新型直線桿塔懸垂線夾地電位給銷裝置的研制與應(yīng)用

凌志剛，賀 欣，李瑞剛，郝欣健

（內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司薛家灣供電分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017100）

0 引言

架空輸電線路運(yùn)行的環(huán)境條件通常很差，受各種自然條件的影響，線路金具所用的閉口銷自身容易銹蝕斷裂，同時(shí)因?qū)Ь€振動(dòng)、外力擠壓等現(xiàn)象易引起閉口銷的斷裂脫落。內(nèi)蒙古鄂爾多斯地區(qū)大風(fēng)天氣時(shí)有發(fā)生，導(dǎo)、地線受到風(fēng)力振動(dòng)，其懸垂線夾等金具的閉口銷容易脫落，嚴(yán)重影響各類螺栓的牢固度與金具的可靠性[1-3]。 閉口銷缺失這類缺陷如果不能及時(shí)處理，將會(huì)引起螺母脫落，從而引發(fā)導(dǎo)線脫落、倒塔等事故，嚴(yán)重影響甚至危及電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行[4-7]。

日常作業(yè)中，補(bǔ)裝導(dǎo)線側(cè)閉口銷的傳統(tǒng)作業(yè)方法通常為停電作業(yè)或帶電位作業(yè)人工補(bǔ)裝，其中帶電作業(yè)又分為地電位作業(yè)法和等電位作業(yè)法。地電位作業(yè)法中，絕緣操作桿長度大于設(shè)計(jì)距離3 m，操作人員站在鐵塔處，觀測(cè)銷子位置后使用操作桿給銷子，由于操作條件受限，要想準(zhǔn)確給銷需要花費(fèi)大量時(shí)間，且存在長時(shí)間操作人員易疲勞等危險(xiǎn)因素。等電位作業(yè)法中，作業(yè)人員穿屏蔽服，利用軟梯攀登至懸垂線夾處的電場進(jìn)行操作。由于受地形以及人員勞動(dòng)強(qiáng)度限制，工作效率也較低。針對(duì)以上不足，張濤等人研制了一種新型輸電線路帶電補(bǔ)銷工具，對(duì)人工安裝銷子的問題進(jìn)行改善，無需懸掛絕緣軟梯和進(jìn)出強(qiáng)電場，從而縮短了工作時(shí)間[6]。李有強(qiáng)制作了一種懸垂線夾穿釘開口銷補(bǔ)銷器，完成了地電位帶電緊固懸垂線夾穿釘螺母及補(bǔ)裝開口銷工作[7]?；袅⒕热死檬`力的平衡作用研制出輸電線路多功能補(bǔ)銷器，提高了供電可靠性[8]。

采用以上方法進(jìn)行地電位補(bǔ)裝直線塔懸垂線夾銷子時(shí)，均存在無法將銷子扳開至要求角度（60°）的局限性，導(dǎo)致銷子無法真正起到保護(hù)作用，還會(huì)發(fā)生銷子脫落甚至是螺母退出，引發(fā)輸電線路故障。因此在地電位補(bǔ)裝直線塔懸垂線夾銷子的帶電檢修作業(yè)中，如何將銷子扳開至大于60°的角度，是急需解決的問題。為了使地電位補(bǔ)裝懸垂線夾銷子更快捷方便，符合標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)降低工作人員工作強(qiáng)度與線路安全隱患，本文對(duì)直線桿塔懸垂線夾地電位給銷裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作，使其能夠多角度補(bǔ)裝導(dǎo)線側(cè)閉口銷，從而實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)完成帶電補(bǔ)裝導(dǎo)線側(cè)閉口銷的工作。

1 給銷裝置原理分析

1.1 搭扣對(duì)準(zhǔn)原理及操作

1.1.1 原理分析

搭扣對(duì)準(zhǔn)是指在銷子給到銷孔后，將銷子長腿準(zhǔn)確固定在帶細(xì)縫的扁鐵中，繼而通過旋轉(zhuǎn)操作桿旋轉(zhuǎn)90°進(jìn)行力的傳遞，使得銷子的長腿更好地展開。搭扣鎖的工作原理是基于兩個(gè)部件之間的拉緊或扣緊的過程，工作時(shí)其中一個(gè)部件靜止，另一個(gè)部件相對(duì)于靜止部件運(yùn)動(dòng)。搭扣鎖的兩個(gè)部件相互作用時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)達(dá)到一個(gè)臨界點(diǎn)，此時(shí)二者之間形成固定的扣緊作用力，使得搭扣鎖扣緊[9-11]。

1.1.2 搭扣對(duì)準(zhǔn)操作

給銷裝置搭扣對(duì)準(zhǔn)前后示意圖如圖1所示。給銷裝置借助插銷片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與搭扣連接、閉鎖。搭扣對(duì)準(zhǔn)前，如圖1（a）所示，銷子已插入螺桿的孔內(nèi)，并牢牢固定在一個(gè)合適位置，銷子的長腿部分位于下部。搭扣對(duì)準(zhǔn)后，如圖1（b）所示，銷子長腿部分保持靜止，當(dāng)操作桿旋轉(zhuǎn)90°之后扁鐵的細(xì)縫正對(duì)銷子的長腿部分并嵌入細(xì)縫，兩個(gè)相關(guān)部分扣緊，扁鐵的行程達(dá)到最大，扁鐵與銷子長腿部分的接觸到達(dá)臨界點(diǎn)，此時(shí)兩個(gè)部件相對(duì)靜止，相互鎖緊，可以更有效地防止細(xì)縫和銷子長腿在傳遞力的過程中發(fā)生打滑等相對(duì)位移，進(jìn)一步保證了力可以均勻傳遞至銷子長腿上。

圖1 搭扣對(duì)準(zhǔn)前后示意圖Fig.1 Schematic diagram of buckle before and after alignment diagram

1.2 杠桿原理

給銷裝置通過杠桿原理將緊閉的銷子扳開至合適角度，工作時(shí)通過外力對(duì)銷子施加力的作用，進(jìn)而使其發(fā)生形變，直至其擴(kuò)開至合適角度。

如圖2 所示，當(dāng)帶細(xì)縫的扁鐵與銷子的長腿緊緊固定，用力推操作桿時(shí)，在杠桿原理的作用下，手部力量會(huì)傳遞至扁鐵，扁鐵與銷子長腿發(fā)生力的作用，銷子長腿會(huì)由于力的大小不同而發(fā)生不同角度的形變。插入孔位的銷釘與孔位接觸部分在銷子受力過程中，相當(dāng)于一個(gè)支點(diǎn)，與外部操作桿連接的扁鐵（帶細(xì)縫）的力會(huì)以此為支點(diǎn)使銷子長腿受力發(fā)生形變，其受力原理如圖3 所示。銷子末端在此過程中相當(dāng)于一個(gè)支點(diǎn)，在銷子長腿受力發(fā)生形變過程中，向外推操作桿相當(dāng)于在銷子長腿尾部施加作用力F1，其作用力臂為L1，相應(yīng)地，由于螺栓孔內(nèi)部阻力的原因，會(huì)在螺栓孔與銷子長腿的接觸部位產(chǎn)生一個(gè)反向作用力F2，其作用力臂為L2。根據(jù)杠桿平衡原理[12-14]：

圖2 銷子受力示意圖Fig.2 Schematic diagram of pin force

圖3 銷子受力原理分析圖Fig.3 Analysis of the force principle of the pin

由圖3 可知，L1≥L2，因此根據(jù)杠桿平衡原理可知，F(xiàn)1≤F2，這樣就形成一個(gè)省力力臂，使得操作人員在操作時(shí)，施加很小的力即可將力傳遞至銷子長腿，進(jìn)而使銷子扳開至合適角度。當(dāng)作用力F1大于銷子長腿的屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的塑性形變，銷子的兩條腿形成一定角度，阻止銷子滑出螺栓孔，使得銷子牢牢固定在螺栓上。

1.3 塑性形變?cè)?/h3>

銷子由未開啟狀態(tài)轉(zhuǎn)為插入螺栓孔的開啟狀態(tài)時(shí)，需要相應(yīng)的力使其發(fā)生形變，以達(dá)到開啟狀態(tài)。圖4 為銷子長腿受力與形變分析示意圖，圖中初始段OP 為直線，表明應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系；對(duì)銷子的長腿施加力，當(dāng)施加的力超過長腿的彈性極限時(shí)，長腿的形變速度加快，即在這一直線段內(nèi)材料服從胡克定律。P點(diǎn)處的應(yīng)力為比例極限，E點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力是材料產(chǎn)生彈性形變時(shí)的最大應(yīng)力，為彈性極限。當(dāng)外加的力到達(dá)E 點(diǎn)時(shí)，塑性形變會(huì)急劇增加，出現(xiàn)一個(gè)小的波動(dòng)平臺(tái)，此現(xiàn)象為銷子長腿的屈服現(xiàn)象。在這一階段中出現(xiàn)的兩個(gè)上下屈服點(diǎn)E 與S 分別為下屈服點(diǎn)與上屈服點(diǎn)[15-17]。下屈服點(diǎn)的數(shù)值較為穩(wěn)定，為材料的屈服強(qiáng)度。給銷子長腿繼續(xù)施加作用力，隨著力的增大，其形變會(huì)逐步轉(zhuǎn)化為塑性形變，即當(dāng)外界施加壓力大于材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，銷子長腿的形變由彈性形變過渡到塑性形變。當(dāng)銷子的塑性形變達(dá)到一定量，即銷子開口至合適角度時(shí)，撤去外力，銷子長腿由于發(fā)生塑性形變，不再具備恢復(fù)原狀的條件，此時(shí)銷子兩條腿形成一定角度，就可以固定在螺栓孔內(nèi)，起到更好的固定與防護(hù)作用。最高點(diǎn)B所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為銷子長腿的強(qiáng)度極限。當(dāng)伸長量ΔL 大于K 點(diǎn)橫坐標(biāo)值時(shí)，材料被拉斷。銷子開口60°處于S點(diǎn)與B點(diǎn)之間，屬塑性形變，有利于其更好地固定螺桿。

圖4 銷子長腿受力與形變分析示意圖Fig.4 Analysis schematic diagram of the force and deformation of the long leg of the pin

2 裝置結(jié)構(gòu)及其絕緣分析

2.1 裝置結(jié)構(gòu)及操作

2.1.1 裝置結(jié)構(gòu)

給銷裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 地電位給銷裝置的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of ground potential pinching device

（1）補(bǔ)銷器的梅花形連接件（212b）上有從端部向內(nèi)凹陷的槽口，表面有凸起，絕緣操作桿上則具有與凸起對(duì)應(yīng)的凹槽，連接時(shí)梅花形連接件上的凸起插入絕緣操作桿上的凹槽，可實(shí)現(xiàn)絕緣操作桿與補(bǔ)銷器的連接，該種連接方式連接牢固，作業(yè)時(shí)不會(huì)發(fā)生擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，從而保證了操作的可靠性。

（2）開口銷姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)（22）包括連接軌道（221）和開銷件（212），開銷件與連接軌道螺栓連接，該種連接方式調(diào)節(jié)靈活，適用性強(qiáng)，可分別補(bǔ)裝不同型號(hào)的開口銷。

（3）連接軌道（221）與外套管（212）通過連接柱固定連接，即連接柱的兩端同時(shí)焊接在連接軌道和外套管上，從而實(shí)現(xiàn)外套管相對(duì)內(nèi)套管旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)連接軌道旋轉(zhuǎn)，外套管相對(duì)內(nèi)套管向前滑動(dòng)，帶動(dòng)開銷件撐開開口銷的長短腳。

（4）由于開口銷的安裝位置一般位于懸垂線夾的側(cè)面，操作者難以直接觀察到開口銷的安裝情況，因此開口銷定位機(jī)構(gòu)的定位端設(shè)有反光鏡（211b），通過反光鏡可適時(shí)觀察到開口銷的安裝情況。

（5）補(bǔ)銷器包括開口銷定位機(jī)構(gòu)和開口銷姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)，開口銷定位機(jī)構(gòu)可用于開口銷定位，即可將開口銷定位于螺栓、穿釘?shù)鹊膹较蚩變?nèi)；開口銷姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)用于調(diào)整開口銷的姿態(tài)，具體為調(diào)整開口銷的開口角度，開口銷姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)與開口銷定位機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)連接，同時(shí)相互配合調(diào)整開口銷的開口角度（＞60°），克服了傳統(tǒng)給銷裝置開口角度難以達(dá)到60°的缺陷。

2.1.2 裝置操作

原有的地電位給銷器不具備將開口銷扳開的功能，所以在長期受到外部環(huán)境影響下，開口銷部分退出或全部退出。設(shè)計(jì)的給銷裝置為地電位操作帶電工器具，其前方焊接有固定銷子的抓手，中間部位為可旋轉(zhuǎn)90°的操作軸，將銷子固定在前爪上，該軸可以向前推動(dòng)，同時(shí)，在抓手垂直方向焊接有帶細(xì)縫的扁鐵。如圖6、圖7 所示，作業(yè)人員站在橫擔(dān)上，將給銷器與操作桿連接，當(dāng)銷子到給銷孔后，旋轉(zhuǎn)操作桿90°，將帶細(xì)縫的扁鐵固定在銷子的長腿上，此時(shí)用力向前推，操作桿將銷子的長腿向外推開，從而將銷子扳開，使其開口達(dá)到合適的角度。

圖6 給銷裝置在地電位操作的空間位置圖Fig.6 Spatial location of cotter pin operation at ground potential

圖7 給銷裝置的給銷操作圖Fig.7 The feed operation diagram of the cotter pin

2.2 絕緣分析

作業(yè)人員站在桿塔處時(shí)，人體通過金屬桿塔與大地保持同一電位。此刻通過人體的電流有兩條回路：一是帶電體→作業(yè)工具→人體→大地，構(gòu)成一條電流回路；二是帶電體→空氣間隙→人體→大地，構(gòu)成一條電容電流回路[18-20]。這兩條電流回路都會(huì)經(jīng)過人體流入大地（桿塔）。因人體電阻Rr遠(yuǎn)小于作業(yè)工具的電阻R，也遠(yuǎn)小于人體與導(dǎo)線之間的容抗XC[21-25]。因此在分析流入人體的電流時(shí)，人體電阻可忽略不計(jì)。圖8（a）可簡化為圖8（b）電路。設(shè)I 為流過絕緣桿的泄漏電流，IC為電容電流，那么流過人體的總電流是上述兩個(gè)電流分量的和，即I=IC+IR，其中IC=Uph/R，IR=Uph/XC（Uph為地電位電壓）。本裝置絕緣桿采用的環(huán)氧樹脂類絕緣材料的電阻率很高，如3640型絕緣管材的體積電阻率在常態(tài)下均大于1012 Ω·cm，其絕緣電阻率均在1012 Ω·cm以上。以10 kV 配電線路為例，泄漏電流IR=5.77/107≈0.5 μA，也就是說泄漏電流僅為微安級(jí)。間接作業(yè)時(shí)，當(dāng)人體與帶電體保持安全距離時(shí)，人與帶電體之間的電容為2.2×10-12～4.4×10-12F，其容抗XC為0.72×109～1.44×109Ω，則電容電流IC=5.77×103/（1.44×109）≈4 μA，即間接作業(yè)時(shí)，人體電容電流也是微安級(jí)。同理，通過計(jì)算，當(dāng)作業(yè)電壓為220 kV時(shí)，流過人體的電流也為微安級(jí)。故IC與IR的和也是微安級(jí)，遠(yuǎn)小于人體電流的感知值1 mA[21-22]。以上分析計(jì)算說明，通過使用本裝置進(jìn)行地電位作業(yè)時(shí)，只要人體與帶電體保持足夠的安全距離，通過給銷裝置的泄漏電流和電容電流都非常小（微安級(jí)），對(duì)人體不會(huì)有影響。因此，設(shè)計(jì)的給銷裝置在使用時(shí)足以保證作業(yè)人員的安全。

圖8 給銷裝置地電位原理示意圖Fig.8 Schematic diagram of the ground potential principle of the cotter pin

3 應(yīng)用情況及效果

利用設(shè)計(jì)的地電位給銷裝置對(duì)薛家灣地區(qū)10條220 kV線路上的懸垂線夾銷子進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)了被操作銷子的開口角度，如圖9 所示。從圖中可以明顯看到，通過10次在不同線路采用地電位方法補(bǔ)裝直線桿塔懸垂線夾缺失銷子時(shí)，所有銷子扳開角度均大于60°。

圖9 銷子扳開角度統(tǒng)計(jì)圖Fig.9 Statistical diagram of pin removal angle

通過在薛家灣地區(qū)使用設(shè)計(jì)的直線桿塔懸垂線夾地電位給銷裝置，1 年的時(shí)間內(nèi)共提高售電量27.3 萬kWh，加上節(jié)省的工時(shí)，減去制作成本0.6 萬元，直接經(jīng)濟(jì)效益為50.15萬元。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的直線桿塔懸垂線夾地電位給銷裝置能夠多角度補(bǔ)裝導(dǎo)線側(cè)閉口銷，解決了傳統(tǒng)人工停電補(bǔ)裝造成的線路停電損失，帶電人工補(bǔ)裝效率低、費(fèi)時(shí)、存在安全風(fēng)險(xiǎn)等一系列問題。實(shí)現(xiàn)了短時(shí)間內(nèi)完成帶電補(bǔ)裝導(dǎo)線側(cè)閉口銷的工作，大幅度提升了工作效率。尤其是在直線桿塔懸垂線夾地電位補(bǔ)裝銷子工作中，可使銷子的開口角度大于60°，開口銷子真正起到了保護(hù)作用。設(shè)計(jì)的地電位給銷裝置體積小、質(zhì)量輕，可在短時(shí)間內(nèi)由較少人員完成帶電（地電位）操作；該裝置的使用避免了頻繁的等電位作業(yè)給作業(yè)人員帶來的不安全因素，尤其是攀爬軟梯帶來的高墜風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)提高了檢修效率，確保了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。