带传感器丝杆在带电作业中的应用及作业方法研究

刘松波 肖锰

【摘要】近年来，随着输电线路设计标准的进一步提高，输电线路杆塔结构形式更加多样化，目前带电更换直线塔耐张双联绝缘子串作业工具普遍存在以下几个缺点：1、所需工器具较多，塔上作业劳动强度大;2、作业中使用的导线金属双钩较长（达400mm～600mm），组装时短接过多绝缘子，存在一定安全隐患;3、由于双联双挂点绝缘子串在导线提升后，三角联板因重力作用下垂至歪斜状态，地电位远程操作绝缘子球头进出碗头变得异常困难;4、双钩金具提升导线时容易磨损导线;5、遇到大跨越、大档距、大高差线路杆塔，导线荷载无法评估，且紧线丝杆需收紧行程大，有时候会出现无法带电更换的情况。本文主要阐述一种可测压式带电更换双联绝缘子串装置及作业方法，该装置及作业方法有利于便捷、安全、高效地进行地电位带电更换双联悬垂绝缘子串。

【关键词】输电线路;双联绝缘子串;可测压;紧线丝杆

0引言

随着国民经济的飞速发展，用电负荷日益增大，对供电可靠性的要求也越来越高，输电线路是电网负荷的主要输送通道，输电线路绝缘子长期暴露在野外，在雷电流、强电场及拉力作用下容易出现低零值，玻璃绝缘子会引发自爆。当良好绝缘子片数达不到安全运行规定时，将威胁到输电线路的安全运行，因此必须定期更换线路低零值绝缘子。一般可采用带电作业方式或停电进行消缺，然而对于一些单回主干线路或重要负荷线路，停电作业不仅影响用户正常用电，同时也可能导致因停电作业对电网运行引发的安全风险，所有在工具匹配，带电作业条件满足要求的情况下，一般采用带电方式进行消缺。

1研究内容

本文主要阐述一种可测压式带电更换双联绝缘子串装置及作业方法，该装置及作业方法有利于便捷、安全、高效地进行地电位带电更换双联悬垂绝缘子串。

1.1专用工具研制

一种可测压式带电更换双联绝缘子串装置，其特征在于，包括压力传感器数显丝杆、长度可调式绝缘拉棒和叉型卡具，压力传感器数显丝杆包括直线丝杆、丝杆支座、压力传感器、控制单元和显示单元，直线丝杆的丝杆下端与绝缘拉棒上端连接，直线丝杆的螺母座经压力传感器安装于丝杆支座上，丝杆支座为横担卡结构，压力传感器连接控制单元，控制单元连接显示单元;叉型卡具上端与绝缘拉棒下端连接，叉型卡具下端的两个卡具上设有用于连接三角联板的插销。

可测压式带电更换双联绝缘子串装置，其特征在于，压力传感器为圆柱式压力传感器，螺母座经压力轴承与压力传感器连接。

可测压式带电更换双联绝缘子串装置，其特征在于，控制单元上设有无线通信模块，以通过无线通信模块与外部的終端或系统建立无线连接并传输数据。

可测压式带电更换双联绝缘子串装置，其特征在于，螺母座外侧与一金属横向摇杆连接。

可测压式带电更换双联绝缘子串装置，其特征在于，长度可调式绝缘拉棒包括中空套管、上连杆及下连杆，上连杆下段、下连杆上段分别穿设于中空套管中并可上下伸缩，上连杆上端连接直线丝杆的丝杆，下连杆下端连接叉型卡具。

可测压式带电更换双联绝缘子串装置，其特征在于，上连杆下段、下连杆上段上沿长度方向分别设有若干个等距的定位孔，中空套管上沿长度方向对应开设有若干定位孔，以当上连杆和下连杆相对于中空套管伸缩调节到所需长度时，通过高强度螺栓穿过内外重合的定位孔并用高强度螺帽固定，实现绝缘拉棒的长度定位。

可测压式带电更换双联绝缘子串装置，其特征在于，叉型卡具包括拉棒连接部、横向连接部和两个卡具，拉棒连接部上端与绝缘拉棒下端螺纹连接，拉棒连接部下端与横向连接部中部固定连接，两个卡具上端分别与横向连接部左右两侧部转动连接，以调节两个卡具所成的叉角，使叉型卡具适用于不同型号的三角联板，卡具下端设有插销，以插置于三角联板的预留孔中，实现叉型卡具与三角联板的连接。

1.2作业方法研究

一种可测压式带电更换双联绝缘子串的作业方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）作业人员登塔至横担位置，地面人员将装置起吊至塔上;

（2）作业人员调节长度可调式绝缘拉棒的长度，使其匹配绝缘子串;

（3）使丝杆支座卡在横担上，并通过绝缘操作杆远程调节叉型卡具下端两个卡具所成的叉角，使卡具上的插销插置于三角联板的预留孔内;

（4）作业人员收紧直线丝杆，并观测显示单元显示的压力值，在荷载允许范围内提升导线，使悬垂绝缘子串松弛，从而实现地电位带电更换双联悬垂绝缘子串。

2主要技术原理

2.1工具的结构设计，受力状况分析及强度校核

2.1.1更换前设备的工况状态和受力分析

双联双挂点直线绝缘子串设备在更换前的运行受力状态，见图1。

根据设计条件设定：垂直档距为1000m，双分裂导线为2×400mm2，弧垂30米。

导线垂直荷载：F=2Lqg=2×1.0km×1295kg/km×9.8N/kg =25.38kN

双联双挂点直线绝缘子串运行受力状态：

FNA=FNB=25.38kN/2=12.69 kN

2.1.2更换时设备的工况状态和受力分析

双联双挂点直线绝缘子串设备在更换时的运行受力状态，见图2。

由图3可见，收紧紧线丝杆（并摘除绝缘子）后，导线的垂直荷载全部转移到承力工具上，因此，工具受力状态如下：

F=25.38kN

FN= F= 25.38kN

2.1.3主要承力工具安全系数（试验负荷）的确定

根据GB/T18037-2000 带电作业工具技术要求与设计导则标准确定，本项目主要承力工具应按图3工况装置型式进行机械试验。试验负荷FN值如下：

额定工作负荷25.38kN（2590kg）;

动态试验负荷25.38kN×1.5=38.07kN

静态试验负荷25.38kN×2.5=63.45kN

破坏负荷不小于25.38kN×3.0=76.14kN

即主要承力工具的破坏负荷不小于76.14kN，是额定工作负荷的3倍（K=3）

2.1.4验算过程

受力件选用40cr材料，调质处理，其机械性能为：

抗拉强度σb=750 MPa

许用拉伸应力[σ]=σb/K=750/3=250 MPa （根据上述确定的安全系数K=3）

许用剪切应力[τq]=0.7[σ]=0.7×250=175MPa

（查《GB/T18037-2000》[τq]=0.6～0.8[σ]取 [τq]=0.7[σ]）

许用弯曲应力[σw]=1.0[σ]=1×250=250 MPa

（查《GB/T18037-2000》[σw]=1～1.2[σ]取 [σw]=1.0[σ]

许用挤压应力[σjy]= 1.5[σ]= 1.5×250=375 MPa

3具体实施方式

本文阐述的一种可测压式带电更换双联绝缘子串装置，如图3-6所示，包括压力传感器数显丝杆1、长度可调式绝缘拉棒2和叉型卡具3。

压力传感器数显丝杆1包括直线丝杆、丝杆支座6、压力传感器4、控制单元12和显示单元5，直线丝杆的丝杆13下端与绝缘拉棒2上端转动连接，直线丝杆的螺母座14经压力传感器4安装于丝杆支座6上，丝杆支座6为横担卡结构，以便在作业时卡在横担上，压力传感器4连接控制单元12，控制单元12连接显示单元5。

在实际研制中，直线丝杆采用加强型抗扭力省力直线丝杆，其材质为60Si2Mn，屈服强度大于800MPa，完全能满足丝杆在受力时的强度要求。压力传感器4采用圆柱式压力传感器，受力处安装压力轴承，螺母座14经压力轴承15与压力传感器4连接。螺母座14外侧与一金属横向摇杆16连接。丝杆支座按横担卡结构设计，采用LC4.c.s材料，屈服强度大于400MPa。显示单元为可充电式，量程为0-50KN。为了便于远程监测作业过程中的荷载，控制单元12上可以设置无线通信模块，以通过无线通信模块与外部的终端或系统建立无线连接并传输数据。无线通信可以采用蓝牙、WIFI等通信方式。

长度可调式绝缘拉棒2包括中空套管22、上连杆21及下连杆23，上连杆21下段、下连杆23上段分别穿设于中空套管22中并可上下伸缩，上连杆21上端连接直线丝杆的丝杆13，下连杆23下端连接叉型卡具3。上连杆21下段、下连杆23上段上沿长度方向分别设有若干个等距的定位孔24，中空套管22上沿长度方向对应开设有若干定位孔，以当上连杆21和下连杆23相对于中空套管22伸缩调节到所需长度时，通过高强度螺栓25穿过内外重合的定位孔并用高强度螺帽固定，实现绝缘拉棒的长度定位。

在实际研制中，长度可调式绝缘拉棒2采用防潮填充管材料，符合 JB/T8150.2和IEC855的规定，具有机械强度高（#32，20吨）、抗拉、抗扭和可调节长度等特性，绝缘性能足以满足带电作业的要求。

叉型卡具3上端与绝缘拉棒2下端连接，叉型卡具3下端的两个卡具上设有用于连接三角联板的插销。在本实施例中，叉型卡具为可调式叉型卡具，包括拉棒连接部31、横向连接部32和两个卡具33，拉棒连接部31上端与绝缘拉棒2下端螺纹连接，拉棒连接部31下端与横向连接部32中部固定连接，两个卡具33上端分别与横向连接部32左右两侧部转动连接，以调节两个卡具所成的叉角，使叉型卡具适用于不同型号的三角联板，卡具33下端设有插销34，以插置于三角联板9的预留孔中，实现叉型卡具3与三角联板9的连接。叉型卡具采用超硬铝合金 LC4.c.s材料。

具体实施步骤如下：

（1）作业人员登塔至横担7位置，地面人员将装置起吊至塔上;

（2）作业人员调节长度可调式绝缘拉棒2的长度，使其匹配绝缘子串8;

（3）使丝杆支座6卡在横担上，并通过绝缘操作杆远程调节叉型卡具3下端两个卡具33所成的叉角，使卡具33上的插销34插置于三角联板9的预留孔内;

（4）作业人员收紧直线丝杆1，并观测显示单元5显示的压力值，在荷载允许范围内提升导线11，使悬垂绝缘子串8松弛，从而实现地电位带电更换双联悬垂绝缘子串。

3.1附图说明

图中：1-压力传感器数显丝杆，2-长度可调式绝缘拉棒，3-叉型卡具，4-圆柱式压力传感器，5-显示单元，6-丝杆支座，7-直线塔横担，8-双联悬垂绝缘子串，9-三角联板，10-双分裂悬垂线夹，11-双分裂导线，12-控制单元，13-丝杆，14-螺母座，15-压力轴承，16-金属横向摇杆，21-上连杆，22-中空套管，23-下连杆，24-定位孔，25-高强度螺栓，31-拉棒连接部，32-横向连接部，33-卡具，34-插销。

4主要技术创新点

本文主要阐述一种可测压式带电更换双联绝缘子串装置及作业方法，在现场运用中的优点在于：

（1）压力传感器数显丝杆能直观、实时显示起吊荷载并可通过无线传输，方便地在地面终端设备进行接收和监测。

（2）叉型卡具的设计取代传统金属双钩，并通过远程操作两个卡具的叉角，使叉型卡具适用于不同型号三角联板。

（3）叉型卡具的运用有效避免了传统金属双钩对导线的伤害，同时叉型卡具与拉棒连接部位金具总长度约200mm，避免了传统方式中金具双钩在起吊及安装过程中短接过多绝缘子而引发的安全隐患问题。

（4）整套作业流程所需工器具较少，采用叉型卡具能够始终保证三角联板处于受力状态，丝杆仅需提升3～5公分就可以使绝缘子串松弛，大大降低了导线侧第一片绝缘子进出碗头的操作难度。

5应用效果

自2020年3月起，本单位输电带电班应用新研制的工器具在实际运行线路进行多次带电更换直线塔悬垂整串绝缘子作业。通过现场实际应用，作业人员普遍反映所研制的工具，整体结构合理、重量适中、安装方便灵活，使用效果良好，所编写的作业指导书符合现场实际，可操作性强，各项技术指标符合带电作业相关规范要求。

根据现场使用情况，该项目工具的研制，不仅能解决传统方式中使用金具双钩（500mm—600mm）时在安装过程中短接过多绝缘子而引发安全隐患的问题，同时工作中所需工器具明显减少，采用叉型卡具能够始终保证三角联板处于水平状态，导线侧第一片絕缘子球头进出碗头变得相对容易，大大降低了塔上作业人员的劳动强度。强力型抗扭力省力丝杆上安装有拉力传感器，能实时显示工具起吊荷载，而且还能避免传统方法中双钩金具提升导线时容易损伤导线的问题。该套工具基本上能够适用于三明地区地电位带电更换220kV直线塔双联绝缘子串的工作。

6结束语

本文阐述的一种可测压式带电更换双联绝缘子串装置及作业方法，可以进行任意220kV输电线路直线塔双联绝缘子串的地电位方式带电更换，并且可以实时监测作业过程中承力工具的荷载，解决以往进行该类作业中存在的诸多劳动强度大、安全系数低、工作效率低等问题，在公司系统内具有很高的应用价值和推广前景。但是该套工具存在以下弊端：1、如遇到兼大跨越、大档距、大高差且大截面的线路杆塔时，紧线丝杆提线会变得困难甚至出现无法提升导线的情况，无法保证所有线路通用。2、导线侧三角联板若出现特殊型号（如无孔洞或者出现方形孔洞），这套工具也将无法匹配。

参考文献：

【1】DL/T875—2004，输电线路施工机具设计、试验基本要求[S].

【2】《输电线路检修（上）》（中国电力出版社）：第三部分，第十一章：常见杆塔基础受力分析与计算

【3】张红乐.输电线路绝缘子、金具更换.《输电线路检修》.2010，12.

【4】应伟国等.220kV输电线路带电作业操作方法.《带电作业操作方法》.中国电力出版社，2009.

【5】《输电线路运行（下）》（中国电力出版社）：第十三部分，第三十四章：输电线路的运行要求及事故预防