新型直线杆塔悬垂线夹地电位给销装置的研制与应用

凌志刚，贺 欣，李瑞刚，郝欣健

（内蒙古电力（集团）有限责任公司薛家湾供电分公司，内蒙古 鄂尔多斯 017100）

0 引言

架空输电线路运行的环境条件通常很差，受各种自然条件的影响，线路金具所用的闭口销自身容易锈蚀断裂，同时因导线振动、外力挤压等现象易引起闭口销的断裂脱落。内蒙古鄂尔多斯地区大风天气时有发生，导、地线受到风力振动，其悬垂线夹等金具的闭口销容易脱落，严重影响各类螺栓的牢固度与金具的可靠性[1-3]。 闭口销缺失这类缺陷如果不能及时处理，将会引起螺母脱落，从而引发导线脱落、倒塔等事故，严重影响甚至危及电力系统的安全运行[4-7]。

日常作业中，补装导线侧闭口销的传统作业方法通常为停电作业或带电位作业人工补装，其中带电作业又分为地电位作业法和等电位作业法。地电位作业法中，绝缘操作杆长度大于设计距离3 m，操作人员站在铁塔处，观测销子位置后使用操作杆给销子，由于操作条件受限，要想准确给销需要花费大量时间，且存在长时间操作人员易疲劳等危险因素。等电位作业法中，作业人员穿屏蔽服，利用软梯攀登至悬垂线夹处的电场进行操作。由于受地形以及人员劳动强度限制，工作效率也较低。针对以上不足，张涛等人研制了一种新型输电线路带电补销工具，对人工安装销子的问题进行改善，无需悬挂绝缘软梯和进出强电场，从而缩短了工作时间[6]。李有强制作了一种悬垂线夹穿钉开口销补销器，完成了地电位带电紧固悬垂线夹穿钉螺母及补装开口销工作[7]。霍立君等人利用束缚力的平衡作用研制出输电线路多功能补销器，提高了供电可靠性[8]。

采用以上方法进行地电位补装直线塔悬垂线夹销子时，均存在无法将销子扳开至要求角度（60°）的局限性，导致销子无法真正起到保护作用，还会发生销子脱落甚至是螺母退出，引发输电线路故障。因此在地电位补装直线塔悬垂线夹销子的带电检修作业中，如何将销子扳开至大于60°的角度，是急需解决的问题。为了使地电位补装悬垂线夹销子更快捷方便，符合标准，同时降低工作人员工作强度与线路安全隐患，本文对直线杆塔悬垂线夹地电位给销装置进行设计、制作，使其能够多角度补装导线侧闭口销，从而实现短时间内完成带电补装导线侧闭口销的工作。

1 给销装置原理分析

1.1 搭扣对准原理及操作

1.1.1 原理分析

搭扣对准是指在销子给到销孔后，将销子长腿准确固定在带细缝的扁铁中，继而通过旋转操作杆旋转90°进行力的传递，使得销子的长腿更好地展开。搭扣锁的工作原理是基于两个部件之间的拉紧或扣紧的过程，工作时其中一个部件静止，另一个部件相对于静止部件运动。搭扣锁的两个部件相互作用时，运动部件的相对运动会达到一个临界点，此时二者之间形成固定的扣紧作用力，使得搭扣锁扣紧[9-11]。

1.1.2 搭扣对准操作

给销装置搭扣对准前后示意图如图1所示。给销装置借助插销片的旋转运动与搭扣连接、闭锁。搭扣对准前，如图1（a）所示，销子已插入螺杆的孔内，并牢牢固定在一个合适位置，销子的长腿部分位于下部。搭扣对准后，如图1（b）所示，销子长腿部分保持静止，当操作杆旋转90°之后扁铁的细缝正对销子的长腿部分并嵌入细缝，两个相关部分扣紧，扁铁的行程达到最大，扁铁与销子长腿部分的接触到达临界点，此时两个部件相对静止，相互锁紧，可以更有效地防止细缝和销子长腿在传递力的过程中发生打滑等相对位移，进一步保证了力可以均匀传递至销子长腿上。

图1 搭扣对准前后示意图Fig.1 Schematic diagram of buckle before and after alignment diagram

1.2 杠杆原理

给销装置通过杠杆原理将紧闭的销子扳开至合适角度，工作时通过外力对销子施加力的作用，进而使其发生形变，直至其扩开至合适角度。

如图2 所示，当带细缝的扁铁与销子的长腿紧紧固定，用力推操作杆时，在杠杆原理的作用下，手部力量会传递至扁铁，扁铁与销子长腿发生力的作用，销子长腿会由于力的大小不同而发生不同角度的形变。插入孔位的销钉与孔位接触部分在销子受力过程中，相当于一个支点，与外部操作杆连接的扁铁（带细缝）的力会以此为支点使销子长腿受力发生形变，其受力原理如图3 所示。销子末端在此过程中相当于一个支点，在销子长腿受力发生形变过程中，向外推操作杆相当于在销子长腿尾部施加作用力F1，其作用力臂为L1，相应地，由于螺栓孔内部阻力的原因，会在螺栓孔与销子长腿的接触部位产生一个反向作用力F2，其作用力臂为L2。根据杠杆平衡原理[12-14]：

图2 销子受力示意图Fig.2 Schematic diagram of pin force

图3 销子受力原理分析图Fig.3 Analysis of the force principle of the pin

由图3 可知，L1≥L2，因此根据杠杆平衡原理可知，F1≤F2，这样就形成一个省力力臂，使得操作人员在操作时，施加很小的力即可将力传递至销子长腿，进而使销子扳开至合适角度。当作用力F1大于销子长腿的屈服强度时，就会发生相应的塑性形变，销子的两条腿形成一定角度，阻止销子滑出螺栓孔，使得销子牢牢固定在螺栓上。

1.3 塑性形变原理

销子由未开启状态转为插入螺栓孔的开启状态时，需要相应的力使其发生形变，以达到开启状态。图4 为销子长腿受力与形变分析示意图，图中初始段OP 为直线，表明应力与应变成正比关系；对销子的长腿施加力，当施加的力超过长腿的弹性极限时，长腿的形变速度加快，即在这一直线段内材料服从胡克定律。P点处的应力为比例极限，E点对应的应力是材料产生弹性形变时的最大应力，为弹性极限。当外加的力到达E 点时，塑性形变会急剧增加，出现一个小的波动平台，此现象为销子长腿的屈服现象。在这一阶段中出现的两个上下屈服点E 与S 分别为下屈服点与上屈服点[15-17]。下屈服点的数值较为稳定，为材料的屈服强度。给销子长腿继续施加作用力，随着力的增大，其形变会逐步转化为塑性形变，即当外界施加压力大于材料的屈服强度时，销子长腿的形变由弹性形变过渡到塑性形变。当销子的塑性形变达到一定量，即销子开口至合适角度时，撤去外力，销子长腿由于发生塑性形变，不再具备恢复原状的条件，此时销子两条腿形成一定角度，就可以固定在螺栓孔内，起到更好的固定与防护作用。最高点B所对应的应力为销子长腿的强度极限。当伸长量ΔL 大于K 点横坐标值时，材料被拉断。销子开口60°处于S点与B点之间，属塑性形变，有利于其更好地固定螺杆。

图4 销子长腿受力与形变分析示意图Fig.4 Analysis schematic diagram of the force and deformation of the long leg of the pin

2 装置结构及其绝缘分析

2.1 装置结构及操作

2.1.1 装置结构

给销装置结构示意图如图5所示。

图5 地电位给销装置的结构示意图Fig.5 Structure diagram of ground potential pinching device

（1）补销器的梅花形连接件（212b）上有从端部向内凹陷的槽口，表面有凸起，绝缘操作杆上则具有与凸起对应的凹槽，连接时梅花形连接件上的凸起插入绝缘操作杆上的凹槽，可实现绝缘操作杆与补销器的连接，该种连接方式连接牢固，作业时不会发生摆动和旋转，从而保证了操作的可靠性。

（2）开口销姿态调整机构（22）包括连接轨道（221）和开销件（212），开销件与连接轨道螺栓连接，该种连接方式调节灵活，适用性强，可分别补装不同型号的开口销。

（3）连接轨道（221）与外套管（212）通过连接柱固定连接，即连接柱的两端同时焊接在连接轨道和外套管上，从而实现外套管相对内套管旋转，带动连接轨道旋转，外套管相对内套管向前滑动，带动开销件撑开开口销的长短脚。

（4）由于开口销的安装位置一般位于悬垂线夹的侧面，操作者难以直接观察到开口销的安装情况，因此开口销定位机构的定位端设有反光镜（211b），通过反光镜可适时观察到开口销的安装情况。

（5）补销器包括开口销定位机构和开口销姿态调整机构，开口销定位机构可用于开口销定位，即可将开口销定位于螺栓、穿钉等的径向孔内；开口销姿态调整机构用于调整开口销的姿态，具体为调整开口销的开口角度，开口销姿态调整机构与开口销定位机构旋转连接，同时相互配合调整开口销的开口角度（＞60°），克服了传统给销装置开口角度难以达到60°的缺陷。

2.1.2 装置操作

原有的地电位给销器不具备将开口销扳开的功能，所以在长期受到外部环境影响下，开口销部分退出或全部退出。设计的给销装置为地电位操作带电工器具，其前方焊接有固定销子的抓手，中间部位为可旋转90°的操作轴，将销子固定在前爪上，该轴可以向前推动，同时，在抓手垂直方向焊接有带细缝的扁铁。如图6、图7 所示，作业人员站在横担上，将给销器与操作杆连接，当销子到给销孔后，旋转操作杆90°，将带细缝的扁铁固定在销子的长腿上，此时用力向前推，操作杆将销子的长腿向外推开，从而将销子扳开，使其开口达到合适的角度。

图6 给销装置在地电位操作的空间位置图Fig.6 Spatial location of cotter pin operation at ground potential

图7 给销装置的给销操作图Fig.7 The feed operation diagram of the cotter pin

2.2 绝缘分析

作业人员站在杆塔处时，人体通过金属杆塔与大地保持同一电位。此刻通过人体的电流有两条回路：一是带电体→作业工具→人体→大地，构成一条电流回路；二是带电体→空气间隙→人体→大地，构成一条电容电流回路[18-20]。这两条电流回路都会经过人体流入大地（杆塔）。因人体电阻Rr远小于作业工具的电阻R，也远小于人体与导线之间的容抗XC[21-25]。因此在分析流入人体的电流时，人体电阻可忽略不计。图8（a）可简化为图8（b）电路。设I 为流过绝缘杆的泄漏电流，IC为电容电流，那么流过人体的总电流是上述两个电流分量的和，即I=IC+IR，其中IC=Uph/R，IR=Uph/XC（Uph为地电位电压）。本装置绝缘杆采用的环氧树脂类绝缘材料的电阻率很高，如3640型绝缘管材的体积电阻率在常态下均大于1012 Ω·cm，其绝缘电阻率均在1012 Ω·cm以上。以10 kV 配电线路为例，泄漏电流IR=5.77/107≈0.5 μA，也就是说泄漏电流仅为微安级。间接作业时，当人体与带电体保持安全距离时，人与带电体之间的电容为2.2×10-12～4.4×10-12F，其容抗XC为0.72×109～1.44×109Ω，则电容电流IC=5.77×103/（1.44×109）≈4 μA，即间接作业时，人体电容电流也是微安级。同理，通过计算，当作业电压为220 kV时，流过人体的电流也为微安级。故IC与IR的和也是微安级，远小于人体电流的感知值1 mA[21-22]。以上分析计算说明，通过使用本装置进行地电位作业时，只要人体与带电体保持足够的安全距离，通过给销装置的泄漏电流和电容电流都非常小（微安级），对人体不会有影响。因此，设计的给销装置在使用时足以保证作业人员的安全。

图8 给销装置地电位原理示意图Fig.8 Schematic diagram of the ground potential principle of the cotter pin

3 应用情况及效果

利用设计的地电位给销装置对薛家湾地区10条220 kV线路上的悬垂线夹销子进行了应用试验，统计了被操作销子的开口角度，如图9 所示。从图中可以明显看到，通过10次在不同线路采用地电位方法补装直线杆塔悬垂线夹缺失销子时，所有销子扳开角度均大于60°。

图9 销子扳开角度统计图Fig.9 Statistical diagram of pin removal angle

通过在薛家湾地区使用设计的直线杆塔悬垂线夹地电位给销装置，1 年的时间内共提高售电量27.3 万kWh，加上节省的工时，减去制作成本0.6 万元，直接经济效益为50.15万元。

4 结束语

设计的直线杆塔悬垂线夹地电位给销装置能够多角度补装导线侧闭口销，解决了传统人工停电补装造成的线路停电损失，带电人工补装效率低、费时、存在安全风险等一系列问题。实现了短时间内完成带电补装导线侧闭口销的工作，大幅度提升了工作效率。尤其是在直线杆塔悬垂线夹地电位补装销子工作中，可使销子的开口角度大于60°，开口销子真正起到了保护作用。设计的地电位给销装置体积小、质量轻，可在短时间内由较少人员完成带电（地电位）操作；该装置的使用避免了频繁的等电位作业给作业人员带来的不安全因素，尤其是攀爬软梯带来的高坠风险；同时提高了检修效率，确保了电网的安全稳定运行。