基于220kV輸電線路絕緣子的新型更換工具設(shè)計

摘 要：本文針對200kV輸電線路耐張雙串絕緣子更換問題，進行了基于220kV輸電線路耐張雙串絕緣子的新型更換工具設(shè)計研究。該更換工具采將無縫鋼管結(jié)構(gòu)作為連接裝置，微調(diào)絲杠作為調(diào)整裝置，拉力液壓缸作為動力源，托平鉤作為承載工具，與傳統(tǒng)的專用卡具和5T雙鉤整串收緊更換方法相比，可降低更換雙串絕緣子的難度并節(jié)約時間，同時適用于不同類型耐張雙串絕緣子的更換工作，具有突出的經(jīng)濟、安全效益。

關(guān)鍵詞：耐張雙串絕緣子；更換工具；微調(diào)絲杠；無縫鋼管

中圖分類號：TM 75" " " 文獻標志碼：A

在高壓輸電線路中，耐張絕緣子是電力設(shè)備中一個重要配件[1]。由于耐張絕緣子的形狀特殊、質(zhì)量較大，傳統(tǒng)的更換方法存在高空作業(yè)風險大、操作復雜、人員安全難以保障且成本高等局限性，因此有必要設(shè)計一種新型耐張雙串絕緣子更換工具。本文以220kV輸電線路耐張雙串絕緣子更換為背景，結(jié)合具體實際情況，設(shè)計了一種新型更換工具。該工具主要由無縫鋼管聯(lián)板、無縫鋼管、微調(diào)絲杠、拉力液壓缸以及托平鉤等主要部件組成，可提高220kV輸電線路耐張雙串絕緣子更換效率和安全性。

1 現(xiàn)有更換工具的問題分析

220kV輸電線路耐張絕緣子是用于支撐輸電線路的關(guān)鍵元器件，經(jīng)常承受高強度的張力并受氣象因素影響，長期使用后易出現(xiàn)老化、裂紋和損壞等問題，導致絕緣性能下降。因此需要對耐張絕緣子頻繁進行更換、維護。而卡具更換具有局限性與單一性，施工現(xiàn)場絕緣子型號也存在差異，因此工作人員多采用5T雙鉤整串絕緣子收緊更換自爆方法，具體如圖1所示。

220kV輸電線路通常使用雙串耐張構(gòu)型進行電力傳輸。該構(gòu)型需要使用13～20片玻璃絕緣子，其長度通常為2m～3m。使用5T雙鉤將220kV耐張絕緣子整串收緊更換法時，對于張力較大的檔距，尤其是使用雙分裂導線時，雙鉤需要分別收緊2個方向的導線，增加了操作難度，因此需要2個以上的工作人員同時協(xié)作且更換過程較吃力。使用5T雙鉤將220kV耐張絕緣子整串收緊時，與二聯(lián)板和雙鉤連接的卸扣是一個必不可少的組件，但該組件的卸下和組裝操作笨重且煩瑣[2]。此外，為更換自爆絕緣子并安裝新的絕緣子，工作人員需要托平整串絕緣子，但其質(zhì)量較大且長度較長，托平操作非常具有挑戰(zhàn)性，因此常用短繩綁扎托平絕緣子方法，而該托平方式需要較多的人力和時間，并有過度牽引的隱患。

2 基于220kV輸電線路耐張雙串絕緣子的新型更換工具設(shè)計

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

基于220kV輸電線路耐張雙串絕緣子的新型更換工具的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下6個方面。1）本裝置由無縫鋼管聯(lián)板、無縫鋼管、微調(diào)絲杠、拉力液壓缸和托平鉤等主要部件組成。2）本文發(fā)明了一種無縫鋼管結(jié)構(gòu)，用于連接雙串耐張絕緣子二聯(lián)板，可替代卸扣，適用于不同電壓等級。3）發(fā)明了一種用于承托絕緣子的托平鉤。托平鉤具有定位結(jié)構(gòu)，防止托平鉤向上打開時行程超限。托平鉤從上往下勾住絕緣子，然后使用螺栓緊固擰緊，定位勾住絕緣子，防止逃脫。4）發(fā)明了一種調(diào)節(jié)連接長度的微調(diào)絲杠結(jié)構(gòu)。微調(diào)絲杠可以根據(jù)絕緣子串長度進行調(diào)節(jié)，使裝置具有通用性。5）發(fā)明了一種耐張絕緣子數(shù)顯拉力液壓缸，可實時檢測拉力值，防止過牽引，采用液壓結(jié)構(gòu)節(jié)省作業(yè)人員操作強度。6）裝置通用性好，可適用于耐張桿塔任何類型絕緣子的更換。

2.2 裝置結(jié)構(gòu)和框架

2.2.1 無縫鋼管結(jié)構(gòu)

220kV輸電線路耐張雙串絕緣子新型更換工具中無縫鋼管的結(jié)構(gòu)設(shè)計如下所示。對于220kV及以上高壓等級，采用壓接抱夾連接方式，通過螺栓或緊固夾具將絕緣子串的連接板與下一串絕緣子連接板緊固在一起。為保證無縫鋼管結(jié)構(gòu)抱夾尺寸和結(jié)構(gòu)能夠適應不同電壓等級的絕緣子串連接板形狀和數(shù)量，需要計算220kV輸電線路耐張雙串絕緣子牽引一串絕緣子的額定承載力P，如公式（1）所示。

（1）

式中：n1為作用于工具上的導線根數(shù)；S為子導線的橫截面積；n2為絕緣子并聯(lián)組合串數(shù)；αd為最大導線應力；Kb1為并聯(lián)絕緣子串承受導線張力時，不同串間受力的差異程度系數(shù)。

合理的無縫鋼管結(jié)構(gòu)和連接方式可以提高工具的穩(wěn)定性和安全性。本文選擇碳素鋼作為無縫鋼管結(jié)構(gòu)的制作材料，其具有良好的機械性能、可焊性以及優(yōu)異的抗腐蝕性能，能滿足更換工具的機械強度和質(zhì)量要求。然后將無縫鋼管作為裝置的支撐結(jié)構(gòu)，設(shè)計其直徑為50mm，壁厚為5mm，承受極限拉力為30kN，使其具有更好的機械強度。還將無縫鋼管設(shè)計為模塊化結(jié)構(gòu)，以便于對不同電壓等級的耐張絕緣子進行適應性調(diào)整。

2.2.2 微調(diào)絲杠結(jié)構(gòu)

在基于220kV輸電線路耐張雙串絕緣子的新型更換工具中，本文通過微調(diào)絲杠結(jié)構(gòu)實現(xiàn)裝置的通用性。該微調(diào)絲杠結(jié)構(gòu)采用不銹鋼材質(zhì)，包括連接頭、焊接、正反牙絲杠、螺母、絲杠調(diào)節(jié)六角螺母和連接頭等主要部件，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

連接頭起到連接微調(diào)絲桿結(jié)構(gòu)的作用，將其焊接螺母和絲杠調(diào)節(jié)六角螺母等其他組件連接在一起，可保證整個微調(diào)絲桿結(jié)構(gòu)的可靠性和穩(wěn)定性。將焊接螺母與連接頭進行焊接，并保證焊接點的強度和密封性。正反牙絲杠是微調(diào)絲桿結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組件，是一端具有正牙、另一端具有反牙的螺桿結(jié)構(gòu)。正反牙絲杠與焊接螺母間的螺紋連接，工作人員可以通過旋轉(zhuǎn)絲杠調(diào)節(jié)六角螺母，對焊接螺母位置進行微調(diào)。同時，正反牙絲杠的設(shè)計需要考慮牙形的精度控制，以確保微調(diào)的準確度和精度。正反牙絲杠的牙形精度計算過程如公式（2）所示。

（2）

式中：δ為牙形精度系數(shù)；v為絲杠半徑；λ為絲杠的螺紋數(shù)，表示絲杠上每單位長度內(nèi)的螺紋數(shù)量，它決定了絲杠的調(diào)節(jié)靈敏度，螺紋數(shù)越多，調(diào)節(jié)越精細；?為螺紋牙形的幾何參數(shù)，其大小會直接影響螺紋的牙形和強度。

通過對這些參數(shù)進行精確控制和優(yōu)化，可對微調(diào)絲杠結(jié)構(gòu)進行精準設(shè)計和優(yōu)化，提高其可靠性和穩(wěn)定性，滿足220kV輸電線路耐張雙串絕緣子更換工具的高精度、高效率要求。螺母是與正反牙絲杠螺紋相匹配的螺母，通過與絲杠的螺紋進行接合，實現(xiàn)微調(diào)功能。絲杠調(diào)節(jié)六角螺母是連接頭與微調(diào)絲桿結(jié)構(gòu)的另一個關(guān)鍵組件，通過旋轉(zhuǎn)絲杠調(diào)節(jié)六角螺母，可以控制焊接螺母在正反牙絲杠上的位置，從而對絕緣子更換工具的位置進行微調(diào)。

2.2.3 耐張絕緣子數(shù)顯拉力液壓缸

在基于220kV輸電線路耐張雙串絕緣子的新型更換工具中，作為裝置的力量來源，數(shù)顯拉力液壓缸結(jié)構(gòu)可承受的最大拉力為20t。本文采用液壓動力傳動技術(shù)，該技術(shù)以液體為傳遞媒介，通過油路系統(tǒng)中的油缸、活塞和油泵，將輸入的機械能轉(zhuǎn)化為可控的壓力。耐張絕緣子數(shù)顯拉力液壓缸結(jié)構(gòu)圖具體如圖3所示。

液壓泵通過不同組件產(chǎn)生壓力，將液壓油推入液壓缸中。其中加力手柄在數(shù)顯拉力液壓缸中至關(guān)重要，通過調(diào)整其壓力，可控制絕緣子更換工具的移動。外部力值儀表實時檢測液壓油壓力，并將其轉(zhuǎn)化為拉力值，便于工作人員控制拉力。液壓缸內(nèi)的活塞由高強度銅合金制成，液壓油推動活塞向外移動，將絕緣子固定在適當位置。當液壓油通過活塞管道時，管道內(nèi)部存在流動阻力，可降低液壓油壓力。液壓油的壓力損失計算過程如公式（3）所示。

（3）

式中：ΔP為壓力損失，表示液壓油在流動過程中由管道內(nèi)部阻力產(chǎn)生的壓力降低，該壓力損失會影響液壓缸的工作效率，因此需要盡可能減少；f為描述液體在管道內(nèi)流動時與管道壁面間摩擦阻力參數(shù)，減少該摩擦系數(shù)可降低壓力損失，提高液壓系統(tǒng)效率；l為活塞管道長度；Q為液壓油流量。

l、Q也是影響壓力損失的重要因素，長度越長，流量越大，壓力損失越大?；钊蟛颗鋫鋸臀粡椈?，其作用是在液壓油釋放后將活塞恢復到原位，以節(jié)約液壓油。油箱位于復位彈簧上部，具有足夠的容量，可存儲液壓油，并通過液壓管路與液壓泵相連來滿足液壓系統(tǒng)所需的液壓油量。在實際操作中，工作人員將該液壓缸與絕緣子相連，并通過油泵控制液壓油的進出，從而實現(xiàn)固定和釋放絕緣子的功能，并通過力值儀表實時監(jiān)測、調(diào)整拉力值。

2.2.4 托平鉤

在220kV輸電線路耐張雙串絕緣子的更換過程中，托平架用于承托和固定絕緣子。絕緣子托平鉤結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

該托平架包括松開或禁錮螺母、拖瓶橫擔等關(guān)鍵部件。在絕緣子更換過程中，通過松開或禁錮螺母，可使拖瓶橫擔能夠自由移動。再旋轉(zhuǎn)拖瓶橫擔上的定位機構(gòu)，并通過瓷瓶掛鉤勾住絕緣子。托平鉤具有定位機構(gòu)，可防止自身向上打開時行程超限。在固定絕緣子方面，拖瓶橫擔上的吊鉤松緊狀態(tài)可以控制托平鉤的位置和高度。在此過程中，絕緣子的質(zhì)量和外部荷載會影響托平架懸掛絕緣子時的吊鉤松緊狀態(tài)，具體如公式（4）所示。

（4）

式中：m為絕緣子質(zhì)量；g為絕緣子重心距；F為托平架承載能力；K為載荷系數(shù)；Fe為外力對絕緣子的作用力；b為修正松緊狀態(tài)系數(shù)；p為吊鉤承載能力；c為吊鉤鉤材料和結(jié)構(gòu)因素的修正系數(shù)。

通過計算吊鉤松緊狀態(tài)，可保證托平架懸掛絕緣子時具有足夠的承載能力，避免吊鉤松緊不當導致絕緣子脫落或損壞，降低輸電線路運行風險。托平鉤免除人力托平絕緣子，使該項工作只需要1～2人便可完成。

2.3 基于220kV輸電線路耐張雙串絕緣子的新型更換工具操作步驟

在實際操作中，需要將聯(lián)板、微調(diào)絲杠和拉力液壓缸等部件連接起來，組成一個完整的更換裝置，并通過連接至兩端二聯(lián)板的施工孔進行連接，這一步需要嚴格按照設(shè)計要求和工具使用說明進行操作，保證裝置安裝牢固?；?20kV輸電線路耐張雙串絕緣子的新型更換裝置裝配圖如圖5所示。

根據(jù)實際需求和絕緣子的長度因素調(diào)節(jié)微調(diào)絲杠的長度，使整套更換工具初步收緊，與絕緣子呈同樣松緊狀態(tài)，以使更換后的絕緣子與原有的絕緣子狀態(tài)保持一致，不會對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生影響。完成以上步驟后，將托瓶橫擔從上方安裝到無縫鋼管上，用托瓶鉤勾住絕緣子，使用螺栓擰緊固定（根據(jù)需要多段固定）。這一步是更換工具與絕緣子間關(guān)鍵的連接環(huán)節(jié)，需要根據(jù)設(shè)計要求和實際情況進行操作，保證托瓶能夠準確、穩(wěn)定地勾住絕緣子，不會產(chǎn)生松動或脫落情況。然后使用數(shù)顯拉力液壓缸繼續(xù)收緊絕緣子，直至能將需要更換的絕緣子松脫時，停止收緊操作（緊線過程中數(shù)顯裝置能實時顯示拉力值）。松脫并更換需要更換的絕緣子后拆除各部件，完成收尾工作，將更換工具拆除并妥善保管，以備下次使用。同時，應及時通知、報告相關(guān)部門和人員，記錄工具使用情況和維護保養(yǎng)記錄，確保設(shè)備完好、安全。

3 結(jié)語

綜上所述，本文通過分析和改進傳統(tǒng)更換工具，提出了一種基于220kV輸電線路耐張雙串絕緣子的新型更換工具設(shè)計方案，可適用于多種不同型號、類別的耐張雙串絕緣子，不僅為輸電線路維護保養(yǎng)工作提供了高效便捷的解決方案，還有助于降低工作難度，提升維護工作的效率和質(zhì)量。

參考文獻

[1]喬鈺彬，曲金帥，范菁，等.基于深度學習的輸電線路絕緣子缺陷識別研究[J].計算機與數(shù)字工程，2023，51（8）：1782-1786，1860.

[2]陳雅芳.輸電線路絕緣子覆冰預測及防護方法綜述[J].山東電力技術(shù)，2023，50（3）：48-56.