基于输电线路带电万能多向螺栓紧固工具设计应用*

2022-11-28吴有鹏

机械研究与应用 2022年5期

石磊，王勇，吴有鹏

(国网甘肃省电力公司酒泉供电公司，甘肃酒泉 735000)

0 引言

电力业是国民经济的支柱型产业，在经济迅速发展的背景下，用电总量急剧增加，架空输电线路规模日渐扩大。随着输电设备故障频繁出现，及时有效检修工作越发重要。传统停电检修处理的作业方式不仅会造成巨大经济损失，还会影响输电线路运行的质量与效率[1]。机器人带电作业的先进检修系统广泛应用在输电线路中，但带电作业较高的安全风险威胁操作人员生命和影响电力系统稳定性[2]。因此，亟需研发一种新型带电技术的配套工具，满足不同种类线路需要，实现螺栓及时拆除和紧固，推动电力行业高速稳定发展。

文献[3]针对传统作业方法复杂化流程和高强度、低效率作业问题，提出了棘轮扳手新工具设计方案，实现了带电消缺，经验证表明该方法节约了时间和人力成本。文献[4]考虑传动结构、工具材料、套筒方式和组合尺寸四个方面，研制了带电紧固螺栓组合工具。随着人工带电作业局限性的日益突出，基于机器人的电力检修研究成为热点。文献[5]设计了输电线路带电紧固螺栓机器人，高压试验厅和湖南电力公司对此系统进行了现场验证，均表明了此工具的可行性和有效性。文献[6]为解决带电作业危险性、复杂性和繁重性问题，提出了行走在输电线上的螺栓紧固带电作业机器人，该方法利用引流线能够完成视觉搜索、识别、定位等作业，简化了搜索过程，降低了搜索难度。文献[5]、[6]的螺栓紧固工具取得了一定的突破，为输电线路带电万能多向螺栓紧固器的研制和改造提供了参考，但其研究过程存在些许不足。

基于此，笔者设计新型输电线路带电拆除、紧固螺栓工具，基于项目实际情况，解决了110 kV 输电线路紧固或拆除、更换带电部位螺栓过程中所出现的作业过程复杂、安全风险高、人员需等电位操作等问题，保障现场安全生产要求。

1 新型螺栓紧固装置功能特征

实际运行中，输变电设备会因多种因素而出现塔材连接处螺丝松动现象。特别是在大风多发地区，螺丝松动、螺母脱落现象更为常见，而这极易引发重大损失。针对现有螺栓紧固工具存在的不足，研究了一种新型螺栓紧固器，其结构如图1 所示，是由绝缘操作杆、齿轮转向套筒、消弧装置器和螺栓固定装置四部分组成，能够实现地电位带电远距离螺栓补加、紧固和松动操作，避免线路停电。

图1 新型螺栓紧固器结构图

输电线路带电紧固螺栓工具使用时，操作人员需要地电位带电，从而对高压的电工设备进行检修、测试以及更换器件，因而必须要保证工具具有极高的绝缘性。为保证工具满足最小的绝缘长度，满足电压等级的要求，具备极高的耐气候性能，使工具能为操作人员提供足够的保护，文中选用具有高强度、高韧性、高介电、高机械、高耐热和耐潮的环氧树脂为新型螺栓紧固器的绝缘操作杆材料。并对绝缘操作杆进行了电气性能实验，均满足工频耐压性能、湿态绝缘性能和绝缘耐受性能的要求，且绝缘操作杆可以实现3～6 m 的接续。

根据电压等级和作业位置将接续节设计为凹、凸型一字接头，以进行灵活组装和长度调节。设计相互咬合的两个伞形齿轮、绝缘管和传动轴组成的齿轮转向套筒，并按受力状态在液压拉力机上试验，发现其满足静动态抗拉及破坏要求。

螺栓固定装置与输电线路直线悬垂线夹的螺栓相匹配，可同时放置需要补加的螺母和弹簧垫、平垫，如图2 所示。

图2 螺栓固定装置

同时将轮转向套筒的传动转向装置设计为套筒和螺栓轴方向一致并180°旋转，装置是由外层绝缘管、内层转动轴和转动手柄组成的补加装置，转动手柄和内层传动轴相连，通过绝缘管连接到接续节，实现转动力到套筒的传递，使套筒旋转，通过该过程可以将竖直面的扭力转变为水平面的扭力，从而实现多角度补加工作。具有磁性且多种规格的螺栓固定装置可以同时一次性补加螺母和弹簧垫、平垫等，并可以匹配输电线路直线悬垂线夹的螺栓。

其主要特征及技术参数为:①输电线路螺栓补加、紧固工具能够地电位带电远距离补加、紧固螺栓，避免线路停电；②能补加、紧固35 ～220 kV 电压等级的直线悬垂线夹脱落、松动的螺栓；③特制螺栓存储套筒具有磁性，可以同时存放螺母、弹簧垫、平垫等，并具有多种规格以满足不同大小的螺栓，使补加工作可一次性完成；④实现了力的转向，可将竖直面的扭力转变为水平面的扭力，使补加工作可以在多个角度下进行；⑤绝缘操作杆可接续为3.0 ～6.0 m，可根据电压等级和作业位置灵活组装以调整接续节的总长度；⑥传动操作装置是补加工具的动力装置，传动操作装置的转动手柄与内层传动轴连为一体穿过绝缘管与接续节相连接，将转动力传递到特制套筒，带动套筒旋转。

新型螺栓紧固器采用地电位的作业方式，相比等电位作业，简化了作业流程，降低了安全风险和成本，增加了社会效益，具体对比分析如表1 所列。

表1 新型螺栓紧固器与传统工具对比

2 改进螺栓紧固装置

架空输电线路螺栓固定结构长期暴露在空气中，受风力及导线振动等外部因素影响，靠近导线侧的连接螺栓会出现松动现象，若不能及时对缺陷螺栓进行紧固，将会导致连接处发热、导线掉线等重大事故。经调查发现，地电位带电紧固是最经济性、安全性及高效性的方法，但仍有50%的情况无法开展。文中在现有研究的基础上，提出一种自研制新型带电紧固作业方案，具有作业影响小、实时性好、流程简化、安全风险和成本低、耗时短的优势。针对不同电压等级输变线路线夹(悬垂线夹、并沟线夹、爆压线夹、变电站母线设备线夹)螺母型号不统一的问题，通过调查、统计常见套筒方头尺寸和不同线夹螺丝的型号，运用多用套筒扳手设计了一种悬吊在导线安装位置的轻型支撑杆作为紧固装置扳手部位，同时适应了不同螺栓规格、不同线夹螺栓高度和不同螺母紧固的要求。不同电压等级绝缘操作杆的长度和水平均不相同，改进传统绝缘操作杆长度，以最短有效绝缘长度、端部金属接头长度和手持部分长度三项之和作为新型螺栓紧固装置的绝缘操作杆长度，以满足不同电压等级需求，如表2 所列。为满绝缘操作杆接头紧密牢靠、材质强度高及长度不超过1cm 的要求，文中采用可拆卸式硬铝材质的圆弧形接头。

表2 不同电压等级绝缘操作杆各部分长度

3 新型螺栓紧固装置实施成效检测

运用文中研制的基于输电线路带电万能多向螺栓紧固技术分别对14、17 和19 mm 规格的螺栓进行试验，得出如下结论:通过多次夹持进行适用范围的检测，表明该工具满足尺寸设计要求，每次都能正常夹住螺栓；绝缘耐压试验中35 kV 额定电压工频耐压值大于95 kV/min，绝缘性能满足带电作业安全标准；将大于24.5 N·m 力加在螺栓上测试扭力扳手扭力，均能实现可靠有效紧固；通过多次紧固试验得出单次紧固螺栓平均耗时均小于2 min，能够达到预期值。试验得出该装置能够快速紧固螺栓的螺杆与螺母，解决了在满足安全距离及单人紧固螺栓条件下停电紧固松动螺栓的难题。

将文中研制的带电紧固螺丝装置试用在110 kV停用的输电线路，实现了安全距离条件下单人带电自动组合工具螺栓紧固，既方便快捷、省时省力，又标准美观、安全性好。满足不同线夹类型工作要求，消除线路中的安全隐患，节省检修、电量损耗等费用约400 万元，提高了工作效率和经济社会效益。结合输电线路工程的实际情况，本装置对耐张线夹引流板螺栓的拧紧工艺提出下列建议:①输电线路工程中耐张线夹引流板螺栓优选M16 螺栓，螺栓严重超拧会极大降低连接的可靠性。所以施工时需使用力矩扳手，并按螺栓规格施加合适的扭矩值；②因热镀锌螺栓扭矩系数的离散性高于普通螺栓，同一工程的耐张线夹引流板螺栓应采用同厂家同批次的产品，并在安装前空拧几次，确保螺纹部分无影响摩擦系数的毛刺或污物，保证安装质量的一致性；③耐张线夹引流板螺栓应配合加厚大垫圈使用。加厚大垫圈可以改善平板的受力情况，避免垫圈下的铝板出现压痕；④扭矩扳手的拧紧速度对摩擦系数影响较大，考虑到静摩擦因数通常略大于动摩擦因数，在施加扭矩时，扭矩扳手的扳拧速度应均匀，到达设定扭矩值附近时必须放缓动作，听到提示音后立即停止转动，以免过拧；⑤线路检修时，对于引流板螺栓出现松动变形或性能欠佳的情况，建议螺栓、螺母和垫圈全套换新后重新拧紧。