一种测量绝缘子内径的新型卡钳的研发与应用

2017-03-31朱洪波张庆平蔡建辉马智强刘世涛郝金鹏李秀广

宁夏电力 2017年6期

朱洪波，张庆平，蔡建辉，杨　凯，马智强，刘世涛，郝金鹏，李秀广

（国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，宁夏　银川　750011）

输电线路的防污闪工作对于电力系统的安全稳定运行至关重要，但随着城市工业的发展，空气中的排放物日益增加，使得该地区的污秽等级提高，输电线路运行的环境变得更加复杂，因此后期的运维工作就显得更为关键［1-3］。在输电线路绝缘子的运维过程中，需要定期测量绝缘子表面的污秽度，以安排定期清扫和喷涂防污闪涂料。绝缘子的污秽度由等值盐密和灰密两个指标来确定。在测量绝缘子的等值盐密和灰密过程中，需要测量绝缘子的内径和表面积［4-5］。目前工程应用中估算绝缘子表面积主要采用将绝缘子表面分解成若干个圆台，通过用卡钳测量圆台的直径，计算圆台表面积，然后求和得到绝缘子的表面积［6］，但随着输电线路电压等级的不断上升，绝缘子形状更为复杂，尺寸更大，下表面的棱槽变得更深，大吨位钟罩型绝缘子下表面棱槽深度已经超过了传统的内卡钳和外卡钳可以测量的深度，致使大吨位钟罩型绝缘子内径和表面积的工程测量面临前所未有的挑战。

本文从工程实际出发，研究设计了一种实用型测量绝缘子棱槽内径的卡钳工具，不仅适用于大吨位钟罩型绝缘子下表面棱槽内径的测量，而且最大程度地保证了测量效率与测量精度，促进了输电线路防污闪工作的深入开展。

1　绝缘子棱槽内径及表面积的数值计算

绝缘子一般为轴对称图形，将绝缘子表面划分为许多小圆环,，则绝缘子的表面积由圆矩体和弧线圆台的侧面组成,圆柱体的侧面积计算公式为

式中：y—圆柱体的直径；

ds—圆柱体的侧边高。

整个旋转体的侧面积可以通过对弧长的积分得到，见式（2）：

为了求得旋转体的表面积，需要确定表面曲线函数y=f(x)，但是在实际测量绝缘子表面积的过程中通常不知道曲线的函数表达式，因此可以通过在绝缘子的表面取点，对曲线进行拟合，其计算的精度取决于曲线拟合的精度［7-9］。从理论上来说，这种方法可以取得很高的精度，但是实际应用中并不适用［10］，而是采用一系列的圆台侧面积叠加去逼近旋转体表面积的方法。

图1　圆台侧面积展开图

如图1所示，设圆台的上下底面半径分别为r、R，母线长l，其侧面展开图是一个扇环，小扇形的弧长为2πr，大扇形的弧长2πR，如果小扇形的半径为x，则大扇形的半径为x+l，则存在：

圆台的面积为

所以，单个圆台的表面积为

式中：S1—圆台的表面积；

R、r—圆台上下面半径；

D1—圆台上下面半径和；

ΔL—圆台的侧面长度。

整个绝缘子的表面积为

当等分该曲线（爬距）的数量n越大（即ΔL越小），则绝缘子表面积的计算值越接近实际值，这时可以用该曲线各等分中任意一点处的直径代替圆台的平均直径，即将圆台近似为圆柱体，这样绝缘子表面积的近似计算公式为

测量绝缘子的表面积只需将其沿泄露距离方向分成n份，再将各份中的任意一点的直径测出，即可计算出总的表面积，如果将绝缘子的泄露距离按1 cm等分，则总的表面积为

可见，绝缘子复杂曲面旋转体的表面积可以通过一系列的圆台来逼近，只需精确地测出这些旋转体的直径和弧长，就很容易计算出绝缘子的表面积［11］，所以研发一套能在工程应用中精确测量各种吨位、各种型号绝缘子内径的卡钳工具就显得很重要。

2　卡钳工具的研发

2.1　卡钳的研发

本文研究的主要目的在于为工程实际提供一种用于测量绝缘子棱槽内径及表面积的分段式卡钳，使绝缘子下表面棱槽的内径得以直接精确测量，便于精确估算绝缘子的表面积,为实现上述目的，本文采用以下技术方案。

分段式卡钳的钳臂采用三段式结构，分为大臂、中臂和小臂。大臂的目的是横跨绝缘子表面的法向长度，中臂的目的是将小臂伸入绝缘子下表面的棱槽内部，小臂的目的是指向需要测量直径的点。所有钳臂采用304不锈钢制备。

钳臂之间使用铆钉铆接，铆接的方式采用的是活动铆接，保证钳臂之间可以180°转动，同时保持一定的摩擦使钳臂之间不会滑动。铆钉使用307不锈钢制备，是中空的管状结构。在铆钉的末端通过撑大内径使铆钉紧固，其具体结构如图2所示。

图2　卡钳示意图

2.2　具体实施方式

现对实用型卡钳的使用方法作详细说明，实际测量示意图如图3所示。在使用该套卡钳测量绝缘子内径时，包括以下几个步骤：

（1）将绝缘子倒立在水平面上，选定需要测量直径的两个测量点；

（2）将大臂打开，扩大其角度至测量点的宽度；

（3）将中臂打开，伸入到测量点的深度；

（4）手持铆钉的位置，将分段卡钳拿起，同时将小臂旋转至臂端与两个测量点接触；

（5）将分段卡钳垂直取出平放在水平面上，用尺子测量两个端点之间的间距，即可得到绝缘子表面测量点的内径。

图3　测量示意图

3　实际测量及其使用效果

通过上述分析，要测量绝缘子的表面积需要把绝缘子表面划分为许多的圆台侧面，而确定这些圆台的侧面积需要测量上底和下底直径以及斜边高（弧长）［12］。在实际测量中坐标纸可以很好地实现对绝缘子表面弧线的剖分，从粘贴在绝缘子表面的坐标纸上可以得到所有圆台的斜边高（弧长），并且可以采用卡尺测量每一斜边高（弧长）所对应的圆台直径，坐标纸粘贴方式如图4所示。测量步骤如下：

（1）将准备好的坐标纸裁成细长条，并用记号笔在上面每隔1 cm依次标上0、1、2、3、…、n；

（2）将坐标纸贴在沿绝缘子径向方向；

（3）用研发的新型卡钳依次根据坐标纸上标识的坐标值，分别测量直径值，并做好记录；

（4）在曲面变化剧烈的位置可以适当插值，即在两坐标值之间的位置再测量一组直径值。

图4　坐标纸粘贴示意图

为验证研发的测量绝缘子棱槽内径及表面积的卡钳工具的功能及性能是否满足要求，特选择型号为XZP-420及XZP-160的瓷质绝缘子进行测量，并与厂家提供的原始设计数据进行对比。在使用研发的该套工具测出绝缘子一系列内径后，计算出了两种不同型号绝缘子的总表面积S总与下表面积S下，其结果如表1所示。在与原始出厂值对比后，不难发现测量误差在5%左右，其精度完全满足现场工程测量的需求。