1、 年第 期（总第 期）年 月电瓷避雷器 （）收稿日期：带电更换超、特高压输电线路 型绝缘子通用装置的研发马 野，陈伟俊，王志龙，杨庆华（国网上海市电力公司检修公司，上海）摘 要：本研究从上海超、特高压输电线路运检的实际情况出发，以现有带电作业实践经验、先进工艺技术及新材料为基础，针对超、特高压输电线路更换 型绝缘子串时荷载转移的特殊情况，研发一种带电更换 型绝缘子的通用工具。该工具能够满足多种电压等级、多种分裂导线形式的 型绝缘子串，通过了相应电气与机械试验，符合相关标准规定，能够解决超特高压输电线路的实际问题，填补超特高压技术该领域的空白。关键词：超特高压；带电作业；型绝缘子；通用工具 ，（
2、，）：，：；引言随着我国超特高压线路的建设发展，及以上输电线路数量不断增加，现已成为电网骨干。绝缘子作为高压输电线路的重要设备，直接暴露在大气中经受着日晒雨淋，老化和损坏较明显，需要定期检修。因此，带电更换特高压输电线路绝缘子，有效保证超特高压输电线路不间断持续供电，对确保电网的安全、可靠、稳定运行具有十分重要的意义。超特高压架空输电线路直线塔的悬垂绝缘子串多采用 型绝缘子串的形式。上海地区高压输电线路由于线路设备密集高、通道走廊紧张等特点，设计施工时为方便设计、节省成本、节约电力走廊，小转角区域多采用直线转交塔形式。直线转交塔改变了原有 型绝缘子串的形式，悬垂绝缘子串呈 型，由于 型绝缘子串
3、与 型绝缘子串受力状态完全不同且更为复杂，故传统更换 型绝缘子串的垂直提升导线的作业流程及工器具不能满足更换 型绝缘子串的实际需求，需要设计专用提升装置。目前，针对超特高压 串绝缘子研究较少，文献针对 输电线路研制一套带电更换 串绝缘子通用工具，经实际应用收到很好效果；文献研制了更换 直流 型复合绝缘子串提升方法和专用卡具收到了很好效果，但考虑到横向张力对绝缘子串的影响不适用于 绝缘子串更换；文献 针对云南电力公司 输电线路 串绝缘子研制了专用卡具，实际应用效果良好，但未考虑卡具通用性，适用范围有一定局限。年第 期带电更换超、特高压输电线路 型绝缘子通用装置的研发（总第 期）笔者在上海超特高压
4、输电线路带电作业实践经验基础上，研制一套带电更换 型绝缘子串的通用工具。该卡具考虑了更换 串绝缘子时荷载转移的情况，满足多种电压等级、多种分裂导线的更换需求，具有通用性强、强度高、质量轻、易操作等特点，并通过了相应电气与机械试验，符合相关标准规定，填补超特高压技术该领域空白。超特高压输电线路 型绝缘子串结构及荷载分析 超特高压输电线路 型绝缘子串结构上海输电设备中存在较多小转角直线塔，小转角直线塔由于内外两串悬垂绝缘子受力不均，悬垂绝缘子串不再成 型，呈 型状态，见图。图 型绝缘子串实物图 型绝缘子串荷载分析由文献 可知 型绝缘子串由于转角的存在，导线连板挂点处的受力与 型绝缘子串完全不同。因
5、此，在研制通用卡具前应当对 型绝缘子串的受力进行分析，面对线路方向受力分析见图。图 型绝缘子串受力分析 图中：为绝缘子串所受垂直方向上的荷载包括导线、防震锤及相关金具；为外角侧绝缘子串所受拉力；为内角侧绝缘子串所受拉力；、分别为内外串绝缘子的夹角；为导线受到的横向风力负载；为导线因出现角度的水平负载；为导线转角度的；、分别为导线水平方向上的拉力。由文献 已经证实两串绝缘子的所受拉力不同，且当风由外角向内角吹时线路的外侧绝缘子串受到张力 最大，如采用传统从 型串中间提升导线，可能造成导线偏移，致使导线损伤。鉴于 型绝缘子串导线荷载的特殊情况，所以有必要专门设计带电更换 型绝缘子串的通用工具，以抵
6、消荷载转移导致导线损伤的风险。超特高压输电线路 型绝缘子串提升装置研制 联板形式统计由于 型绝缘子串存在受力不平衡的特殊性，若直接采用提线钩提升导线的形式很可能因受力不均造成导线损伤，本研究采用卡具提升导线联板的方法来提升导线。为保证工器具的通用性，将上海地区直线带转角超特高压输电线路的 型绝缘子串联板（四分裂联板、六分裂联板、八分裂联板）进行统计，相关参数统计见表。表 型绝缘子串联板统计结果 高度厚度宽度 通过对数十条输电线路不同电压等级联板的统计，总结出联板的基本形式共有 种，见图。其高度、厚度及宽度的范围较为固定，如果卡具满足上述联板形式及尺寸的要求，就能够在上海 以上的超特高压输电线路
7、中应用。图 种典型分裂导线联板 年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）总体技术要求为满足卡具通用性，在研制前提出如下总体技术要求：）装置可承受的轴向负荷不小于 。）装置能满足不同厚度、吨位、形式的联板（四、六、八联板）。）装置满足不同电压等级架空输电线路（输电线路、直流输电线路、输电线路）。）装置所使用的材料要求强度高、重量轻、结构易操作。设计实施 总体设计由于 型绝缘子串通过联板与导线直接连接，因此提升装置的总体思路如下。）设计专门构件，将联板向上延长，绕开绝缘子及均压环影响。）设计转向构件，将垂直荷载转向沿绝缘子串方向。）设计支撑构件，承受导线提升时的拉力，利用联板来实现对整串绝缘子提升。
8、装置主要由固定模块、转向模块、支撑模块等 个模块、个构件组成，装置工作原理图、侧视图及正视图见图。图 装置侧视图与正视图 固定模块改变以往直接采用提线钩接触导线的提升方式，采用夹板固定联板，提升联板来转移导线负荷。固定夹板可以到达延长导线联板的目的，主要有定位夹板和下端夹片组成。固定模块示意图见图。图 定位夹板及下端夹片设计图 在下端夹片共有 片组成，且每个夹片上设计多个不同距离的螺栓孔，在满足不同联板尺寸要求的同时，也减轻杆上作业人员的劳动强度。转向装置由于 型悬垂串在提升过程中，需要承受横向张力的情况，设计转向模块将垂直荷载转向沿绝缘子串的方向。该模块转向功能是通过十字换向轴来实现，十字换
9、向轴设计图见图。图 十字转换轴设计图 支撑模块为承担由十字转向轴的拉力，设计支撑模块，该模块采用两片支撑夹板的形式，同时在两片支撑夹板之间设计两个定位夹板，在能够适应不同联板厚度要求的同时还能防止构件在受力时向内变形，提高了装置了强度。支撑板示意图见图。年第 期带电更换超、特高压输电线路 型绝缘子通用装置的研发（总第 期）图 支承板设计图 提升模块装置最上面为提升部分，主要由丝杠和卡槽构成，由于丝杠工作行程较短，在操作时能够保证足够的安全距离。在支撑夹板两端设计了两处卡槽用于安置丝杆，通过两边对称的卡槽，利用两个丝杆分散导线负载，减小了单个丝杆的受力，卡槽下沿涉及成弧形以契合丝杠头部的圆弧，使
10、丝杠在提升的过程中能够承受小部分的转角，卡槽示意图见图。图 卡槽设计图 装置工作状态示意图该装置由固定模块将悬垂串联板加紧后，通过十字转向轴将负荷传递到位于支撑夹板两端的丝杠上，通过丝杠实现导线提升。工作状态示意图见图。图 装置通用性示意图 更换超特高压输电线路 型绝缘子 材料参数为保证卡具装置具有强度高、质量轻、易操作的特点，卡具材料主要采用钛合金、铝合金等材料，材料参数见表。表 卡具装置使用材料参数 材料屈服强度 抗拉强度 合金 级螺栓 计算模型采用 三维建模软件对卡具装置进行实体建模，根据卡具图纸及受力边界情况，建立三维有限元模型，卡具结构几何模型，见图。轴为宽度方向，轴为长度方向，轴为
11、厚度方向。图 装置结构几何模型 表 为该卡具结构有限元模型总的单元个数和总节点个数。表 装置结构有限元模型总单元个数和节点个数 单元数节点数 卡具有限元强度计算采用有限元分析软件 对卡具结构进行最大承载能力计算分析，在施加载荷、边界条件等处理后进行数值计算分析，具体流程图见图。图 有限元分析流程图 年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）图 图 为施加载荷和边界条件后的卡具有限元模型，以及整体和各主要模块的应力云图。图 装置结构整体应力云图 图 支撑板的应力云图 图 十字转向轴结构应力云图 图 与十字转向轴上端连接螺栓结构应力云图 图 与十字转向轴下端连接螺栓结构应力云图 图 下端夹板及连接螺栓
12、结构应力云图 由上图可知，装置在受力情况下最大应力为，出现在与十字转向轴下端连接螺栓上，该螺栓采用 合金，材料的屈服强度 ，满足强度要求。卡具构件规范计算本小节进行卡具装置的强度计算，包括支撑板、支承板下部轴销处、十字换向轴及夹板等模块。支承板强度计算）支承板剖面参数长度 ，直径 ，将支承板简化为工字梁，得到横截面积：，剖面模数：。）支承板强度计算按照载荷 进行分析，支撑板两端施加作用力 块支承板承受，由此每个支承板承受的载荷为 ，弯曲应力：（）剪应力：。支承板所用材料为 铝合金，材料的屈服强度 ，剪切许用应力为 ，支承板的弯曲应力小于材料的屈服强度，剪应力小于材料的许用剪切应力，因此支承板强
13、度满足要求。轴销及支承板下部轴销处强度计算）轴销强度支承板在左右两端通过轴销与收紧丝杆固定，年第 期带电更换超、特高压输电线路 型绝缘子通用装置的研发（总第 期）下部通过轴销与夹板连接，将绝缘子载荷传递给收紧丝杆。两端轴销起固定作用，而支承板下部轴销处主要承受夹板荷载，因此主要对轴销及支承板下部进行校核。轴销参数：直径为 ，对应的有效横截面积 ，强度校核如下：轴 销 所 用 材 料 为 合金，其剪切许用应力为 ，因此计算剪切应力小于许用剪切应力，剪切强度满足要求。）轴销部位强度计算轴销承受剪力的同时，对支承板的轴销下部产生一个反向的剪切力，因此需要对该部位的剪切强度进行校核。（）由上可知支承板
14、材料的屈服强度 ，计算得到剪应力小于材料的许用剪切应力，因此支承板下部轴销孔处的剪切强度满足要求。夹板强度计算绝缘子重量通过夹板传递到支承板，夹板用六角螺栓固定，需要校核夹板和六角螺栓的强度。）夹板强度计算夹板承受拉伸载荷，由于螺孔的存在使夹板的横截面积最小，强度最弱，因此校核螺栓处夹板的强度。夹板厚度：，夹板宽度：夹板横截面积：绝缘子重量由夹板前后左右 个螺孔处传递给夹板，因此螺孔处的拉应力为：（）夹板所用材料为 铝合金，材料的许用应力 ，因此夹板的强度满足要求。）夹板处螺栓强度校核夹板承受拉伸载荷，通过六角螺栓进行固定，螺栓直径为 ，对应的有效横截面积 ，强度校核如下：（）螺栓所用材料为
15、级材料，其剪切许用应力为 ，因此计算剪切应力小于许用剪切应力。剪切强度满足要求。十字换向轴强度计算十字换向轴位于支承板和夹板之间，用于改变夹板的转动方向，传递支承板和夹板之间的载荷。十字换向轴上下螺栓孔部位是该构件强度薄弱的部位，上下螺栓孔的尺寸相同，因此仅需校核上部螺栓孔部位强度。螺栓在承力时，对十字换向轴两端承受拉力，需要对该部位的强度进行校核。两端的的拉伸面积为 （）拉伸应力为 十字换向轴的材料屈服强度为 ，因此十字换向轴上部螺栓孔处两端的拉应力小于材料屈服强度，该处强度满足要求。小结通过对卡具的有限元强度计算，十字转向轴下端螺栓最大应力为 ，小于材料的屈服强度，下端夹板连接螺栓的最大应
16、力为，接近屈服强度 ，强度满足要求。通过对构件局部部位的规范计算，支承板、夹板和十字换向轴等构件的拉应力和剪应力均小于相应的许用应力，强度满足要求。结语从上海地区输电线路生产实际出发，以输电线路带电作业多年技术积累为基础，考虑了提升 型绝缘子串过程中横向张力，研制了一款适用于超特高压线路 型绝缘子串更换的通用工器具。该装置承受的最大轴向负荷为 ，能够满足不同厚度、不同吨位、不同形式的联板，适用于目前上海绝大多数电压等级架空输电线路。同时，该装置所使用了钛合金和铝合金等材料，具有强度高、重量轻、结构易操作的特点，便于单人携带登高作业。研制的通用卡具将有效地解决现有超特高压 型绝缘子串更换时必停电的困难，减少超特高压停电时间，保障供电可靠性。参考文献：吴敬儒，徐永禧 我国特高压交流输电发展前景中国电力企业管理，（）：，（）：舒印彪 我国特高压输电的发展与实施 中国电力，（）：，（）：舒印彪，胡毅，李雪 特高压交流输电线路的运行维护 年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）与带电作业 高电压技术，（）：，（）：吴维宁，吴光亚，张勤，等 特高压交流绝缘子的使用及运行特性 高电压技术，（）：，（）