一种新型可调节更换耐张单片绝缘子万用后备保护卡具的研制

谭力 徐坤 梁煜晓 陈永德 曾臻 唐光辉

摘 要：在输电线路运行当中，当玻璃绝缘子串中出现零值绝缘子时，绝缘子就会发生自爆。如果剩余的良好绝缘子片数不能满足绝缘要求时就会危及输电线路的安全稳定运行，因此需要停电或带电对零值绝缘子进行更换。但是现有的更换绝缘子的卡具需要根据绝缘子碗头型号大小来选用，同时由于不同厂家生产出的绝缘子碗头可能大小不一，有时则需要定制卡具，费时费力。故研制一种新型的带保护机构的万用工具来解决此问题。该工具能有效提高更换效率，降低劳动强度，增加施工的安全性。

关键词：输电线路;更换绝缘子;保护机构;万用工具;降本增效;安全

引言

在输电线路运行当中，当玻璃绝缘子串中出现零值绝缘子时，绝缘子就会发生自爆。如果剩余的良好绝缘子片数不能满足绝缘要求时就会危及输电线路的安全稳定运行，随着国网输电线路的日益完善，电力公司对线路的检修、技改工作量也相应增加。因此需要停电或带电对零值绝缘子进行更换的工作量也逐年增加，根据《电力安全工程规程》提出的安全施工要求，本文提出了一种新型的带保护机构的万用工具，以提高施工的安全及效率。

1万用后备保护卡具的构成

万用后备保护卡具是基于传统更换绝缘子的方法进行研制的，可适用于一定范围内变化的绝缘子钢帽，并且具有后备保护装置，能够大幅度增加卡具的通用性与安全性。

万用后备保护卡具主要是由可调节卡具主体、传动丝杠、后备保护装置、转轴、锁紧螺母等元件构成。

考虑到输电线路更换绝缘子的的重要性和难度，对万用后备保护卡具进行了研究设计和改进。

1、根据更换绝缘子工具的基本原理，需要万用后备保护卡具能够对绝缘子的卡点有较好的包容性以保证安全。

2、根据绝缘子的外型尺寸，需要万用后备保护卡具能够进行一定的调节，以适应不同尺寸的同级别绝缘子。

3、在绝缘子更换的作业中，需要万用后备保护卡具能够拆装方便，操作可靠简单。

4、由于需要适应不同尺寸的绝缘子，使用频率较高，考虑选用高强度材料，增加安全性，降低风险。

5、尽可能的减轻重量，方便携带和高空操作。

2万用后备保护卡具的工作原理

各个厂家生产的绝缘子由于生产工艺及误差的影响，尺寸都有一定的差别。参考绝缘子更换的原理，如图1所示，影响绝缘子更换的关键尺寸为D、φ和D1。通过对不同厂家的生产的同吨位绝缘子的研究测量，發现了这些关键尺寸有以下的共通性：

1.D尺寸：D尺寸的变动范围为大约在10mm内;

2.φ尺寸：D-φ的值基本相同;

3. D1尺寸：D-D1的值基本相同。

通过以上研究结果不难发现，如果绝缘子更换工具能满足不同绝缘子的D尺寸，那么可以确定此工具可以通用。

图2为后备保护装置示意图，两端连接与卡具上，待更换绝缘子时内滑竿随丝杠收紧一起回收，当丝杠脱开时，内滑竿与外滑竿靠限位块来限制，保证卡具不会脱开。

3万用后备保护卡具的结构设计

万用后备保护卡具应用于输电线路更换绝缘子，因此在外形上不能做太大的改变，需考虑安装及强度等问题。根据施工现场的使用情况，万用后备保护卡具外形结构设计如下图所示。

4万用后备保护卡具的选材

根据现在市面上常用的金属材料，可供选择的材质及机械性能见表1。

由表1可知，40Cr、7A04、TC4三种材料的机械强度都较高，对于钢材40Cr及钛合金TC4的机械性能σb及σs很接近，钢材40Cr的比重比钛合金TC4高1.8倍。钛合金TC4力学性能σb及σs较铝合金7A04增加了1倍左右;铝合金7A04的工艺性及加工性要比钛合金好，且价格便宜。经过性能及性价比对比，最终确定了以下设计加工方案：

（1）可调节卡具主体选用TC4钛合金材料。钛合金TC4比重比铝合金7A04大1.6倍，但力学强度均为铝合金的2倍多，做成的卡具除长度尺寸外，其他外形尺寸均比铝合金卡具小一半，整体重量反比铝合金卡具轻，另外由于外形尺寸小，使用时需要的安装空间小，操作也相对方便的多。

（2）传动丝杠选用40Cr优质合金钢材料。40Cr合金钢加工性能好，强度高，刚性强，是加工丝杠最合适的材料。

（3）后备保护装置选用铝合金材料。经过受力分析，后备保护装置可以选用航空用超硬铝合金，此材料重量轻，强度高，加工方便且降低成本。

（4）其余主要受力件均采用40Cr优质合金钢材料，增加安全性。

5强度计算[1]

通过模拟工况进行强度计算，分析计算结果，用以验证160kN万用后备保护卡具是否能满足前期设想的功能，取得理论依据。

根据卡具受力情况，简化力学模型[2]：

由上图可以看出，在A-A截面处有最大弯矩，故对此截面进行计算为主。

A-A截面处的强度计算：

A-A处的截面结构如下图

经计算该截面惯性距为：Ia=494333.333mm4

则该截面的抗弯截面模量为W=Ia/23=21492.75361mm3

施加于该截面上的弯距为：

M =（P/2）×210×3=（45000/2）×210×3=14175000N.mm

则该截面上的弯曲应力为：

σ=M/W=659.6<σs=824Mpa

B-B截面处的强度计算：

B-B处的截面结构如下图

经计算该截面惯性距为：Ia=444944.667 mm4

则该截面的抗弯截面模量为W=Ia/23=19345.3913mm3

施加于该截面上的弯距为：

M =（P/2）×125×3=（45000/2）×125×3= 8437500N.mm

则该截面上的弯曲应力为：

σ=M/W

σ= 437Mpa<σs=824Mpa

C-C截面处的强度计算：

C-C处的截面结构如下图

经计算该截面惯性距为：Ia=300712.000 mm4

则该截面的抗弯截面模量为W=Ia/23=13074.43478mm3

施加于该截面上的弯距为：

M =（P/2）×83×3=（45000/2）×83×3= 5602500N.mm

则该截面上的弯曲应力为：

σ=M/W

σ= 429Mpa<σs=824Mpa

D-D截面处的强度计算：

D-D处的截面结构如下图

则由手册查得该截面的抗弯截面模量为W= 4232mm3

施加于该截面上的弯距为：

M=（P/2）×30×3=（45000/2）×30×3= 2025000N.mm

则该截面上的弯曲应力为：

σs=M/W=479MPa<σs=824Mpa

故卡具在工作负荷作用下，工作是安全的，并且有足够的安全裕度。

卡具两端的耳片截面计算：

耳片截面图如下：

此处截面容易发生剪断，故该处截面以剪切计算为主。

剪切面面积A=15.5×12=186mm2

剪切力为P/2=45000/2=22500N

故剪切应力为δ剪=22500/186=120.97MPa

取安全系数为3，则TC4的许用剪切应力为：

δ许=824×0.6/3=164.8MPa >δ剪=120.97MPa

由此可以看出，该截面的强度足够安全

耳片处螺钉的计算：

由于该处的螺钉为M14的自制螺栓。为工厂厂标件，工作强度足够，在此就省略计算。

D尺寸比标准尺寸小10mm时：

当D尺寸比标准尺寸小10mm时，卡具只有前卡卡爪出不能完全包围绝缘子挂点，只能包容一部分（如下图），其余受力情况不变，故只需计算卡爪受力：

卡爪受力计算：

许用剪切应力<τ>=824×0.6/3=164.8MPa

卡爪所受剪切力τ=9P/2πdb=46.07 MPa≤<τ>

卡爪所受彎曲应力：σ =3×27Ph/2db2=682Mpa<σs=824Mpa

所以D=φ90mm时，卡爪能满足工作强度要求。

由以上计算可以得出结论，该卡具主体在工作负荷为45KN时，工作是安全的，并且能够保证3倍的安全系数。

6万用后备保护卡具的使用方法

输电线路的检修时，万用后备保护卡具一般为等电位或停电更换及安装耐张绝缘子，使用方法如下：

1. 组装卡具：

A、将万用后备保护卡具前后卡与丝杠连接，并将后备保护滑竿连接于卡具上。

B、打开上盖，把丝杠调整到需要的长度。

C、把卡具装卡在所要更换瓷瓶的前后两片瓶上，合上盖，拧紧螺母，将钢帽抱牢（可通过调节螺母旋合长度来适应不同尺寸的160KN绝缘子，最大调节范围为10mm）。

2.收紧丝杠使瓷瓶串松弛;

3.摘取弹簧销;

4.更换中间单片绝缘子;

5.拆除步骤与安装步骤相反。

7结语

实践证明，万用后备保护卡具能有效提高绝缘子更换效率，降低劳动强度，增加施工的安全性，值得推广。

参考文献：

[1]刘鸿文主编.材料力学.[M].北京：高等教育出版社，1991.

[2]哈尔滨工业大学理论力学教研组编.理论力学.[M].北京：高等教育出版社，1997.

[3]闻邦椿.机械设计手册.[M].北京：机械工业出版社，2010.