新型高壓架空輸電線路專用接地線的研制

馬 輝，丁祖善，趙守強，段慶權，谷 屯

(國網江蘇省電力公司徐州供電公司，江蘇 徐州 221000)

0 引言

隨著國民經濟的快速發展，我國用電量逐年增長，為滿足用電需求及電網建設的快速發展，220?kV，500?kV等超高壓輸電線路越來越多。超高壓線路長期暴露在外界環境中，容易遭受外力或自然環境的影響而出現故障，需要定期對其進行檢修，如對絕緣子串的清掃、測零、更換以及導地線、間隔棒、防震錘的更換等。為保證檢修人員的安全，架空輸電線路停電檢修時必須在檢修區域兩端掛設接地線，以防檢修區域突然來電或者產生感應電壓等造成人身傷害。由于設計滯后，目前使用的220?kV及220?kV以上高壓架空線路接地線不能較好地適應高壓架空線路的檢修工作，主要表現為裝拆接地線時費時費力，極大浪費了停電檢修時間。因此，迫切需要研制一種新型接地線，以解決現有接地線在使用中存在的問題。

1 現有接地線的使用及研究現狀

1.1 現有接地線的使用現狀

現有的高壓架空輸電線路接地線由接地卡頭、絕緣繩、軟銅線、彈簧夾子、夾子舌頭組成，在其使用中存在以下問題:

(1)?裝拆接地線時由于豎直方向旋轉無法控制，導致線夾子很難夾住導線；

(2)?在有風的情況下裝拆接地線時，由于無法控制線路橫向移動和垂直地面方向旋轉，給裝拆接地線造成很大困難。

由于上述問題的存在，導致裝拆接地線的工作量增加，浪費了停電檢修的時間和作業人員的體力。這不僅降低了企業的經濟效益，還會因為裝設接地線時間過長，增大了突然來電(反送電、感應電、誤送電等)的可能性，進一步增加了作業危險性。所以，解決這一問題刻不容緩。

1.2 最新研究現狀

目前，為克服耐張塔導線不在橫擔下方而不能加掛接地線的問題，有相關的研究設計出了一種裝設在現有的接地線上的彈簧卡勾，實現了在直線塔和耐張塔導線上不受風力影響地加掛接地線。但是，?這種卡勾構造復雜，價格昂貴且操作不方便。

2 新型接地線的研制和實驗

2.1 導線端頭自由度的控制

要杜絕接地線在裝拆過程中隨意轉動或者左右搖擺的現象，就必須控制導線端頭的自由度。

剛體在空間的運動既有平動也有轉動，其自由度有6個，即3個平動自由度x，y，z和3個轉動自由度a，b，q，如圖1所示。如果剛體運動存在某些限制條件，自由度會相應減少。

2.1.1 自由度控制裝置的設計制作技術難點

(1)?自由度控制裝置設計要合理，與導線端頭配合要默契。

(2)?自由度控制裝置要安裝在導線端頭的合理位置。

(3)?自由度控制裝置在導線端頭上的轉動方式，需要經過大量的計算和多次試驗來確定，即確定采用滑動方式和滾動方式的各項綜合指標。

圖1 自由度示意

2.1.2 技術難點的解決方案

(1)?先畫圖設計，再使用機械性能相當的材料制作模型，并通過試驗解決自由度控制裝置與導線端頭配合的問題。

(2)?自由度控制裝置在導線端頭彈簧鉤頭上安裝位置的研究。將模型安裝位置畫圖于Pro/E軟件上，通過Hypermesh網格劃分，以Ansys軟件分析結果，來確定最佳安裝位置。

(3)?自由度控制裝置在導線端頭上的轉動方式研究。畫圖設計模型，通過模型試驗選定較好的設計，再做出實際裝置進行現場試驗來確定轉動方式。

2.2 接地線各部件設計

2.2.1 導線端頭的設計

在實際工作中通常有導線線夾和自夾鉤頭2種導線端頭。兩者的機械性能及操作性對比如下。

(1)?機械性能。導線夾和自夾鉤頭與導線的握著力均可滿足要求，可以保證在正常的檢修工作中不發生掉落現象。

(2)?操作性。用自夾鉤頭的接地線裝拆更加方便，可操作性更好，整個過程所需的時間也較使用導線夾時大大減少。

通過Pro/E軟件對2種導線端頭進行自由度控制裝置設計。經過軟件分析發現：自夾鉤頭更容易與自由度控制裝置結合，而導線線夾因為構造簡單，不適合制作自由度控制裝置。因此，選擇自夾鉤頭作為接地線的導線端頭。

2.2.2 新型接地線的初步結構

通過上述分析比較，擬定的新型接地線的初步結構如圖2所示。它由接地卡頭、絕緣繩、軟銅線、彈簧鉤頭等部件組成。軟銅線的一端連接在彈簧鉤頭上，另一端連接在接地卡頭上，彈簧鉤頭卡持在導線上，接地卡頭固定在桿塔上或者埋入大地的接地極上。彈簧鉤頭的下方設置有自由度控制機構，2根絕緣繩分別連接在彈簧鉤頭的上方柄部和自由度控制裝置上。

彈簧鉤頭上方的鉤身U型槽內設置2片弧形的彈性舌。彈性舌的一端通過銷軸連接在U型槽開口端的內側壁，一張力彈簧卡在彈性舌的舌身和該U型槽內側壁之間，張力彈簧通過銷軸連接在彈簧鉤頭的鉤身上。彈性舌的另一端從鉤身U型槽底部伸出，并連接在一軟銅帶的一端；軟銅帶的另一端連接在該側U型槽的外側壁上，張力彈簧使彈性舌的舌身和U型槽的內側壁分開，在2片彈性舌之間形成彈性卡夾持住導線。在彈簧鉤頭下方U型槽底部端面上，有一垂直于該端面的用于安裝自由度控制裝置的通孔；在彈簧鉤頭上方柄部，有一系絕緣繩的連接孔。

圖2 新型接地線的初步結構

2.2.3 自由度控制裝置設計

結合實際工作需要，通過Pro/E軟件畫圖設計，并運用Hypermesh網格劃分及Ansys軟件分析，擬定了4種自由度控制裝置設計方案，如圖3所示。

(1)?單桿轉動。通過絕緣繩與單桿的結合控制端頭的自由度；但這種方式對自由度的控制不好，且單桿轉動角度范圍過大，不方便操作。

(2)?雙桿聯動。通過絕緣繩與雙桿結合，可以較好地控制各方向的自由度。

(3)?單桿限動方式1。通過剛體伸縮來控制各方向的自由度。

(4)?單桿限動方式2。通過限位設計來控制角度及各方向的自由度。

圖3 自由度控制裝置設計方案

經過多次制作模型和現場試驗，發現設計(4)比設計(1)，(3)能更好地控制鉤頭，從而快速完成裝拆接地線工作；同時比設計(2)要更節省材料，降低了鉤頭的重量和造價。因此，最終方案確定為設計(4)，制作出的實物如圖4所示。

用絕緣繩控制導線端頭的自由度，可以實現0～90°的角度轉動；但是絕緣繩在頻繁的使用過程中容易磨損，且因頻繁伸縮等原因產生疲勞，從而出現斷股甚至斷線現象。因此，重新設計此處的控制裝置，在U型槽的底部設計2塊鋁合金擋板，用以控制自由度控制裝置的轉向功能，如圖5所示。經試驗測試，此設計可以將導線端頭的轉向角度控制在0～90°，完全滿足需要。

圖4 鉤頭及自由度控制裝置

圖5 改進后鉤頭及自由度控制裝置

3 新型接地線的使用效果檢測

3.1 裝拆過程

新型接地線在現場的裝拆流程如下：

在橫擔處，檢修人員先將接地線的接地端固定在桿塔或者埋入大地的接地極上；然后利用鉤頭柄部和自由度控制機構上的2根絕緣繩控制鉤頭的下落路徑，使其到達導線下方；向上拉鉤頭柄部的絕緣繩，鉤頭鉤住導線；放開絕緣繩，在重力作用下，鉤頭會旋轉180°開口向下，使得接地線牢固地鉤住導線，避免脫落。工作完成后，向上拉鉤頭自由度控制機構上的絕緣繩，輕松取下鉤頭并拆除接地端，完成接地線的拆除工作。

3.2 不同氣候情況下的裝拆時間

分別在3種不同天氣情況下裝拆新型接地線，以測定平均裝拆時間，每種天氣情況下各裝拆15次，具體結果為：在溫和無風的情況下，平均用時為104.3?s；在風力為4～5級的情況下，平均用時為110.5?s；在可視度不高的天氣情況下，平均用時為116.1?s。3種情況的平均裝拆時間約為110?s，相比現行接地線，裝拆1相接地線可節省490?s的時間。

3.3 使用效果

由以上實驗可以看出，在各種天氣情況下使用新型接地線時，作業過程受環境的影響均很小，使用新型接地線的平均裝拆時間小于120?s。

4 結束語

新型220?kV及220?kV以上高壓架空輸電線路專用接地線的研制成功，有效解決了220?kV及220?kV以上高壓架空線路接地線掛接難的問題。該接地線可在220?kV及220?kV以上高壓架空線路停電檢修工作中大范圍應用，能減小勞動強度、提高勞動效率，可作為現有接地線的升級替代品。

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