試驗(yàn)探討了絕緣穿刺線夾力矩螺母扭矩值的確認(rèn)方法，為解決當(dāng)前在穿刺線夾應(yīng)用中存在的主要問題提供了思路。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]，應(yīng)含含等針對(duì)線纜長(zhǎng)期運(yùn)行可能發(fā)生的蠕變現(xiàn)象，在穿刺線夾固定扭矩值力矩螺母設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，增加配置了一種碟形彈力墊片，可在力矩螺母達(dá)到預(yù)定扭矩?cái)嗔褧r(shí)吸收產(chǎn)生的反彈能量。該能量可在線纜蠕變時(shí)及時(shí)釋放補(bǔ)償，從而保證原有的穿刺與接觸效果，使安裝可靠性得以延續(xù)。

穿刺刀片作為線纜的過渡導(dǎo)體，與導(dǎo)線的接觸問題也是影響安裝可靠性的重要因素。宏觀上，穿刺線夾的穿刺點(diǎn)是面接觸。從線夾的工作原理來看，在緊固力矩螺母的過程中，隨著力矩螺母的繼續(xù)緊固，穿刺刀片會(huì)繼續(xù)深入穿透絕緣層，同時(shí)刀片尖頭會(huì)與絕緣層摩擦，摩擦?xí)沟镀忸^逐漸變成禿頭，最終刀片尖頭與導(dǎo)體接觸時(shí)會(huì)變成面接觸。為了保證更好的有效接觸面積和導(dǎo)電性能，穿刺接觸刀片多是利用高導(dǎo)電合金外加鍍銅鋅工藝制成，有利于銅鋁制電纜導(dǎo)線的過渡。為了適用于直徑異同的線纜連接，刀片的穿刺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)呈圓弧形，擴(kuò)大了線纜的連接范圍。另外，單個(gè)穿刺線夾所含的刀片組數(shù)依據(jù)作業(yè)條件也有限定，組數(shù)過少會(huì)使接觸電阻過大；組數(shù)過多則會(huì)造成對(duì)導(dǎo)體的損傷，降低導(dǎo)體的機(jī)械強(qiáng)度和載流性能。

傳統(tǒng)穿刺刀片對(duì)殼體的壓力太大，刀片背部的絕緣體阻力太小，受熱膨脹后容易與殼體脫離一段距離，從而形成虛接。另外，穿刺線夾在運(yùn)行過程中，會(huì)受到線纜的拉力、雨水腐蝕、風(fēng)吹震動(dòng)和積雪覆蓋，這些都對(duì)線夾絕緣體的材料性能提出了更高要求。因此，選擇絕緣體材料時(shí)，必須關(guān)注其是否具有良好的抗扭防震、防水耐腐蝕、耐高溫和較高的硬度彈性等特性。

3.2 安裝工藝

穿刺線夾的選用不僅需根據(jù)電壓或其他條件，還要事先測(cè)量所連接的主、支線纜的線徑，挑選合適的線夾。選型不匹配極有可能帶來導(dǎo)線虛接或?qū)Ь€斷裂等后果。

絕緣穿刺線夾多為雙力矩螺母結(jié)構(gòu)，且2個(gè)螺母相距較近。目前使用的力矩螺母擰緊工具為單輸出結(jié)構(gòu)的套筒扳手，操作時(shí)必須先后交替擰緊螺母，擰緊不同步很容易導(dǎo)致穿刺變形，影響穿刺接觸效果。同樣，在利用單輸出結(jié)構(gòu)的絕緣力矩螺母擰緊工具進(jìn)行遠(yuǎn)程操作時(shí)，工具輸出端口與力矩螺母的配合需要來回切換，過程繁瑣并且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，大大降低了工作效率。

安徽省電力公司電力科學(xué)院在2018年研制了一種對(duì)絕緣穿刺線夾力矩螺母輸入扭矩的同步雙輸出沖擊裝置，由電機(jī)帶動(dòng)沖擊塊旋轉(zhuǎn)，通過沖擊塊的儲(chǔ)能、減速，再經(jīng)過齒輪組的傳動(dòng)，給雙輸出軸輸出動(dòng)力。螺栓尾部的沖擊式擊斷可以保證擰緊力矩，進(jìn)而保證觸點(diǎn)的接觸。2個(gè)輸出端的同步靜差率通過測(cè)試保持在0.06 %以內(nèi)，完成單個(gè)線夾安裝平均耗時(shí)0.5 min，作業(yè)效率得到顯著提高。

使用絕緣工具安裝作業(yè)時(shí)，主線與支線的定位也值得考究，若安裝過程中主線或支線滑移甚至脫落，會(huì)造成安裝不可靠或失敗，這是研制工具時(shí)值得重視的一點(diǎn)。安徽省電力公司電力科學(xué)院設(shè)計(jì)了一種安裝工具，由操作人員先將線夾與支線纜夾緊固定在工具上，再利用整個(gè)工具去捕獲定位主線纜進(jìn)行安裝，待安裝完成后利用工具的解鎖機(jī)構(gòu)同步解鎖線夾、主線纜和支線纜，保證了工藝質(zhì)量，自動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單。

4 結(jié)束語

絕緣穿刺線夾作為工程、電力等行業(yè)廣泛應(yīng)用的電氣設(shè)備，解決了線纜接續(xù)的技術(shù)難題，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著。同時(shí)，由于科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，開發(fā)更為高效、安全、可靠的絕緣穿刺線夾安裝方式已逐步成為現(xiàn)階段的研究趨勢(shì)。