基于220kV输电线路绝缘子的新型更换工具设计

摘 要：本文针对200kV输电线路耐张双串绝缘子更换问题，进行了基于220kV输电线路耐张双串绝缘子的新型更换工具设计研究。该更换工具采将无缝钢管结构作为连接装置，微调丝杠作为调整装置，拉力液压缸作为动力源，托平钩作为承载工具，与传统的专用卡具和5T双钩整串收紧更换方法相比，可降低更换双串绝缘子的难度并节约时间，同时适用于不同类型耐张双串绝缘子的更换工作，具有突出的经济、安全效益。

关键词：耐张双串绝缘子；更换工具；微调丝杠；无缝钢管

中图分类号：TM 75" " " 文献标志码：A

在高压输电线路中，耐张绝缘子是电力设备中一个重要配件[1]。由于耐张绝缘子的形状特殊、质量较大，传统的更换方法存在高空作业风险大、操作复杂、人员安全难以保障且成本高等局限性，因此有必要设计一种新型耐张双串绝缘子更换工具。本文以220kV输电线路耐张双串绝缘子更换为背景，结合具体实际情况，设计了一种新型更换工具。该工具主要由无缝钢管联板、无缝钢管、微调丝杠、拉力液压缸以及托平钩等主要部件组成，可提高220kV输电线路耐张双串绝缘子更换效率和安全性。

1 现有更换工具的问题分析

220kV输电线路耐张绝缘子是用于支撑输电线路的关键元器件，经常承受高强度的张力并受气象因素影响，长期使用后易出现老化、裂纹和损坏等问题，导致绝缘性能下降。因此需要对耐张绝缘子频繁进行更换、维护。而卡具更换具有局限性与单一性，施工现场绝缘子型号也存在差异，因此工作人员多采用5T双钩整串绝缘子收紧更换自爆方法，具体如图1所示。

220kV输电线路通常使用双串耐张构型进行电力传输。该构型需要使用13～20片玻璃绝缘子，其长度通常为2m～3m。使用5T双钩将220kV耐张绝缘子整串收紧更换法时，对于张力较大的档距，尤其是使用双分裂导线时，双钩需要分别收紧2个方向的导线，增加了操作难度，因此需要2个以上的工作人员同时协作且更换过程较吃力。使用5T双钩将220kV耐张绝缘子整串收紧时，与二联板和双钩连接的卸扣是一个必不可少的组件，但该组件的卸下和组装操作笨重且烦琐[2]。此外，为更换自爆绝缘子并安装新的绝缘子，工作人员需要托平整串绝缘子，但其质量较大且长度较长，托平操作非常具有挑战性，因此常用短绳绑扎托平绝缘子方法，而该托平方式需要较多的人力和时间，并有过度牵引的隐患。

2 基于220kV输电线路耐张双串绝缘子的新型更换工具设计

2.1 关键技术

基于220kV输电线路耐张双串绝缘子的新型更换工具的关键技术主要包括以下6个方面。1）本装置由无缝钢管联板、无缝钢管、微调丝杠、拉力液压缸和托平钩等主要部件组成。2）本文发明了一种无缝钢管结构，用于连接双串耐张绝缘子二联板，可替代卸扣，适用于不同电压等级。3）发明了一种用于承托绝缘子的托平钩。托平钩具有定位结构，防止托平钩向上打开时行程超限。托平钩从上往下勾住绝缘子，然后使用螺栓紧固拧紧，定位勾住绝缘子，防止逃脱。4）发明了一种调节连接长度的微调丝杠结构。微调丝杠可以根据绝缘子串长度进行调节，使装置具有通用性。5）发明了一种耐张绝缘子数显拉力液压缸，可实时检测拉力值，防止过牵引，采用液压结构节省作业人员操作强度。6）装置通用性好，可适用于耐张杆塔任何类型绝缘子的更换。

2.2 装置结构和框架

2.2.1 无缝钢管结构

220kV输电线路耐张双串绝缘子新型更换工具中无缝钢管的结构设计如下所示。对于220kV及以上高压等级，采用压接抱夹连接方式，通过螺栓或紧固夹具将绝缘子串的连接板与下一串绝缘子连接板紧固在一起。为保证无缝钢管结构抱夹尺寸和结构能够适应不同电压等级的绝缘子串连接板形状和数量，需要计算220kV输电线路耐张双串绝缘子牵引一串绝缘子的额定承载力P，如公式（1）所示。

（1）

式中：n1为作用于工具上的导线根数；S为子导线的横截面积；n2为绝缘子并联组合串数；αd为最大导线应力；Kb1为并联绝缘子串承受导线张力时，不同串间受力的差异程度系数。

合理的无缝钢管结构和连接方式可以提高工具的稳定性和安全性。本文选择碳素钢作为无缝钢管结构的制作材料，其具有良好的机械性能、可焊性以及优异的抗腐蚀性能，能满足更换工具的机械强度和质量要求。然后将无缝钢管作为装置的支撑结构，设计其直径为50mm，壁厚为5mm，承受极限拉力为30kN，使其具有更好的机械强度。还将无缝钢管设计为模块化结构，以便于对不同电压等级的耐张绝缘子进行适应性调整。

2.2.2 微调丝杠结构

在基于220kV输电线路耐张双串绝缘子的新型更换工具中，本文通过微调丝杠结构实现装置的通用性。该微调丝杠结构采用不锈钢材质，包括连接头、焊接、正反牙丝杠、螺母、丝杠调节六角螺母和连接头等主要部件，具体结构如图2所示。

连接头起到连接微调丝杆结构的作用，将其焊接螺母和丝杠调节六角螺母等其他组件连接在一起，可保证整个微调丝杆结构的可靠性和稳定性。将焊接螺母与连接头进行焊接，并保证焊接点的强度和密封性。正反牙丝杠是微调丝杆结构的关键组件，是一端具有正牙、另一端具有反牙的螺杆结构。正反牙丝杠与焊接螺母间的螺纹连接，工作人员可以通过旋转丝杠调节六角螺母，对焊接螺母位置进行微调。同时，正反牙丝杠的设计需要考虑牙形的精度控制，以确保微调的准确度和精度。正反牙丝杠的牙形精度计算过程如公式（2）所示。

（2）

式中：δ为牙形精度系数；v为丝杠半径；λ为丝杠的螺纹数，表示丝杠上每单位长度内的螺纹数量，它决定了丝杠的调节灵敏度，螺纹数越多，调节越精细；∂为螺纹牙形的几何参数，其大小会直接影响螺纹的牙形和强度。

通过对这些参数进行精确控制和优化，可对微调丝杠结构进行精准设计和优化，提高其可靠性和稳定性，满足220kV输电线路耐张双串绝缘子更换工具的高精度、高效率要求。螺母是与正反牙丝杠螺纹相匹配的螺母，通过与丝杠的螺纹进行接合，实现微调功能。丝杠调节六角螺母是连接头与微调丝杆结构的另一个关键组件，通过旋转丝杠调节六角螺母，可以控制焊接螺母在正反牙丝杠上的位置，从而对绝缘子更换工具的位置进行微调。

2.2.3 耐张绝缘子数显拉力液压缸

在基于220kV输电线路耐张双串绝缘子的新型更换工具中，作为装置的力量来源，数显拉力液压缸结构可承受的最大拉力为20t。本文采用液压动力传动技术，该技术以液体为传递媒介，通过油路系统中的油缸、活塞和油泵，将输入的机械能转化为可控的压力。耐张绝缘子数显拉力液压缸结构图具体如图3所示。

液压泵通过不同组件产生压力，将液压油推入液压缸中。其中加力手柄在数显拉力液压缸中至关重要，通过调整其压力，可控制绝缘子更换工具的移动。外部力值仪表实时检测液压油压力，并将其转化为拉力值，便于工作人员控制拉力。液压缸内的活塞由高强度铜合金制成，液压油推动活塞向外移动，将绝缘子固定在适当位置。当液压油通过活塞管道时，管道内部存在流动阻力，可降低液压油压力。液压油的压力损失计算过程如公式（3）所示。

（3）

式中：ΔP为压力损失，表示液压油在流动过程中由管道内部阻力产生的压力降低，该压力损失会影响液压缸的工作效率，因此需要尽可能减少；f为描述液体在管道内流动时与管道壁面间摩擦阻力参数，减少该摩擦系数可降低压力损失，提高液压系统效率；l为活塞管道长度；Q为液压油流量。

l、Q也是影响压力损失的重要因素，长度越长，流量越大，压力损失越大。活塞后部配备复位弹簧，其作用是在液压油释放后将活塞恢复到原位，以节约液压油。油箱位于复位弹簧上部，具有足够的容量，可存储液压油，并通过液压管路与液压泵相连来满足液压系统所需的液压油量。在实际操作中，工作人员将该液压缸与绝缘子相连，并通过油泵控制液压油的进出，从而实现固定和释放绝缘子的功能，并通过力值仪表实时监测、调整拉力值。

2.2.4 托平钩

在220kV输电线路耐张双串绝缘子的更换过程中，托平架用于承托和固定绝缘子。绝缘子托平钩结构图如图4所示。

该托平架包括松开或禁锢螺母、拖瓶横担等关键部件。在绝缘子更换过程中，通过松开或禁锢螺母，可使拖瓶横担能够自由移动。再旋转拖瓶横担上的定位机构，并通过瓷瓶挂钩勾住绝缘子。托平钩具有定位机构，可防止自身向上打开时行程超限。在固定绝缘子方面，拖瓶横担上的吊钩松紧状态可以控制托平钩的位置和高度。在此过程中，绝缘子的质量和外部荷载会影响托平架悬挂绝缘子时的吊钩松紧状态，具体如公式（4）所示。

（4）

式中：m为绝缘子质量；g为绝缘子重心距；F为托平架承载能力；K为载荷系数；Fe为外力对绝缘子的作用力；b为修正松紧状态系数；p为吊钩承载能力；c为吊钩钩材料和结构因素的修正系数。

通过计算吊钩松紧状态，可保证托平架悬挂绝缘子时具有足够的承载能力，避免吊钩松紧不当导致绝缘子脱落或损坏，降低输电线路运行风险。托平钩免除人力托平绝缘子，使该项工作只需要1～2人便可完成。

2.3 基于220kV输电线路耐张双串绝缘子的新型更换工具操作步骤

在实际操作中，需要将联板、微调丝杠和拉力液压缸等部件连接起来，组成一个完整的更换装置，并通过连接至两端二联板的施工孔进行连接，这一步需要严格按照设计要求和工具使用说明进行操作，保证装置安装牢固。基于220kV输电线路耐张双串绝缘子的新型更换装置装配图如图5所示。

根据实际需求和绝缘子的长度因素调节微调丝杠的长度，使整套更换工具初步收紧，与绝缘子呈同样松紧状态，以使更换后的绝缘子与原有的绝缘子状态保持一致，不会对电力系统的稳定性和安全性产生影响。完成以上步骤后，将托瓶横担从上方安装到无缝钢管上，用托瓶钩勾住绝缘子，使用螺栓拧紧固定（根据需要多段固定）。这一步是更换工具与绝缘子间关键的连接环节，需要根据设计要求和实际情况进行操作，保证托瓶能够准确、稳定地勾住绝缘子，不会产生松动或脱落情况。然后使用数显拉力液压缸继续收紧绝缘子，直至能将需要更换的绝缘子松脱时，停止收紧操作（紧线过程中数显装置能实时显示拉力值）。松脱并更换需要更换的绝缘子后拆除各部件，完成收尾工作，将更换工具拆除并妥善保管，以备下次使用。同时，应及时通知、报告相关部门和人员，记录工具使用情况和维护保养记录，确保设备完好、安全。

3 结语

综上所述，本文通过分析和改进传统更换工具，提出了一种基于220kV输电线路耐张双串绝缘子的新型更换工具设计方案，可适用于多种不同型号、类别的耐张双串绝缘子，不仅为输电线路维护保养工作提供了高效便捷的解决方案，还有助于降低工作难度，提升维护工作的效率和质量。

参考文献

[1]乔钰彬，曲金帅，范菁，等.基于深度学习的输电线路绝缘子缺陷识别研究[J].计算机与数字工程，2023，51（8）：1782-1786，1860.

[2]陈雅芳.输电线路绝缘子覆冰预测及防护方法综述[J].山东电力技术，2023，50（3）：48-56.