1000kV特高壓輸電線路檢修專用絕緣子卡具的研制

2010-08-09 09:53:16李俊峰劉紅偉姜國慶陶留海王常飛

電力建設 2010年7期

李俊峰，劉紅偉，姜國慶，陶留海，王常飛

（1.河南送變電建設公司，鄭州市，450051；2.河南省電力公司生產技術部，鄭州市，450053）

0 引言

1000kV特高壓交流晉東南—南陽—荊門輸變電工程已經于2009年1月6日投入商業運行，這是我國第一次自主設計、自主建設、自主設備制造、自主調試、自主運行管理的交流1000kV輸變電試驗示范工程，具有世界領先水平[1]。為保障我國首條1000kV輸電線路的安全穩定運行，迫切需要總結、提高和研究電網運行維護技術，尤其是開展1000kV特高壓線路工器具的研究工作。

經過長時間的摸索，我國電網企業在500kV及以下線路檢修作業工機具開展了研制工作[2-7]，并有相當成熟的經驗。750 kV線路檢修作業常規項目已經順利開展，但1000kV特高壓等級線路是新一級電壓等級，由于線路結構的特殊性，客觀上決定了只能借鑒、不能照搬直接應用750 kV及以下線路檢修作業工機具的研制技術、數據和經驗，必須結合1000kV特高壓線路組件結構特點，開展系列的、科學的、有針對性的線路工器具項目研究和工器具的開發[8-9]。

本研究在總結或借鑒我國110～750 kV交流輸電線路檢修作業工器具制造技術的基礎上，結合1000kV線路具體情況，研制適用于1000kV線路檢修作業中瓷質絕緣子更換的工器具及方法，滿足特高壓線路檢修作業的需要。

1 特高壓線路絕緣子串組裝型式與工具研制規劃

1.1 1000kV線路技術參數與絕緣子串組裝類型

我國1000kV線路試驗示范工程，架空導線采用8×LGJ—500/35型鋼芯鋁絞線，相導線采用8分裂正八邊形布置，分裂間距為400 mm，以8分裂間隔棒固定。絕緣子主要采用300 kN、420 kN、550 kN瓷質絕緣子。

直線絕緣子串型式選取典型組裝型式作為研究對象，選定“I”型單、雙串，“V”型雙串，其組裝類型如圖1～2所示。

耐張絕緣子串由2串絕緣子組成，絕緣子采用CA597EX，導線端靠近絕緣子的金具為雙聯碗頭（WS-55S）和方聯板（LS4-128/32S-600）等；橫擔端靠近絕緣子的金具為球頭掛環（QH-55S）、U形掛環（U-55S-150）、調整牽引板（PTQ-64S-900/15000）等。耐張絕緣子串組裝如圖3所示。

1.2 1000kV線路絕緣子工具研制規劃

1000kV線路檢修作業常規項目是指更換絕緣子，修補導線以及更換防震錘、懸垂線夾和間隔棒等。本文主要以更換絕緣子檢修作業及其相應工具為研究對象。根據1000kV線路導線的懸掛方式和絕緣子串的組裝圖，初步擬定出1000kV線路絕緣子常規檢修項目與工具研制規劃為：

（1）開展更換直線懸垂串單片、多片絕緣子項目和相應工具研制；

（2）開展更換直線“V”型雙串單片、多片絕緣子項目和相應工具研制；

（3）開展更換耐張串單片絕緣子、多片絕緣子項目和相應工具研制。

1.3 更換絕緣子工具初步規劃

根據1000kV試驗示范工程線路絕緣子串典型組裝型式，更換絕緣子工具初步規劃歸納如表1。

表1 更換絕緣子工具初步規劃Tab.1 Initial plan of tools for replacing insulators

1.4 工具結構整合與優化

由于絕緣子串組裝型式多，再加上金具額定荷載和結構的變化，經過分析施工設計圖紙，多次進行線路實地考查，反復對設計方案進行修改、優化、組合，最終確定如表2所示卡具形式。

表2 更換絕緣子工具Tab.2 Tools used for replacing insulators

2 絕緣子卡具設計的主要技術條件

2.1 氣象條件

我國現行標準GB/T 18037《帶電作業工具基本技術要求與設計導則》規定帶電作業工具機械設計組合氣象條件有3類，詳見表3。

表3 帶電作業工具機械設計組合氣象條件Tab.3 Meteorological condition for mechanical design of live working tools

結合地區冬季正常氣候以及氣候對作業的影響，選用II類氣象，即最低氣溫為-15℃，最大風速為10 m/s，作為工具的機械強度設計氣象條件，與導線安裝工況組合氣象條件相同。

2.2 絕緣子額定荷載設計的選取

依據DL/T 463—2006《帶電作業用絕緣子卡具》規定取絕緣子級別（破壞負荷）的百分數加固定的常數作為卡具的額定荷載設計，即

式中P0為適用的絕緣子或金具級別，kN。

按式（1），1000kV線路使用的絕緣子為550 kN、420 kN、300 kN級的絕緣子，則卡具的額定荷載設計分別為142.5 kN、110 kN、80 kN。考慮到2根緊線器在操作過程中受力不均衡，最終確定：

（1）直線懸垂單串，額定荷載設計定為120 kN；

（2）直線懸垂雙串，“V”形雙串額定荷載設計定為85 kN；

（3）耐張雙串額定荷載設計定為150 kN；（4）緊線器額定荷載設計定為80 kN/50 kN。

2.3 緊線器的設計技術條件

緊線卡整體結構采用“梯形螺紋絲桿+液壓缸傳動”的雙系統傳動裝置，即雙傳動緊線器。

液壓缸技術條件：拉力為80 kN；行程為200 mm；缸頭、缸筒材料為LC4；要求安全、可靠、體積小、重量輕，不滲漏。

2.4 卡具安全系數

確定安全系數是一個復雜的問題[10-12]。安全系數大，工具笨重，操作不方便；安全系數小，不安全。以往帶電作業工具設計中常采用安全系數不小于3，GB/T 18037《帶電作業工具基本技術要求與設計導則》規定塑性材料安全系數ns對于軋、鍛件取1.5～2.2。考慮到工具的工作條件、材料性能以及型式試驗條件等，取ns≥2.5，破壞系數不小于3。

2.5 卡具的主要技術參數

根據2.2.4節規定的安全系數和破壞系數，各類卡具和緊線器的動態試驗荷重、靜態試驗荷重以及破壞荷重列于表4。

表4 絕緣子卡具的技術參數Tab.4 Technical parameters of insulator clips

2.6 試驗要求

（1）機械試驗按卡具實際受力狀態布置，分別進行動、靜狀態下的整體抗拉及破壞性試驗，試驗應在合格的拉力試驗機上進行。

（2）試驗時，除卡具外其他零件變形或損壞，應更換新零件繼續進行試驗。

（3）動態負荷試驗：卡具按實際工作狀態布置，在表4所列的動態試驗荷重作用下，進行3次試驗操作，各零件無變形、損傷以及操作應靈活可靠、無卡阻者為合格。

（4）靜態負荷試驗：卡具按實際工作狀態布置，按額定負荷的1倍、1.25倍、2.5倍對每件試樣進行試驗，在表4所列的靜態試驗荷重作用下持續5 min，各零件無永久變形及損傷者為合格。

（5）破壞試驗：試件（卡具）在拉力試驗荷重達到表4的靜態試驗荷重值后，繼續緩慢加載（9.8 MPa/s力增加值），直至試件任何一處破壞為止。破壞荷重值不應小于表4規定的破壞荷重。

3 絕緣子卡具主要結構尺寸和材料

3.1 主要結構尺寸

3.1.1 閉式卡具長度尺寸

閉式卡具長度尺寸是根據絕緣子的最大瓷裙盤徑來確定的，雙牽引卡具的長度計算公式為：卡具長度=絕緣子最大瓷裙盤徑＋絲桿組件最大外徑＋2倍間隙。

NGK550（XWP420）閉式卡具，絕緣子連接高度為240（205）mm，瓷裙最大盤徑為380 mm，絲桿組件中液壓缸閥體最大外徑為120 mm，單邊間隙為20 mm，則卡具長度為540 mm。

XWP300閉式卡具，絕緣子連接高度為195 mm，瓷裙最大盤徑為330 mm，絲桿組件中最大外徑為110 mm，單邊間隙考慮20 mm，則卡具長度為480 mm。

3.1.2 直線卡具長度尺寸

直線卡具長度尺寸是根據1000kV橫擔尺寸來確定的：

（1）直線單串（雙串）卡具長度由橫擔尺寸組合確定，卡具長度為600（554）mm。

（2）“V”型串卡具的長度根據XWP300閉式卡具組合確定，卡具長度為480 mm。

3.2 絲桿主要零件材料

直線卡具絲桿的結構和耐張卡具絲桿基本一樣，對于大噸位采用“機械絲桿＋手搖液壓缸組合”，因此，原材料的選用和耐張卡具絲桿一樣。為了高空作業操作方便，將手搖泵與缸體分離，手搖泵與缸體之間用軟質高壓油管相連接，手搖泵放于橫擔上，同時也減少了卡具的單件重量。對于小噸位絕緣子采用50 kN直線絲桿或50 kN省力絲桿。

4 特高壓絕緣子卡具關鍵技術

對更換絕緣子工具的基本設計要求是：通過對工具結構的優化及工具材料的優選，使工具的結構合理，整體強度高，質量輕，工作可靠。圍繞基本要求，主要解決以下幾個關鍵問題。

4.1 卡具材料的優選

卡具型式及工作負荷確定后，進一步需要確定卡具主體的材質。可供選擇的卡具主體材質及機械性能詳見表5。

表5 卡具主體材料機械性能比較Tab.5 Comparison of mechanical properties of insulator clip materials

從表5中可見：40Cr、LC4、TC4三種材料的機械強度都較高。如選用鋁合金LC4材料，雖然材料比重較小，但是力學性能較鋼材40Cr及鈦合金TC4小的多，差了1倍左右，做成的卡具外形尺寸較大，整體重量反而較大，使用時需要較大的安裝空間。

鋼材40Cr與鈦合金TC4的材料機械性能比較接近，但是40Cr的比重是TC4的1.78倍，因此40Cr材料不可取。

鈦合金TC4的比重是鋁合金LC4的1.6倍，但力學強度均為鋁合金的2倍多，做成的卡具除長度尺寸外，其他外形尺寸均比鋁合金卡具小一半，整體重量比鋁合金卡具輕；另外由于外形尺寸小，使用時需要的安裝空間小，操作也相對方便。

經過性能及性價比的對比研究，最終確定用鈦合金TC4、鋁合金LC4、LY12來加工卡具主體，材質選用見表6。

表6 1000kV各型絕緣子卡具選用的材質Tab.6 Materials used for various insulator clips for 1000kV transmission lines

鈦合金材料性能的主要特點是比強度高（現代工程金屬結構材料中最高的），熱強性好（如在300～350℃下，其強度為鋁合金強度的3～4倍），耐蝕性好（鈦合金表面能生成致密堅固的氧化膜，故耐蝕性能比不銹鋼還好），化學活性大，導熱性能差、彈性模量小，不宜制作細長桿和薄壁件。鈦合金在1000kV卡具上的應用，為我國線路檢修作業工具的發展指明了新的發展方向。

4.2 常規傳動系統的改進

1000kV相導線采用大導線8分裂，正常情況下，導線機械荷載大，高空作業費力。因此，在大機械荷載下傳動系統仍以液壓機構為宜，但由于液壓機構傳動速度較慢，為了減少高空作業人員滯空時間，應對常規傳動系統進行改進，常規液壓傳動系統見圖4。改進的辦法是在液壓系統前又加上了機械傳動絲桿（見圖5），用于空行程的收放及小負荷的預緊，可以保證液壓系統失效后依然能使工作順利完成。

采用“液壓＋機械傳動”的雙傳動系統絲桿裝置，最大的特點是工作的可靠性提高了，一個系統的失效不影響另一個系統的正常工作，具有互為保護作用；還有一個特點，是系統中梯形螺紋絲桿和液壓缸分體設計，使用時組裝成一體，不用時可分開存放，且便于損耗件的更換與維護。

另外，液壓缸密封技術首次應用航空新技術，采用“間隙密封+密封圈密封”，解決油滲漏問題，既保持了液壓傳動省力的特點，又避免了密封圈的老化問題。

4.3 液壓系統優化設計

由于卡具的工作負荷比較大，要把液壓系統做得體積小、質量又要輕是有相當難度的，需要解決許多技術的問題。在研制過程中，主要解決了以下幾個關鍵問題。

（1）柱塞泵的小型化。工作缸的進口壓力確定以后，柱塞泵體積對減輕工具整體重量影響很大。通過2次設計改進，將外油路改進為內油路，把柱塞泵作為1個支座，柱塞泵與缸體、儲油罐直接相連，省去了其間的連接裝置。這樣，不僅有效地利用支座的空間，而且有效地縮小了柱塞泵的體積，減輕了工具的質量。

（2）液壓系統整體優化。柱塞泵的小型化問題解決后，對整套液壓系統利用三維模型技術進行了整體優化，根據強度要求，將多余敷料去除，從而大大地減輕了動力油源系統的質量。

4.4 鈦合金材料加工工藝

鈦合金材料是首次應用到絕緣子卡具的研制，沒有成熟的加工工藝和經驗。因此，應根據鈦合金的切削加工特點，制定新的工藝。

研究結果表明，鈦合金的硬度大于300 HBS或350 HBS都難進行切削加工，但困難的原因并不在于材料硬度方面，而在于鈦合金本身的力學、化學、物理性能間的綜合，表現有下列切削加工特點。

（1）變形系數小。變形系數小（甚至小于1）是鈦合金切削加工的顯著特點。原因有3點：第一是鈦合金的塑性小（尤其在切削加工中），切屑收縮也小；第二是導熱系數小；第三是在高溫下，鈦屑吸收了周圍介質中的氧、氫、氮等氣體而脆化，喪失塑性，切屑不再收縮，使得變形減小。

（2）切削力。在三向切削分力中，主切削力比45號鋼小，背向力則比切削45號鋼大20%左右。

（3）切削溫度高。切削鈦合金時，切削溫度比相同條件下切削其他材料高1倍以上，且溫度最高處在切削刀具附近狹小區域內。原因在于鈦合金的導熱系數小，刀與鈦屑接觸長度短（僅為45號鋼的50%～60%）。

（4）切屑形態。鈦合金的切屑呈典型的鋸齒擠裂狀，原因是鈦的化學活性大，在高溫下易與大氣中的氧、氮、氫等發生劇烈化學反應，生成TiO2、TiN、TiH等硬脆層。在生成擠裂切屑的過程中，在剪切區易產生塑性變形，切削刃處的應力集中使得切削力變大。然而，龜裂進入塑性變形部分，易引起剪切變形，應力釋放又使切削力變小。擠裂屑的生成過程會重復引起切削力的動態變化，伴隨一次剪切變形就會出現一次切削力變化。

（5）刀具的磨損特性。切削鈦合金時，由于切削熱量多、切削溫度高且集中切削附近，故切削刃的破損發展很快。

（6）粘刀現象嚴重。由于鈦的化學親和性大，加之切屑的高溫高壓作用，切削時易產生嚴重的粘刀現象，從而造成刀具的粘結磨損。

由于上述原因，在加工鈦合金卡具時，最終選擇用線切割方法進行加工，如圖6所示。用線切割的方法進行加工，形成的零件表面比較光整，加工過的表面金相組織沒有變化，其力學性能得到了充分的保證。同時，加工了專用成型刀具，用這樣的刀具車制的卡具型腔與懸式絕緣子鋼帽配合非常準確，以在大載荷情況下保證卡具的強度。

另外，單件加工需要大量的二類、三類專用工裝，這類工裝是保證卡具精度不可缺的，也進行了相應的改進。

5 工具強度計算

以更換耐張單片絕緣子閉式卡具為例，更換耐張單片絕緣子的前、后卡具均卡在絕緣子的鋼帽上，通過收緊絲桿將絕緣子串的張力轉移到卡具及絲桿上，使被更換的絕緣子松弛，達到更換的目的。整個卡具使用時的情況如圖7所示。

由圖7可知，前、后卡受的外力完全一樣，且前、后卡設計的外形尺寸也完全一樣。

但是，前卡具是通過卡具前沿的“爪”與鋼帽凸緣接觸傳遞力，接觸面有限，受力較復雜，既有彎矩，又有剪切力和擠壓力；而后卡是通過卡具內腔壁與整個鋼帽外壁接觸傳遞力，接觸面大，基本上是彎矩。從過去的經驗來看，卡具變形和破壞的部位都是在兩翼的端部，說明該處是受彎矩最大的部位，主導力是彎矩的作用力，剪力和擠壓是次要的。因此，無論前卡或后卡具，從整體受力來看，均可簡化為一簡支梁計算，如圖8所示。A、B為2支點，所受力為P/2，最大彎矩在AB段。危險截面的強度條件為σmax=Mmax/W≤[σ]，各種型式卡具和緊線器強度詳細計算見設計計算書。