新型高压架空输电线路专用接地线的研制

马 辉，丁祖善，赵守强，段庆权，谷 屯

(国网江苏省电力公司徐州供电公司，江苏 徐州 221000)

0 引言

随着国民经济的快速发展，我国用电量逐年增长，为满足用电需求及电网建设的快速发展，220 kV，500 kV等超高压输电线路越来越多。超高压线路长期暴露在外界环境中，容易遭受外力或自然环境的影响而出现故障，需要定期对其进行检修，如对绝缘子串的清扫、测零、更换以及导地线、间隔棒、防震锤的更换等。为保证检修人员的安全，架空输电线路停电检修时必须在检修区域两端挂设接地线，以防检修区域突然来电或者产生感应电压等造成人身伤害。由于设计滞后，目前使用的220 kV及220 kV以上高压架空线路接地线不能较好地适应高压架空线路的检修工作，主要表现为装拆接地线时费时费力，极大浪费了停电检修时间。因此，迫切需要研制一种新型接地线，以解决现有接地线在使用中存在的问题。

1 现有接地线的使用及研究现状

1.1 现有接地线的使用现状

现有的高压架空输电线路接地线由接地卡头、绝缘绳、软铜线、弹簧夹子、夹子舌头组成，在其使用中存在以下问题:

(1) 装拆接地线时由于竖直方向旋转无法控制，导致线夹子很难夹住导线；

(2) 在有风的情况下装拆接地线时，由于无法控制线路横向移动和垂直地面方向旋转，给装拆接地线造成很大困难。

由于上述问题的存在，导致装拆接地线的工作量增加，浪费了停电检修的时间和作业人员的体力。这不仅降低了企业的经济效益，还会因为装设接地线时间过长，增大了突然来电(反送电、感应电、误送电等)的可能性，进一步增加了作业危险性。所以，解决这一问题刻不容缓。

1.2 最新研究现状

目前，为克服耐张塔导线不在横担下方而不能加挂接地线的问题，有相关的研究设计出了一种装设在现有的接地线上的弹簧卡勾，实现了在直线塔和耐张塔导线上不受风力影响地加挂接地线。但是， 这种卡勾构造复杂，价格昂贵且操作不方便。

2 新型接地线的研制和实验

2.1 导线端头自由度的控制

要杜绝接地线在装拆过程中随意转动或者左右摇摆的现象，就必须控制导线端头的自由度。

刚体在空间的运动既有平动也有转动，其自由度有6个，即3个平动自由度x，y，z和3个转动自由度a，b，q，如图1所示。如果刚体运动存在某些限制条件，自由度会相应减少。

2.1.1 自由度控制装置的设计制作技术难点

(1) 自由度控制装置设计要合理，与导线端头配合要默契。

(2) 自由度控制装置要安装在导线端头的合理位置。

(3) 自由度控制装置在导线端头上的转动方式，需要经过大量的计算和多次试验来确定，即确定采用滑动方式和滚动方式的各项综合指标。

图1 自由度示意

2.1.2 技术难点的解决方案

(1) 先画图设计，再使用机械性能相当的材料制作模型，并通过试验解决自由度控制装置与导线端头配合的问题。

(2) 自由度控制装置在导线端头弹簧钩头上安装位置的研究。将模型安装位置画图于Pro/E软件上，通过Hypermesh网格划分，以Ansys软件分析结果，来确定最佳安装位置。

(3) 自由度控制装置在导线端头上的转动方式研究。画图设计模型，通过模型试验选定较好的设计，再做出实际装置进行现场试验来确定转动方式。

2.2 接地线各部件设计

2.2.1 导线端头的设计

在实际工作中通常有导线线夹和自夹钩头2种导线端头。两者的机械性能及操作性对比如下。

(1) 机械性能。导线夹和自夹钩头与导线的握着力均可满足要求，可以保证在正常的检修工作中不发生掉落现象。

(2) 操作性。用自夹钩头的接地线装拆更加方便，可操作性更好，整个过程所需的时间也较使用导线夹时大大减少。

通过Pro/E软件对2种导线端头进行自由度控制装置设计。经过软件分析发现：自夹钩头更容易与自由度控制装置结合，而导线线夹因为构造简单，不适合制作自由度控制装置。因此，选择自夹钩头作为接地线的导线端头。

2.2.2 新型接地线的初步结构

通过上述分析比较，拟定的新型接地线的初步结构如图2所示。它由接地卡头、绝缘绳、软铜线、弹簧钩头等部件组成。软铜线的一端连接在弹簧钩头上，另一端连接在接地卡头上，弹簧钩头卡持在导线上，接地卡头固定在杆塔上或者埋入大地的接地极上。弹簧钩头的下方设置有自由度控制机构，2根绝缘绳分别连接在弹簧钩头的上方柄部和自由度控制装置上。

弹簧钩头上方的钩身U型槽内设置2片弧形的弹性舌。弹性舌的一端通过销轴连接在U型槽开口端的内侧壁，一张力弹簧卡在弹性舌的舌身和该U型槽内侧壁之间，张力弹簧通过销轴连接在弹簧钩头的钩身上。弹性舌的另一端从钩身U型槽底部伸出，并连接在一软铜带的一端；软铜带的另一端连接在该侧U型槽的外侧壁上，张力弹簧使弹性舌的舌身和U型槽的内侧壁分开，在2片弹性舌之间形成弹性卡夹持住导线。在弹簧钩头下方U型槽底部端面上，有一垂直于该端面的用于安装自由度控制装置的通孔；在弹簧钩头上方柄部，有一系绝缘绳的连接孔。

图2 新型接地线的初步结构

2.2.3 自由度控制装置设计

结合实际工作需要，通过Pro/E软件画图设计，并运用Hypermesh网格划分及Ansys软件分析，拟定了4种自由度控制装置设计方案，如图3所示。

(1) 单杆转动。通过绝缘绳与单杆的结合控制端头的自由度；但这种方式对自由度的控制不好，且单杆转动角度范围过大，不方便操作。

(2) 双杆联动。通过绝缘绳与双杆结合，可以较好地控制各方向的自由度。

(3) 单杆限动方式1。通过刚体伸缩来控制各方向的自由度。

(4) 单杆限动方式2。通过限位设计来控制角度及各方向的自由度。

图3 自由度控制装置设计方案

经过多次制作模型和现场试验，发现设计(4)比设计(1)，(3)能更好地控制钩头，从而快速完成装拆接地线工作；同时比设计(2)要更节省材料，降低了钩头的重量和造价。因此，最终方案确定为设计(4)，制作出的实物如图4所示。

用绝缘绳控制导线端头的自由度，可以实现0～90°的角度转动；但是绝缘绳在频繁的使用过程中容易磨损，且因频繁伸缩等原因产生疲劳，从而出现断股甚至断线现象。因此，重新设计此处的控制装置，在U型槽的底部设计2块铝合金挡板，用以控制自由度控制装置的转向功能，如图5所示。经试验测试，此设计可以将导线端头的转向角度控制在0～90°，完全满足需要。

图4 钩头及自由度控制装置

图5 改进后钩头及自由度控制装置

3 新型接地线的使用效果检测

3.1 装拆过程

新型接地线在现场的装拆流程如下：

在横担处，检修人员先将接地线的接地端固定在杆塔或者埋入大地的接地极上；然后利用钩头柄部和自由度控制机构上的2根绝缘绳控制钩头的下落路径，使其到达导线下方；向上拉钩头柄部的绝缘绳，钩头钩住导线；放开绝缘绳，在重力作用下，钩头会旋转180°开口向下，使得接地线牢固地钩住导线，避免脱落。工作完成后，向上拉钩头自由度控制机构上的绝缘绳，轻松取下钩头并拆除接地端，完成接地线的拆除工作。

3.2 不同气候情况下的装拆时间

分别在3种不同天气情况下装拆新型接地线，以测定平均装拆时间，每种天气情况下各装拆15次，具体结果为：在温和无风的情况下，平均用时为104.3 s；在风力为4～5级的情况下，平均用时为110.5 s；在可视度不高的天气情况下，平均用时为116.1 s。3种情况的平均装拆时间约为110 s，相比现行接地线，装拆1相接地线可节省490 s的时间。

3.3 使用效果

由以上实验可以看出，在各种天气情况下使用新型接地线时，作业过程受环境的影响均很小，使用新型接地线的平均装拆时间小于120 s。

4 结束语

新型220 kV及220 kV以上高压架空输电线路专用接地线的研制成功，有效解决了220 kV及220 kV以上高压架空线路接地线挂接难的问题。该接地线可在220 kV及220 kV以上高压架空线路停电检修工作中大范围应用，能减小劳动强度、提高劳动效率，可作为现有接地线的升级替代品。

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