带电作业绝缘绳索制动控制装置研究

夏增明，陈坚平，向云，张树，刘治国

(国网湖南带电作业中心，湖南长沙410100)

目前国内开展的带电作业中，传递大型工器具、材料或绝缘子串常用的方法是人力控制绳索法或使用机动绞磨辅助法〔1〕。因机动绞磨及其配套的工具笨重，在一些地形复杂的作业点难以搬运，劳动强度大，故常用的方法是人力控制绳索传递法。但对于较重的大型工器具或绝缘子串，仅依靠人力是很难控制的，因此，在现场作业中，时常采用传递绳缠绕在杆塔或其他牢固的构件上，通过绳索与杆塔构件产生的磨擦力来承受物件的重量或控制物件的传递速度，这种传递绳控制方法会对绝缘绳索造成一定程度的损坏，导致绝缘性能的降低。针对这种情况，从保护绝缘绳索及其绝缘性能、确保绝缘绳索正常使用寿命以及提高带电作业效率角度出发，提出对绝缘绳索制动控制装置的研究。

1 带电作业控制绝缘绳索常规方法存在的问题

目前，带电作业传递绝缘子串或较重型工器具、材料及控制等电位人员进出强电场方法主要是依靠人力或在杆塔上、其他牢固的构件上产生的磨擦力来承受物件的重量及控制物件的传递速度，但这种控制绝缘绳索的方法在作业中存在以下问题及安全隐患:

1)传递效率低。仅依靠人力控制传递速度，劳动强度大。

2)物件在传递过程中速度难以控制，容易造成摆动，对安全距离小的作业项目存在安全隐患。

3)绝缘绳索受到一定程度的损伤及绝缘性能的降低，缩短绳索的使用寿命，加大带电作业的安全风险。

文中提出的带电作业绝缘绳索制动控制装置，可快速、稳定地控制物件的传递速度，保护绝缘绳索不受损伤。绝缘绳索控制装置可用于带电、停电作业项目，安全、方便、可靠。

2 装置的构成及技术特点

2.1 装置构成

带电作业绳索制动控制装置的实物图见图1，绳索缠绕在磨芯上，利用其接触面积所产生足够的磨擦力来控制传递速度，绳索在制动控制装置上的缠绕见图2。

图1 绝缘绳索制动控制装置实物图

图2 绝缘绳索制动控制装置铁应用图

带电作业绝缘绳索制动控制装置的结构示意图见图3。图中①为磨芯:利用绳索缠绕在磨芯的接触面积所产生足够的摩擦力控制传递速度;②为卡槽:用于卡住铁塔支撑脚;③为制动部分:当绝缘绳索反向传递速度过快时，制动部分自锁来限制传递速度，保证安全;④为调节杆:调节高度;⑤为固定槽:利用调节杆调整高度，固定卡住铁塔支撑脚的另外一面;⑥为宽度调节槽:调节绳索制动控制装置的宽度，适应不同铁塔支撑脚的宽度，通用性强，拆装方便。

带电作业绝缘绳索制动控制装置与铁塔 (水泥杆)固定座、封门式固定磨芯及防绳索过速释放的自锁设备等相结合使用，各部件均选用质量轻、强度高的材料制作〔2〕，适用于110～220 kV高压输电线路各种型号的铁塔及水泥杆，操作简便。

图3 绝缘绳索制动控制装置结构图

绝缘绳索制动控制装置在水泥杆使用见图4，图中:①为绝缘子串;②为固定在水泥杆上的绝缘绳索制动控制装置;③为水泥杆塔;④为滑车，绝缘绳索制动控制装置安装在水泥杆固定座上即可配合滑车使用。

图4 绝缘绳索制动控制装置在水泥杆使用示意图

绝缘绳索制动控制装置在铁塔使用情况见图5，图中①为绝缘子串;②为滑车;③为转角滑车;④为固定在铁塔一个角的绝缘绳索制动控制装置;⑤为架空铁塔，绝缘绳索制动装置通过铁塔固定座固定在铁塔一个支撑脚上，通过转角滑车的配合来起吊重物。

图5 绝缘绳索制动控制装置在铁塔的使用示意图

2.2 装置的技术特点

1)通用性强。配塔材固定座 (适用于塔材规格最大值为宽205 mm，厚22 mm)和水泥杆固定座，适合各种型号的铁塔 (110～220 kV线路的耐张塔及终端塔塔腿主材常用规格为宽200 mm，厚20 mm)及Φ300～400 mm水泥杆，利用杆塔本身的牢固构件承受较轻的材料重量。

2)工具选用质量轻、强度高的材料制作，组装简单，操作简便。

3)磨芯与绝缘绳索直接接触，采用尼龙材质的磨芯中间凹两头凸，防止绝缘绳索滑移出槽，且磨芯直径大于平常使用绳索直径的15倍，确保机械强度。

4)磨芯进口前侧安装防止绳索跑线自锁装置，双重保险设计，安全可靠。

3 各部件材料选择及极限受力计算

3.1 各部件试验负荷的确定

在带电作业中，传递大型工器具、材料或绝缘子串及控制等电位人员进入、退出强电场，选最大荷重绝缘子串 (220 kV线路XWP-160型绝缘子，串重130 kg)，考虑安全系数，取200 kg为最大试验负荷，则传递绳索所受拉力为1 960 N。使用Φ16 mm的蚕丝绝缘绳，最大使用拉力为6 666.67 N(可传递680 kg物件)，满足使用条件〔3〕，各负荷值见表1。

表1 负荷计算 kN

3.2 部件材料选择及其力学性能

对绝缘绳索制动控制装置的杆塔固定座、轴棒、磨芯、紧固螺母的材料选择及力学性能计算〔4〕如下:

1)杆塔固定座

选用LC4材料，其力学性能为:

抗拉强度 σb=490 MPa，取安全系数 R=3，则

许用拉伸应力 ［σ］=σb/K=490/3=163.3(MPa)

(查文献 〔3〕， ［σjy］=0.9～1.5［σ ］，取 ［σjy］=1.0［σ ］)，则

许用挤压应力 ［σjy］=1.0［σ］=163.3(MPa)

(查文献〔3〕，［τq］=0.6～0.8［σ］，取［τq］=0.7［σ ］)，则

许用剪切应力 ［τq］=0.7［σ］=0.7×163.3=114.3(MPa)

2)轴棒

选用40Cr材料，调质处理，其力学性能为:

抗拉强度σb=750 MPa，取安全系数K=3，则许用拉伸应力 ［σ］=σb/K=750/3=250(MPa)

查文献〔3〕， ［τq］=0.6～0.8［σ］，取［τq］=0.7［σ ］)，则

许用剪切应力 ［τq］=0.7［σ］=0.7×250=175 MPa

3)磨芯

选用尼龙P6材料，其力学性能为:

抗拉强度 σb=60 MPa，取安全系数为 K=3，则

许用拉伸应力 ［σ］=σb/K =60/3=20(MPa)

4)紧固螺母

选用材质1008K，其力学性能为:

屈服强度σb=320 MPa

以上各项力学性能数据归纳为表2所示。

表2 部件材料选择及其力学性能 MPa

各部件受力情况见表3〔5〕:

表3 各部件受力情况 MPa

4 现场试验及结果

4.1 试验步骤

为了检验绝缘绳索制动控制装置的现场使用情况，在塔型SZ43直线塔，进行模拟吊篮法进入等电位场更换220 kV直线塔玻璃绝缘子〔6〕。

控制等电位人员安全进出强电场步骤如下:

1)塔上作业人员穿戴全套合格的屏蔽服，地电位人员携绝缘传递绳攀爬杆塔至合适位置，系好安全带，挂好等电位轨迹绳;等电位人员攀爬杆塔至与导线平行处，系好安全带，并系好人身后保绳;

2)地面人员与地电位人员相互配合将绝缘吊篮下放到等电位人员位置处，等电位人员对吊篮进行冲击试验;

3)地面人员将绝缘绳索制动控制装置牢固安装在铁塔塔脚主材上，通过塔脚转角滑车将控制等电位人员进电场的绝缘绳索缠绕在固定磨芯上，并关上封门;

4)地面人员控制尾绳将等电位人员匀速稳定地送入强电场;

5)更换完玻璃绝缘子串后，退出强电场;

6)在绝缘绳索上绑好一定负重的重物，地面人员尝试将绝缘绳索松开，测试绝缘绳索制动控制装置的制动情况。

4.2 试验结果

通过3次现场使用绝缘绳索制动控制装置的试验，证明使用该装置可快速、匀速、稳定地控制等电位人员进出强电场，减轻作业人员的劳动强度，提高作业人员的安全，且绝缘绳索未受到磨损，保护了绝缘绳索的绝缘性能，详细试验结果见表4。

5 结论

1)实用性

该绝缘绳索制动控制装置在国网湖南省电力公司推广应用以来，解决了以往带电作业使用绝缘绳索传递绝缘子串、工具、材料及控制等电位人员进出强电场时，仅仅依靠人力或在杆塔上或其他牢固的构件上产生的磨擦力来承受物件的重量或控制物件的传递速度，从而导致绝缘绳索损坏和绝缘性能降低的难题。目前已在公司各个带电作业点推广应用，具有一定的推广价值和经济效应。

2)安全性

作业过程中能快速稳定地控制绝缘子串及较重的大型工器具、材料的传递及等电位人员进出强电场，避免了物件因摆动或等电位人员因晃动幅度过大造成安全距离不足，保障了带电作业的高效性及安全性，降低了地面作业人员的劳动强度，避免地面作业人员因体力下降引发的安全事故。

〔1〕成大先.机械设计手册〔M〕.化学工业出版社 第三版，1999.

〔2〕中国国家标准化管理委员会.GB/T 6892—2006一般工业用铝及铝合金挤压型材〔S〕.北京:中国标准出版社，2006.

〔3〕中国国家标准化管理委员会.GB/T 18037—2000带电作业工具技术要求与设计导则〔S〕.北京:中国标准出版社，2000.

〔4〕孙训方.材料力学〔M〕.北京:高等教育出版社，2009.

〔5〕胡毅.带电作业关键技术研究进展与趋势〔J〕.高电压技术，2014(07):1 921-1 931.

〔6〕葛超.带电作业工具及其预防性试验〔J〕.电力安全技术，2014(08):54-56.