特高壓輸電線路通用卡具的設(shè)計(jì)與分析

韓志軍 于智博 韓東峰 常彥 張斌

摘要：目前使用的更換絕緣子工具和儀器在更換輸電線路上的絕緣子串時(shí)，不能及時(shí)更換輸電線路側(cè)第一個(gè)損壞得絕緣子，在效率和通用性方面存在很大的不足。為了使特高壓線路更穩(wěn)定、更安全地運(yùn)行，本文開(kāi)發(fā)了一種新型通用卡具，可及時(shí)更換損壞的絕緣子，提高了特高壓線路的運(yùn)維效率。通過(guò)有限元法對(duì)新型卡具的力學(xué)性能進(jìn)行分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了新型卡具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞：高壓輸電線路，絕緣子串，通用卡具，有限元分析

1.引言

越來(lái)越多的特高壓交直流輸電線路投入運(yùn)行[1]，特高壓骨干網(wǎng)已逐步形成。目前，550kN絕緣子主要用于特高壓線路的耐張塔。由于受電場(chǎng)的影響，輸電線路側(cè)絕緣體上的電壓大于其他部位[2]的絕緣體，容易發(fā)生斷裂。目前，更換絕緣子工具和儀器在效率和通用性方面存在很大的不足。

實(shí)際工程中使用的絕緣子和金具的規(guī)格有很多?？ň咝枰鶕?jù)管件類型進(jìn)行非標(biāo)設(shè)計(jì)制造，應(yīng)用條件苛刻且專業(yè)。對(duì)于不同的配件，需要相應(yīng)的卡具來(lái)滿足實(shí)際需要，這樣會(huì)造成工具的積壓和浪費(fèi)。倉(cāng)儲(chǔ)卡具規(guī)格的增加，無(wú)形中造成了庫(kù)存管理的專業(yè)性和相關(guān)負(fù)責(zé)人的專業(yè)性，對(duì)操作人員的專業(yè)性提出了更高的要求[3]-[4]。為減輕倉(cāng)庫(kù)管理及相關(guān)負(fù)責(zé)人和操作人員的工作強(qiáng)度，有效降低管理成本，工具的通用化、易操作、輕量化、智能化已成為工具發(fā)展的方向。許多研究人員對(duì)絕緣子串更換線夾進(jìn)行了相關(guān)研究。例如，文獻(xiàn)[5]研究了500kV輸電線路更換絕緣子卡具，文獻(xiàn)[6]研究開(kāi)發(fā)了L形絕緣子更換卡具。但上述研究并未考慮夾具的通用性，應(yīng)用范圍存在局限。

基于以上分析，本文研制了一種新型通用卡具，可及時(shí)更換損壞的絕緣子，提高了特高壓線路的運(yùn)維效率。并通過(guò)有限元法對(duì)新型夾具的力學(xué)性能進(jìn)行分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了新型卡具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。

2.通用卡具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1）材料參數(shù)

比強(qiáng)度是材料的抗拉強(qiáng)度與表觀密度的比值，也稱為強(qiáng)度重量比。比強(qiáng)度是材料輕量化的重要指標(biāo)。優(yōu)質(zhì)的材料必須具有較高的比強(qiáng)度，即強(qiáng)度高、重量輕。通過(guò)比較不同材料的比強(qiáng)度，選擇性能更高的材料進(jìn)行通用卡具的設(shè)計(jì)和制造。表1所示為不同材料的比強(qiáng)度。從表1中可以看出，滿足高強(qiáng)度輕量化要求的高強(qiáng)度鋁合金和高強(qiáng)度鈦合金比其他材料具有更高的比強(qiáng)度，便于現(xiàn)場(chǎng)施工和高空施工要求。此外，高強(qiáng)度鈦合金的剛度比明顯優(yōu)于其他材料。因此，本文選用高強(qiáng)度鈦合金制作萬(wàn)能夾具。

2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與受力分析

本文以1000kV特高壓輸電線路單片瓷絕緣子更換鈦合金卡具為例進(jìn)行

分析。通用卡具尺寸及結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其中a為通用卡具前夾，b為絲桿，c為通用卡具后夾。通用卡具代替原絕緣子承受拉力。受力示意圖如圖1所示。

通用卡具工作時(shí)，需要擰緊絲桿，卡箍與剛性帽的接觸部分可視為固定約束，左右端耳板可視為加載端。在分析通用卡具的力學(xué)性能時(shí)，前后夾具可以等效為一個(gè)簡(jiǎn)單的梁，受3點(diǎn)力平衡，可以認(rèn)為前后卡具上的力相同。根據(jù)通用卡具的受載特性和邊界條件可知，該結(jié)構(gòu)主要承受彎矩和剪切力，整體結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化為如圖2所示。

根據(jù)圖2，可以計(jì)算出前后卡具的相關(guān)參數(shù)。假設(shè)前后卡具受力相同，等效示意圖如圖2所示。由于橫截面結(jié)構(gòu)的不同，前后夾鉗的相關(guān)參數(shù)將分別進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算。

3.通用卡具機(jī)械特性分析

本文采用AitairHyperWorks軟件用作有限元分析工具。為減少計(jì)算規(guī)模，盡可能真實(shí)地反映通用卡具的主要力學(xué)性能，需要對(duì)通用的三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，如對(duì)零件表面進(jìn)行平滑處理等。圖5所示為有限元分析的流程圖。

施加載荷和邊界條件后進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和分析。采用SolidWorks3D建模軟件用于對(duì)通用卡具進(jìn)行建模。根據(jù)通用卡具圖紙和受力邊界條件，建立卡具結(jié)構(gòu)的三維有限元模型和幾何模型。紅色部分代表約束，綠色部分代表施加載荷。有限元模型的單元總數(shù)和節(jié)點(diǎn)總數(shù)分別為272875和56778。圖6所示為通用卡具的三維模型。圖7-圖9所示為施加載荷和邊界條件后的通用卡具的有限元模型，以及整個(gè)模塊的應(yīng)力云圖和位移云圖。從上圖可以看出，裝置受力時(shí)的最大應(yīng)力為618.3Mpa，出現(xiàn)在A-A截面上。材料屈服強(qiáng)度為824Mpa，滿足強(qiáng)度要求。此外，其他構(gòu)件的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力均小于相應(yīng)的許用應(yīng)力，強(qiáng)度符合要求。萬(wàn)能夾最大位移為1.82mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.通用卡具機(jī)械實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1）通用卡具制作工藝分析

根據(jù)鈦合金材料的特點(diǎn)，本文制定了通用卡具制造工藝。鈦合金硬度大于300HBS～350HBS時(shí)，切削困難。造成加工困難的原因不僅在于材料硬度，而是鈦合金的機(jī)械、化學(xué)和物理性能的綜合。變形系數(shù)小是鈦合金切削的最大優(yōu)點(diǎn)。這是因?yàn)殁伜辖鸬乃苄孕?，切削收縮也小。但在切削過(guò)程中，切削部件的主切削力比45鋼小，背力比45鋼大20%。切削鈦合金時(shí)，切削溫度比同等條件下切削其他材料高1倍以上。并且最高溫度在刀具附近的小區(qū)域內(nèi)。原因是鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)小，切屑接觸長(zhǎng)度短（僅為45鋼的50%～60%）。切削鈦合金時(shí)，由于切削熱量大，切削溫度高，附近切削集中，月牙形凹坑會(huì)迅速發(fā)展為切削刃損傷。由于鈦的化學(xué)親和力高，再加上切屑的高溫高壓作用，切削時(shí)容易發(fā)生嚴(yán)重的粘著現(xiàn)象，導(dǎo)致刀具的結(jié)合磨損。圖10所示為本文設(shè)計(jì)的通用卡具實(shí)物圖。

4.通用卡具機(jī)械實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2）通用卡具機(jī)械實(shí)驗(yàn)

在大型拉力機(jī)上進(jìn)行通用卡具的力學(xué)實(shí)驗(yàn)。圖11所示為實(shí)驗(yàn)裝置圖。通用卡具和絕緣子串組裝安裝在拉力機(jī)上。設(shè)備的張力根據(jù)輸送線實(shí)際張力增加2.5倍以上，然后啟動(dòng)拉力機(jī)。

當(dāng)施力增加到輸電線路實(shí)際張力的2.5倍時(shí)，通用卡具沒(méi)有出現(xiàn)損壞，最大變形為4.25mm。拉力機(jī)卸載后，通用卡具無(wú)變形，無(wú)損壞跡象，符合設(shè)計(jì)要求。圖11所示為通用卡具安裝示意圖。

總結(jié)

為了使特高壓線路運(yùn)行更穩(wěn)定、更安全，本文研制了一種新型通用卡具，可以及時(shí)更換損壞絕緣子，提高了特高壓線路的運(yùn)維效率。對(duì)于不同類型的連板，可以更高效地完成輸電線路側(cè)第一個(gè)損壞絕緣子的更換。通過(guò)有限元法對(duì)新型卡具的力學(xué)性能進(jìn)行分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了新型卡具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。

致謝

本項(xiàng)目由國(guó)網(wǎng)山西省電力公司科技項(xiàng)目資助，項(xiàng)目編號(hào)52051018001A。

參考文獻(xiàn)：

[1]付穎，徐光輝，李春迎，楊國(guó)華，王宇.特高壓直流閥廳金具選型與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].高壓電器，2018，54（05）：190-196.

[2]陸文叁，劉寶龍，吳正樹(shù)，李昌甫.帶電更換±800kV直流線路L型絕緣子串專用工具的研制[J].廣西電力，2017，40（05）：59-61.DOI：10.16427/j.cnki.issn1671-8380.2017.05.014.

[3]普子恒，徐晨，趙偉，方春華，吳田.帶電更換1000kV耐張絕緣子時(shí)的工器具和人體電場(chǎng)分布研究[J].高壓電器，2021，57（05）：84-92.DOI：10.13296/j.1001-1609.hva.2021.05.012.

[4]李俊峰，劉紅偉，姜國(guó)慶，陶留海，王常飛.1000kV特高壓輸電線路檢修專用絕緣子卡具的研制[J].電力建設(shè)，2010，31（07）：33-40.

[5]賴旭輝，帶電更換耐張絕緣子“通用”卡具作業(yè)項(xiàng)目研究.福建省，國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司泉州供電公司，2014-01-20.

[6]潘榮超，徐元超，韓正新，李冰冰，劉太東.500kV輸電線路Ⅰ型懸垂絕緣子串通用卡具研究[J].山東電力技術(shù)，2020，47（01）：48-51.