基于輸電線路帶電萬能多向螺栓緊固工具設(shè)計(jì)應(yīng)用*

石 磊，王 勇，吳有鵬

(國網(wǎng)甘肅省電力公司 酒泉供電公司，甘肅 酒泉 735000)

0 引 言

電力業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱型產(chǎn)業(yè)，在經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的背景下，用電總量急劇增加，架空輸電線路規(guī)模日漸擴(kuò)大。 隨著輸電設(shè)備故障頻繁出現(xiàn)，及時(shí)有效檢修工作越發(fā)重要。 傳統(tǒng)停電檢修處理的作業(yè)方式不僅會造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，還會影響輸電線路運(yùn)行的質(zhì)量與效率[1]。 機(jī)器人帶電作業(yè)的先進(jìn)檢修系統(tǒng)廣泛應(yīng)用在輸電線路中，但帶電作業(yè)較高的安全風(fēng)險(xiǎn)威脅操作人員生命和影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定性[2]。 因此，亟需研發(fā)一種新型帶電技術(shù)的配套工具，滿足不同種類線路需要，實(shí)現(xiàn)螺栓及時(shí)拆除和緊固，推動電力行業(yè)高速穩(wěn)定發(fā)展。

文獻(xiàn)[3]針對傳統(tǒng)作業(yè)方法復(fù)雜化流程和高強(qiáng)度、低效率作業(yè)問題，提出了棘輪扳手新工具設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了帶電消缺，經(jīng)驗(yàn)證表明該方法節(jié)約了時(shí)間和人力成本。 文獻(xiàn)[4]考慮傳動結(jié)構(gòu)、工具材料、套筒方式和組合尺寸四個(gè)方面，研制了帶電緊固螺栓組合工具。 隨著人工帶電作業(yè)局限性的日益突出，基于機(jī)器人的電力檢修研究成為熱點(diǎn)。 文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了輸電線路帶電緊固螺栓機(jī)器人，高壓試驗(yàn)廳和湖南電力公司對此系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場驗(yàn)證，均表明了此工具的可行性和有效性。 文獻(xiàn)[6]為解決帶電作業(yè)危險(xiǎn)性、復(fù)雜性和繁重性問題，提出了行走在輸電線上的螺栓緊固帶電作業(yè)機(jī)器人，該方法利用引流線能夠完成視覺搜索、識別、定位等作業(yè)，簡化了搜索過程，降低了搜索難度。 文獻(xiàn)[5]、[6]的螺栓緊固工具取得了一定的突破，為輸電線路帶電萬能多向螺栓緊固器的研制和改造提供了參考，但其研究過程存在些許不足。

基于此，筆者設(shè)計(jì)新型輸電線路帶電拆除、緊固螺栓工具，基于項(xiàng)目實(shí)際情況，解決了110 kV 輸電線路緊固或拆除、更換帶電部位螺栓過程中所出現(xiàn)的作業(yè)過程復(fù)雜、安全風(fēng)險(xiǎn)高、人員需等電位操作等問題，保障現(xiàn)場安全生產(chǎn)要求。

1 新型螺栓緊固裝置功能特征

實(shí)際運(yùn)行中，輸變電設(shè)備會因多種因素而出現(xiàn)塔材連接處螺絲松動現(xiàn)象。 特別是在大風(fēng)多發(fā)地區(qū)，螺絲松動、螺母脫落現(xiàn)象更為常見，而這極易引發(fā)重大損失。 針對現(xiàn)有螺栓緊固工具存在的不足，研究了一種新型螺栓緊固器，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，是由絕緣操作桿、齒輪轉(zhuǎn)向套筒、消弧裝置器和螺栓固定裝置四部分組成，能夠?qū)崿F(xiàn)地電位帶電遠(yuǎn)距離螺栓補(bǔ)加、緊固和松動操作，避免線路停電。

圖1 新型螺栓緊固器結(jié)構(gòu)圖

輸電線路帶電緊固螺栓工具使用時(shí)，操作人員需要地電位帶電，從而對高壓的電工設(shè)備進(jìn)行檢修、測試以及更換器件，因而必須要保證工具具有極高的絕緣性。 為保證工具滿足最小的絕緣長度，滿足電壓等級的要求，具備極高的耐氣候性能，使工具能為操作人員提供足夠的保護(hù)，文中選用具有高強(qiáng)度、高韌性、高介電、高機(jī)械、高耐熱和耐潮的環(huán)氧樹脂為新型螺栓緊固器的絕緣操作桿材料。 并對絕緣操作桿進(jìn)行了電氣性能實(shí)驗(yàn)，均滿足工頻耐壓性能、濕態(tài)絕緣性能和絕緣耐受性能的要求，且絕緣操作桿可以實(shí)現(xiàn)3～6 m 的接續(xù)。

根據(jù)電壓等級和作業(yè)位置將接續(xù)節(jié)設(shè)計(jì)為凹、凸型一字接頭，以進(jìn)行靈活組裝和長度調(diào)節(jié)。 設(shè)計(jì)相互咬合的兩個(gè)傘形齒輪、絕緣管和傳動軸組成的齒輪轉(zhuǎn)向套筒，并按受力狀態(tài)在液壓拉力機(jī)上試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其滿足靜動態(tài)抗拉及破壞要求。

螺栓固定裝置與輸電線路直線懸垂線夾的螺栓相匹配，可同時(shí)放置需要補(bǔ)加的螺母和彈簧墊、平墊，如圖2 所示。

圖2 螺栓固定裝置

同時(shí)將輪轉(zhuǎn)向套筒的傳動轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計(jì)為套筒和螺栓軸方向一致并180°旋轉(zhuǎn)，裝置是由外層絕緣管、內(nèi)層轉(zhuǎn)動軸和轉(zhuǎn)動手柄組成的補(bǔ)加裝置，轉(zhuǎn)動手柄和內(nèi)層傳動軸相連，通過絕緣管連接到接續(xù)節(jié)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動力到套筒的傳遞，使套筒旋轉(zhuǎn)，通過該過程可以將豎直面的扭力轉(zhuǎn)變?yōu)樗矫娴呐ち?，從而?shí)現(xiàn)多角度補(bǔ)加工作。 具有磁性且多種規(guī)格的螺栓固定裝置可以同時(shí)一次性補(bǔ)加螺母和彈簧墊、平墊等，并可以匹配輸電線路直線懸垂線夾的螺栓。

其主要特征及技術(shù)參數(shù)為:①輸電線路螺栓補(bǔ)加、緊固工具能夠地電位帶電遠(yuǎn)距離補(bǔ)加、緊固螺栓，避免線路停電；②能補(bǔ)加、緊固35 ～220 kV 電壓等級的直線懸垂線夾脫落、松動的螺栓；③特制螺栓存儲套筒具有磁性，可以同時(shí)存放螺母、彈簧墊、平墊等，并具有多種規(guī)格以滿足不同大小的螺栓，使補(bǔ)加工作可一次性完成；④實(shí)現(xiàn)了力的轉(zhuǎn)向，可將豎直面的扭力轉(zhuǎn)變?yōu)樗矫娴呐ちΓ寡a(bǔ)加工作可以在多個(gè)角度下進(jìn)行；⑤絕緣操作桿可接續(xù)為3.0 ～6.0 m，可根據(jù)電壓等級和作業(yè)位置靈活組裝以調(diào)整接續(xù)節(jié)的總長度；⑥傳動操作裝置是補(bǔ)加工具的動力裝置，傳動操作裝置的轉(zhuǎn)動手柄與內(nèi)層傳動軸連為一體穿過絕緣管與接續(xù)節(jié)相連接，將轉(zhuǎn)動力傳遞到特制套筒，帶動套筒旋轉(zhuǎn)。

新型螺栓緊固器采用地電位的作業(yè)方式，相比等電位作業(yè)，簡化了作業(yè)流程，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)和成本，增加了社會效益，具體對比分析如表1 所列。

表1 新型螺栓緊固器與傳統(tǒng)工具對比

2 改進(jìn)螺栓緊固裝置

架空輸電線路螺栓固定結(jié)構(gòu)長期暴露在空氣中，受風(fēng)力及導(dǎo)線振動等外部因素影響，靠近導(dǎo)線側(cè)的連接螺栓會出現(xiàn)松動現(xiàn)象，若不能及時(shí)對缺陷螺栓進(jìn)行緊固，將會導(dǎo)致連接處發(fā)熱、導(dǎo)線掉線等重大事故。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，地電位帶電緊固是最經(jīng)濟(jì)性、安全性及高效性的方法，但仍有50%的情況無法開展。 文中在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，提出一種自研制新型帶電緊固作業(yè)方案，具有作業(yè)影響小、實(shí)時(shí)性好、流程簡化、安全風(fēng)險(xiǎn)和成本低、耗時(shí)短的優(yōu)勢。 針對不同電壓等級輸變線路線夾(懸垂線夾、并溝線夾、爆壓線夾、變電站母線設(shè)備線夾)螺母型號不統(tǒng)一的問題，通過調(diào)查、統(tǒng)計(jì)常見套筒方頭尺寸和不同線夾螺絲的型號，運(yùn)用多用套筒扳手設(shè)計(jì)了一種懸吊在導(dǎo)線安裝位置的輕型支撐桿作為緊固裝置扳手部位，同時(shí)適應(yīng)了不同螺栓規(guī)格、不同線夾螺栓高度和不同螺母緊固的要求。 不同電壓等級絕緣操作桿的長度和水平均不相同，改進(jìn)傳統(tǒng)絕緣操作桿長度，以最短有效絕緣長度、端部金屬接頭長度和手持部分長度三項(xiàng)之和作為新型螺栓緊固裝置的絕緣操作桿長度，以滿足不同電壓等級需求，如表2 所列。 為滿絕緣操作桿接頭緊密牢靠、材質(zhì)強(qiáng)度高及長度不超過1cm 的要求，文中采用可拆卸式硬鋁材質(zhì)的圓弧形接頭。

表2 不同電壓等級絕緣操作桿各部分長度

3 新型螺栓緊固裝置實(shí)施成效檢測

運(yùn)用文中研制的基于輸電線路帶電萬能多向螺栓緊固技術(shù)分別對14、17 和19 mm 規(guī)格的螺栓進(jìn)行試驗(yàn)，得出如下結(jié)論:通過多次夾持進(jìn)行適用范圍的檢測，表明該工具滿足尺寸設(shè)計(jì)要求，每次都能正常夾住螺栓；絕緣耐壓試驗(yàn)中35 kV 額定電壓工頻耐壓值大于95 kV/min，絕緣性能滿足帶電作業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)；將大于24.5 N·m 力加在螺栓上測試扭力扳手扭力，均能實(shí)現(xiàn)可靠有效緊固；通過多次緊固試驗(yàn)得出單次緊固螺栓平均耗時(shí)均小于2 min，能夠達(dá)到預(yù)期值。 試驗(yàn)得出該裝置能夠快速緊固螺栓的螺桿與螺母，解決了在滿足安全距離及單人緊固螺栓條件下停電緊固松動螺栓的難題。

將文中研制的帶電緊固螺絲裝置試用在110 kV停用的輸電線路，實(shí)現(xiàn)了安全距離條件下單人帶電自動組合工具螺栓緊固，既方便快捷、省時(shí)省力，又標(biāo)準(zhǔn)美觀、安全性好。 滿足不同線夾類型工作要求，消除線路中的安全隱患，節(jié)省檢修、電量損耗等費(fèi)用約400 萬元，提高了工作效率和經(jīng)濟(jì)社會效益。 結(jié)合輸電線路工程的實(shí)際情況，本裝置對耐張線夾引流板螺栓的擰緊工藝提出下列建議:①輸電線路工程中耐張線夾引流板螺栓優(yōu)選M16 螺栓，螺栓嚴(yán)重超擰會極大降低連接的可靠性。 所以施工時(shí)需使用力矩扳手，并按螺栓規(guī)格施加合適的扭矩值；②因熱鍍鋅螺栓扭矩系數(shù)的離散性高于普通螺栓，同一工程的耐張線夾引流板螺栓應(yīng)采用同廠家同批次的產(chǎn)品，并在安裝前空擰幾次，確保螺紋部分無影響摩擦系數(shù)的毛刺或污物，保證安裝質(zhì)量的一致性；③耐張線夾引流板螺栓應(yīng)配合加厚大墊圈使用。 加厚大墊圈可以改善平板的受力情況，避免墊圈下的鋁板出現(xiàn)壓痕；④扭矩扳手的擰緊速度對摩擦系數(shù)影響較大，考慮到靜摩擦因數(shù)通常略大于動摩擦因數(shù)，在施加扭矩時(shí)，扭矩扳手的扳擰速度應(yīng)均勻，到達(dá)設(shè)定扭矩值附近時(shí)必須放緩動作，聽到提示音后立即停止轉(zhuǎn)動，以免過擰；⑤線路檢修時(shí)，對于引流板螺栓出現(xiàn)松動變形或性能欠佳的情況，建議螺栓、螺母和墊圈全套換新后重新擰緊。

4 結(jié) 論

工程實(shí)際中輸變電設(shè)備受多種因素影響極易出現(xiàn)塔材連接處螺絲松動現(xiàn)象，螺絲松動及螺母脫落現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。 過去搶修要停電處理，但停電對工業(yè)、交通和生活帶來了極大的不便。 文中針對工程中這一實(shí)際問題，在國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，研制出了一種新型輸電線路帶電拆除、緊固螺栓工具，經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用得出如下結(jié)論。

(1) 研制的新型輸電線路帶電拆除、緊固螺栓工具主要由合格110kV 絕緣操作桿、齒輪轉(zhuǎn)向套筒、消弧裝置器和螺栓固定裝置四部分組成，具有安裝便捷和操作方便的優(yōu)勢。 它不僅減少了操作程序，還避免了等電位作業(yè)，同時(shí)又降低了安全風(fēng)險(xiǎn)、減少了人力成本、縮短了作業(yè)時(shí)間。

(2) 新型工具的應(yīng)用范圍為輸電線路耐張線夾螺栓、引流線并溝線夾螺栓、復(fù)合絕緣子均壓環(huán)螺栓和線路懸垂線夾螺栓等帶電部位各型號、各方向螺栓的緊固和更換及帶電更換耐張桿塔引流線。 此外，還可以拓展到變電站各類110 kV 戶內(nèi)外電氣設(shè)備帶電部位的各種連接螺栓的緊固與更換。

文中所研的110 kV 輸電線路帶電萬能多向螺栓緊固器為輸電線路緊固或拆除、更換帶電部位螺栓提供了新手段、新思路，解決了110 kV 輸電線路緊固或拆除、更換帶電部位螺栓過程中所出現(xiàn)的作業(yè)過程復(fù)雜、安全風(fēng)險(xiǎn)高、人員需等電位操作等問題，保障了現(xiàn)場安全生產(chǎn)的要求。