新型輕量化500 kV地線掛接輔助裝置研究

婁方橋 潘 科 張 英

(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司培訓(xùn)與評(píng)價(jià)中心，貴州 貴陽 551417)

0 引言

架設(shè)地線是變電站檢修前的必要安全措施，為作業(yè)人員提供安全保障。500 kV變電站地線長度普遍在12 m以上，截面面積通常不小于35 mm2，導(dǎo)線自重大，人工舉升時(shí)，重心遠(yuǎn)離操作人員，舉升阻力較大，掛接桿稍有晃動(dòng)，即引起阻力臂急劇增大失穩(wěn)，而引起掛接桿傾倒，導(dǎo)致人工掛接地線難以完成或因誤觸其他電氣設(shè)備造成事故。

目前，500 kV變電站接地線停電掛接主要采用斗臂車、升降檢修平臺(tái)等設(shè)備，將工作人員送至預(yù)定高度進(jìn)行操作。由于變電站場地限制，采用斗臂車等進(jìn)行作業(yè)時(shí)，存在誤撞高壓線路風(fēng)險(xiǎn)。此外，雖檢修線路處于停電狀態(tài)，但開路線路等效較大預(yù)充電電容，存在放電可能，操作人員高空墜落及遭受感應(yīng)電擊風(fēng)險(xiǎn)較大，掛接設(shè)備成本高，需多人協(xié)作，作業(yè)時(shí)間1 h左右，效率低。

為提高掛接地線效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、安全風(fēng)險(xiǎn)和節(jié)約成本，現(xiàn)設(shè)計(jì)新的接地線掛設(shè)裝置并對(duì)掛接方法進(jìn)行改進(jìn)。

1 傳統(tǒng)方法存在的問題及改進(jìn)要點(diǎn)

人工操作時(shí)，在豎起操作桿的同時(shí)要控制操作桿移動(dòng)以及定位懸掛，對(duì)手臂力量要求高，稍有不慎即造成傾倒而失敗，原因是作業(yè)方式超出正常成人體力要求，有必要改進(jìn)，減小力量要求，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

利用斗臂車、升降檢修平臺(tái)掛地線，成本高、有誤觸電氣設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)，迫切需要一種低成本、輕便靈活、快速安全實(shí)現(xiàn)掛地線的輔助裝置。

針對(duì)問題，研發(fā)一種新型500 kV變電站接地線高空掛接輔助裝置，用于配合人工掛接操作桿進(jìn)行接地線裝設(shè)，實(shí)現(xiàn)安全高效掛接。

2 新型輔助掛接裝置方案

2.1 總體設(shè)計(jì)方案

傳統(tǒng)升降裝置采用電動(dòng)、氣動(dòng)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，重量大。金屬材質(zhì)存在絕緣安全隱患。本設(shè)計(jì)采用絕緣繩驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，提高安全性的同時(shí)，大幅度簡化導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，減輕重量，達(dá)到輕量化目的。驅(qū)動(dòng)裝置采用自鎖式手搖操縱機(jī)構(gòu)，減少動(dòng)力裝置復(fù)雜性，增加可靠性，減少故障點(diǎn)。

輔助升降裝置采用多級(jí)嵌套升降桿結(jié)構(gòu)，下降時(shí)能逐級(jí)套入底部升降桿，收納后高度滿足GB/T 18037—2008要求，能雙人攜帶。工作時(shí)，多級(jí)升降桿向上舉升掛接鉤能達(dá)11.2 m的高度，作業(yè)人員能輕松完成掛接桿舉升，只需專注控制掛接桿完成掛接操作。可拆卸式保護(hù)繩設(shè)計(jì)，可避免掛接失敗和安全事故。為提高抗傾覆性，支撐部分采用折疊可伸縮式三支撐腳結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)穩(wěn)定性，縮減收納時(shí)體積。設(shè)置水平儀對(duì)垂直度進(jìn)行控制，確保安全。裝置總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2.2 支腿及調(diào)平裝置設(shè)計(jì)

支腿是裝置支撐結(jié)構(gòu)，牢固程度影響支架穩(wěn)定性?？紤]便攜性，底座在滿足強(qiáng)度基礎(chǔ)上盡可能減少不必要重量。

為保障安全，裝置要在各工況下有足夠抗傾覆能力。抗傾覆能力取決于傾覆力矩與裝置抗傾覆力矩相對(duì)大小。支腿橫向距離增大，支撐點(diǎn)遠(yuǎn)離載荷作用點(diǎn)時(shí)，抗傾覆力矩增加，但過大的抗傾覆力矩會(huì)導(dǎo)致支腿長度和重量增加，不利于輕型化，因而要適當(dāng)根據(jù)總載荷的大小確定合適長度。引起裝置傾覆的外載荷包括風(fēng)荷與掛接桿對(duì)保護(hù)繩產(chǎn)生的拉力。

根據(jù)下式計(jì)算風(fēng)荷W：

W=ρ0×v02/2。

其中，ρ0為空氣密度，取ρ0=1.3 kg/m3；v0為風(fēng)速。

變電站檢修氣候條件一般較好，所允許最大風(fēng)速為7.9 m/s，則風(fēng)荷為：

W=1.3×7.92/2=0.041 kN/m2。

升降桿各段在最高風(fēng)速下所受風(fēng)荷所產(chǎn)生的對(duì)于支座中心傾覆力矩為187 N·m。

載有12 kg工作載荷的升降裝置抗傾覆力矩與支腿長度成正比，當(dāng)支腿長度為2.2 m時(shí)，裝置抗傾覆力矩為583 N·m，遠(yuǎn)大于傾覆力矩，裝置具有良好抗傾覆性。當(dāng)?shù)鼐€掛接桿被取下，會(huì)由于牽引繩的作用對(duì)裝置產(chǎn)生傾覆力矩，根據(jù)裝置結(jié)構(gòu)尺寸，計(jì)算得保護(hù)繩與豎直方向夾角處于最大值12°時(shí)，載荷產(chǎn)生的最大傾覆力矩為299 N·m，最大風(fēng)荷與保護(hù)繩最大傾覆力矩疊加后，總傾覆力矩為486 N·m，小于裝置抗傾覆力矩583 N·m，具有足夠抗傾覆安全性。

以上計(jì)算均在升降桿理想豎直狀態(tài)下進(jìn)行，當(dāng)掛接桿在豎直方向上偏離1°和2°時(shí)，升降桿頂端11 m處的偏離距離分別為19 cm和38 cm，使裝置傾覆性能變差，嚴(yán)格限制升降桿的豎直度，偏差不應(yīng)超過0.5°。設(shè)置了高精度水平儀，用于調(diào)整升降桿最下一節(jié)豎直度，避免過度偏斜導(dǎo)致抗傾覆力下降。為提高裝置穩(wěn)定性，增加支架橫梁強(qiáng)度，設(shè)置踩踏點(diǎn)，必要時(shí)以人力踩踏方式增加配重，提升裝置抗傾覆安全性。

考慮支腿過長引起布置不便，不便于裝置收納，將支腿設(shè)置為伸縮式可折疊結(jié)構(gòu)，三條支腿由兩節(jié)鋁矩管套接而成。工作時(shí)，首先展開折疊結(jié)構(gòu)，將斜撐固定于升降桿中部支架，拉出伸縮支腿，調(diào)節(jié)支腳，使水平儀處于水平位置。支腿結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3 升降桿與導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

裝置絕緣性是關(guān)注重點(diǎn)，按相關(guān)要求，接地桿頭部對(duì)地絕緣電阻不小于5 000 MΩ。升降桿不能采用安全性好、強(qiáng)度高金屬材料制作，只能選擇電工絕緣材料。圓形截升降桿在舉升過程中的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)引起地線掛接桿位置無法控制，因而升降桿截面采用方管結(jié)構(gòu)，方管的一部分內(nèi)側(cè)面和外側(cè)面兼做導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，簡化導(dǎo)向。同時(shí)方管結(jié)構(gòu)抗彎性能均衡，抗彎能力優(yōu)于實(shí)心截面材料，可減輕重量，為升降桿套接提供便利。

滿足設(shè)計(jì)需求的升降桿型材需要采用模具制作，開發(fā)成本高、周期長，無法滿足應(yīng)用需要。采用現(xiàn)有型材，尺寸無法匹配設(shè)計(jì)要求，會(huì)造成部分材料截面增加和補(bǔ)償尺寸不足而造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。以第一節(jié)和第二節(jié)伸縮桿為例，40×3方矩管型材套入60×3的方矩管型材中，40型材外側(cè)和相接觸的60型材內(nèi)側(cè)作為互相接觸的導(dǎo)向面，40型材其他各側(cè)面與60型材內(nèi)表面均有一定間隙，在伸縮時(shí)無法穩(wěn)定導(dǎo)向。60型材首端導(dǎo)向零件與40型材尾部導(dǎo)向結(jié)構(gòu)均采用高強(qiáng)度鋁合金制作，如圖3，圖4所示。

類似的，逐級(jí)按照玻纖增強(qiáng)環(huán)氧方管型材的實(shí)際尺寸設(shè)計(jì)制作各級(jí)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)順利導(dǎo)向。

2.4 驅(qū)動(dòng)與回位裝置設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)升降桿伸縮運(yùn)行，需要布置驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。在第一節(jié)40型材尾端導(dǎo)向件上固定驅(qū)動(dòng)繩的一端，然后將驅(qū)動(dòng)繩從60型材內(nèi)壁與40型材外壁的間隙向上穿出，繞過60型材頂端的滑輪后，向下穿入60型材與80型材的間隙中，再繞過60型材底部的滑輪后轉(zhuǎn)向上行，沿60型材與80型材的間隙上行至80型材首端的滑輪。驅(qū)動(dòng)繩依次繞過各轉(zhuǎn)向滑輪，到達(dá)固定于最下部玻纖環(huán)氧方管外側(cè)手搖升降器中，在升降器中纏繞一周后下行到達(dá)升降裝置底部，繞過底部滑輪后，從40型材底部穿入并與固定于型材內(nèi)部的回位拉繩聯(lián)接，構(gòu)成驅(qū)動(dòng)、定位與回位結(jié)構(gòu)。當(dāng)手搖停止時(shí)，驅(qū)動(dòng)器由于自鎖而停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)升降桿在驅(qū)動(dòng)拉繩拉力下保持高度。反向轉(zhuǎn)動(dòng)手搖驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)繩反向運(yùn)行，升降桿在回位拉繩作用下縮回，直至各節(jié)伸縮桿到達(dá)限位位置，如圖5，圖6所示。

驅(qū)動(dòng)繩、滑輪與手搖驅(qū)動(dòng)器的總重約為1.2 kg，遠(yuǎn)小于常用氣動(dòng)、液壓和機(jī)械機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)輕量化，降低零件配合要求，便于制造和維護(hù)。

2.5 掛接安全繩保護(hù)結(jié)構(gòu)

由于操作不當(dāng)?shù)仍?，容易?dǎo)致掛接失敗。在無安全保護(hù)繩的情況下，掛接桿掛接失敗容易產(chǎn)生誤觸其他電氣設(shè)備的事故，再次操作，降低了掛接工作效率。在無保護(hù)繩結(jié)構(gòu)時(shí)，當(dāng)掛接桿脫離設(shè)備上接地桿支座后，需人工舉升接地桿，接地桿及地線重量載荷全部由作業(yè)人員負(fù)擔(dān)，勞動(dòng)強(qiáng)度很高。為此設(shè)置了保護(hù)繩結(jié)構(gòu)，保護(hù)繩采用蠶絲絕緣繩制作，一端與地線掛接桿首節(jié)下部固定，繞過頂部導(dǎo)向結(jié)構(gòu)后，向下拉出聯(lián)接于支架上，并略收緊。即使出現(xiàn)掛接失敗，掛接桿也不會(huì)傾倒，可以迅速進(jìn)行二次掛接，有效減少接地線掛接操作時(shí)間，提高效率。 保護(hù)繩及保護(hù)桿如圖7所示。

2.6 行走結(jié)構(gòu)

根據(jù)GB 12330—1990規(guī)定，男性搬運(yùn)物體重量不超過15 kg，本裝置總體重量超過40 kg，超過兩人搬運(yùn)的重量極限，為方便運(yùn)輸設(shè)計(jì)運(yùn)輸輪行走結(jié)構(gòu)，行走輪支座位于升降桿最下端。

2.7 其他結(jié)構(gòu)

通過以上設(shè)計(jì)，完成500 kV接地線掛接輔助裝置，實(shí)現(xiàn)舉升、輔助掛接、回位收納以及搬運(yùn)等功能。為進(jìn)一步提高裝置性能，對(duì)如下細(xì)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)。首先，升降過程中，玻纖環(huán)氧樹脂中的硬質(zhì)玻璃纖維對(duì)鋁合金導(dǎo)向件有強(qiáng)烈的磨損作用，為延長耐磨壽命，采用軸承鋼對(duì)耐磨面進(jìn)行局部增強(qiáng)。鋁合金支腿的伸縮導(dǎo)向潤滑則直接采用具有良好機(jī)械和潤滑性能的尼龍材料制作。采用帶滾珠軸承的滑輪以減小裝置運(yùn)行阻力，滑輪槽則采用硬度低且能自潤滑的尼龍制作，以延長驅(qū)動(dòng)繩磨損使用壽命。

3 結(jié)語

本文對(duì)500 kV變電站裝設(shè)接地線困難的問題進(jìn)行了分析，并專門設(shè)計(jì)了輔助接地線掛接裝置。新型地線掛接輔助裝置具有輕便、高效、省力的特點(diǎn)，其使用能有效地降低500 kV變電站地線掛接難度，縮短裝設(shè)時(shí)間，提高工作效率。且裝置收納方便、成本較低，有利于其廣泛配置，便于變電站運(yùn)行維護(hù)工作的開展，能有效減少運(yùn)行維護(hù)時(shí)間，提高電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益，為企業(yè)贏得良好社會(huì)聲譽(yù)。