1000kV特高压输电线路检修专用绝缘子卡具的研制

2010-08-09 09:53李俊峰刘红伟姜国庆陶留海王常飞

电力建设 2010年7期

李俊峰，刘红伟，姜国庆，陶留海，王常飞

（1.河南送变电建设公司，郑州市，450051；2.河南省电力公司生产技术部，郑州市，450053）

0 引言

1000kV特高压交流晋东南—南阳—荆门输变电工程已经于2009年1月6日投入商业运行，这是我国第一次自主设计、自主建设、自主设备制造、自主调试、自主运行管理的交流1000kV输变电试验示范工程，具有世界领先水平[1]。为保障我国首条1000kV输电线路的安全稳定运行，迫切需要总结、提高和研究电网运行维护技术，尤其是开展1000kV特高压线路工器具的研究工作。

经过长时间的摸索，我国电网企业在500kV及以下线路检修作业工机具开展了研制工作[2-7]，并有相当成熟的经验。750 kV线路检修作业常规项目已经顺利开展，但1000kV特高压等级线路是新一级电压等级，由于线路结构的特殊性，客观上决定了只能借鉴、不能照搬直接应用750 kV及以下线路检修作业工机具的研制技术、数据和经验，必须结合1000kV特高压线路组件结构特点，开展系列的、科学的、有针对性的线路工器具项目研究和工器具的开发[8-9]。

本研究在总结或借鉴我国110～750 kV交流输电线路检修作业工器具制造技术的基础上，结合1000kV线路具体情况，研制适用于1000kV线路检修作业中瓷质绝缘子更换的工器具及方法，满足特高压线路检修作业的需要。

1 特高压线路绝缘子串组装型式与工具研制规划

1.1 1000kV线路技术参数与绝缘子串组装类型

我国1000kV线路试验示范工程，架空导线采用8×LGJ—500/35型钢芯铝绞线，相导线采用8分裂正八边形布置，分裂间距为400 mm，以8分裂间隔棒固定。绝缘子主要采用300 kN、420 kN、550 kN瓷质绝缘子。

直线绝缘子串型式选取典型组装型式作为研究对象，选定“I”型单、双串，“V”型双串，其组装类型如图1～2所示。

耐张绝缘子串由2串绝缘子组成，绝缘子采用CA597EX，导线端靠近绝缘子的金具为双联碗头（WS-55S）和方联板（LS4-128/32S-600）等；横担端靠近绝缘子的金具为球头挂环（QH-55S）、U形挂环（U-55S-150）、调整牵引板（PTQ-64S-900/15000）等。耐张绝缘子串组装如图3所示。

1.2 1000kV线路绝缘子工具研制规划

1000kV线路检修作业常规项目是指更换绝缘子，修补导线以及更换防震锤、悬垂线夹和间隔棒等。本文主要以更换绝缘子检修作业及其相应工具为研究对象。根据1000kV线路导线的悬挂方式和绝缘子串的组装图，初步拟定出1000kV线路绝缘子常规检修项目与工具研制规划为：

（1）开展更换直线悬垂串单片、多片绝缘子项目和相应工具研制；

（2）开展更换直线“V”型双串单片、多片绝缘子项目和相应工具研制；

（3）开展更换耐张串单片绝缘子、多片绝缘子项目和相应工具研制。

1.3 更换绝缘子工具初步规划

根据1000kV试验示范工程线路绝缘子串典型组装型式，更换绝缘子工具初步规划归纳如表1。

表1 更换绝缘子工具初步规划Tab.1 Initial plan of tools for replacing insulators

1.4 工具结构整合与优化

由于绝缘子串组装型式多，再加上金具额定荷载和结构的变化，经过分析施工设计图纸，多次进行线路实地考查，反复对设计方案进行修改、优化、组合，最终确定如表2所示卡具形式。

表2 更换绝缘子工具Tab.2 Tools used for replacing insulators

2 绝缘子卡具设计的主要技术条件

2.1 气象条件

我国现行标准GB/T 18037《带电作业工具基本技术要求与设计导则》规定带电作业工具机械设计组合气象条件有3类，详见表3。

表3 带电作业工具机械设计组合气象条件Tab.3 Meteorological condition for mechanical design of live working tools

结合地区冬季正常气候以及气候对作业的影响，选用II类气象，即最低气温为-15℃，最大风速为10 m/s，作为工具的机械强度设计气象条件，与导线安装工况组合气象条件相同。

2.2 绝缘子额定荷载设计的选取

依据DL/T 463—2006《带电作业用绝缘子卡具》规定取绝缘子级别（破坏负荷）的百分数加固定的常数作为卡具的额定荷载设计，即

式中P0为适用的绝缘子或金具级别，kN。

按式（1），1000kV线路使用的绝缘子为550 kN、420 kN、300 kN级的绝缘子，则卡具的额定荷载设计分别为142.5 kN、110 kN、80 kN。考虑到2根紧线器在操作过程中受力不均衡，最终确定：

（1）直线悬垂单串，额定荷载设计定为120 kN；

（2）直线悬垂双串，“V”形双串额定荷载设计定为85 kN；

（3）耐张双串额定荷载设计定为150 kN；（4）紧线器额定荷载设计定为80 kN/50 kN。

2.3 紧线器的设计技术条件

紧线卡整体结构采用“梯形螺纹丝杆+液压缸传动”的双系统传动装置，即双传动紧线器。

液压缸技术条件：拉力为80 kN；行程为200 mm；缸头、缸筒材料为LC4；要求安全、可靠、体积小、重量轻，不渗漏。

2.4 卡具安全系数

确定安全系数是一个复杂的问题[10-12]。安全系数大，工具笨重，操作不方便；安全系数小，不安全。以往带电作业工具设计中常采用安全系数不小于3，GB/T 18037《带电作业工具基本技术要求与设计导则》规定塑性材料安全系数ns对于轧、锻件取1.5～2.2。考虑到工具的工作条件、材料性能以及型式试验条件等，取ns≥2.5，破坏系数不小于3。

2.5 卡具的主要技术参数

根据2.2.4节规定的安全系数和破坏系数，各类卡具和紧线器的动态试验荷重、静态试验荷重以及破坏荷重列于表4。

表4 绝缘子卡具的技术参数Tab.4 Technical parameters of insulator clips

2.6 试验要求

（1）机械试验按卡具实际受力状态布置，分别进行动、静状态下的整体抗拉及破坏性试验，试验应在合格的拉力试验机上进行。

（2）试验时，除卡具外其他零件变形或损坏，应更换新零件继续进行试验。

（3）动态负荷试验：卡具按实际工作状态布置，在表4所列的动态试验荷重作用下，进行3次试验操作，各零件无变形、损伤以及操作应灵活可靠、无卡阻者为合格。

（4）静态负荷试验：卡具按实际工作状态布置，按额定负荷的1倍、1.25倍、2.5倍对每件试样进行试验，在表4所列的静态试验荷重作用下持续5 min，各零件无永久变形及损伤者为合格。

（5）破坏试验：试件（卡具）在拉力试验荷重达到表4的静态试验荷重值后，继续缓慢加载（9.8 MPa/s力增加值），直至试件任何一处破坏为止。破坏荷重值不应小于表4规定的破坏荷重。

3 绝缘子卡具主要结构尺寸和材料

3.1 主要结构尺寸

3.1.1 闭式卡具长度尺寸

闭式卡具长度尺寸是根据绝缘子的最大瓷裙盘径来确定的，双牵引卡具的长度计算公式为：卡具长度=绝缘子最大瓷裙盘径＋丝杆组件最大外径＋2倍间隙。

NGK550（XWP420）闭式卡具，绝缘子连接高度为240（205）mm，瓷裙最大盘径为380 mm，丝杆组件中液压缸阀体最大外径为120 mm，单边间隙为20 mm，则卡具长度为540 mm。

XWP300闭式卡具，绝缘子连接高度为195 mm，瓷裙最大盘径为330 mm，丝杆组件中最大外径为110 mm，单边间隙考虑20 mm，则卡具长度为480 mm。

3.1.2 直线卡具长度尺寸

直线卡具长度尺寸是根据1000kV横担尺寸来确定的：

（1）直线单串（双串）卡具长度由横担尺寸组合确定，卡具长度为600（554）mm。

（2）“V”型串卡具的长度根据XWP300闭式卡具组合确定，卡具长度为480 mm。

3.2 丝杆主要零件材料

直线卡具丝杆的结构和耐张卡具丝杆基本一样，对于大吨位采用“机械丝杆＋手摇液压缸组合”，因此，原材料的选用和耐张卡具丝杆一样。为了高空作业操作方便，将手摇泵与缸体分离，手摇泵与缸体之间用软质高压油管相连接，手摇泵放于横担上，同时也减少了卡具的单件重量。对于小吨位绝缘子采用50 kN直线丝杆或50 kN省力丝杆。

4 特高压绝缘子卡具关键技术

对更换绝缘子工具的基本设计要求是：通过对工具结构的优化及工具材料的优选，使工具的结构合理，整体强度高，质量轻，工作可靠。围绕基本要求，主要解决以下几个关键问题。

4.1 卡具材料的优选

卡具型式及工作负荷确定后，进一步需要确定卡具主体的材质。可供选择的卡具主体材质及机械性能详见表5。

表5 卡具主体材料机械性能比较Tab.5 Comparison of mechanical properties of insulator clip materials

从表5中可见：40Cr、LC4、TC4三种材料的机械强度都较高。如选用铝合金LC4材料，虽然材料比重较小，但是力学性能较钢材40Cr及钛合金TC4小的多，差了1倍左右，做成的卡具外形尺寸较大，整体重量反而较大，使用时需要较大的安装空间。

钢材40Cr与钛合金TC4的材料机械性能比较接近，但是40Cr的比重是TC4的1.78倍，因此40Cr材料不可取。

钛合金TC4的比重是铝合金LC4的1.6倍，但力学强度均为铝合金的2倍多，做成的卡具除长度尺寸外，其他外形尺寸均比铝合金卡具小一半，整体重量比铝合金卡具轻；另外由于外形尺寸小，使用时需要的安装空间小，操作也相对方便。

经过性能及性价比的对比研究，最终确定用钛合金TC4、铝合金LC4、LY12来加工卡具主体，材质选用见表6。

表6 1000kV各型绝缘子卡具选用的材质Tab.6 Materials used for various insulator clips for 1000kV transmission lines

钛合金材料性能的主要特点是比强度高（现代工程金属结构材料中最高的），热强性好（如在300～350℃下，其强度为铝合金强度的3～4倍），耐蚀性好（钛合金表面能生成致密坚固的氧化膜，故耐蚀性能比不锈钢还好），化学活性大，导热性能差、弹性模量小，不宜制作细长杆和薄壁件。钛合金在1000kV卡具上的应用，为我国线路检修作业工具的发展指明了新的发展方向。

4.2 常规传动系统的改进

1000kV相导线采用大导线8分裂，正常情况下，导线机械荷载大，高空作业费力。因此，在大机械荷载下传动系统仍以液压机构为宜，但由于液压机构传动速度较慢，为了减少高空作业人员滞空时间，应对常规传动系统进行改进，常规液压传动系统见图4。改进的办法是在液压系统前又加上了机械传动丝杆（见图5），用于空行程的收放及小负荷的预紧，可以保证液压系统失效后依然能使工作顺利完成。

采用“液压＋机械传动”的双传动系统丝杆装置，最大的特点是工作的可靠性提高了，一个系统的失效不影响另一个系统的正常工作，具有互为保护作用；还有一个特点，是系统中梯形螺纹丝杆和液压缸分体设计，使用时组装成一体，不用时可分开存放，且便于损耗件的更换与维护。

另外，液压缸密封技术首次应用航空新技术，采用“间隙密封+密封圈密封”，解决油渗漏问题，既保持了液压传动省力的特点，又避免了密封圈的老化问题。

4.3 液压系统优化设计

由于卡具的工作负荷比较大，要把液压系统做得体积小、质量又要轻是有相当难度的，需要解决许多技术的问题。在研制过程中，主要解决了以下几个关键问题。

（1）柱塞泵的小型化。工作缸的进口压力确定以后，柱塞泵体积对减轻工具整体重量影响很大。通过2次设计改进，将外油路改进为内油路，把柱塞泵作为1个支座，柱塞泵与缸体、储油罐直接相连，省去了其间的连接装置。这样，不仅有效地利用支座的空间，而且有效地缩小了柱塞泵的体积，减轻了工具的质量。

（2）液压系统整体优化。柱塞泵的小型化问题解决后，对整套液压系统利用三维模型技术进行了整体优化，根据强度要求，将多余敷料去除，从而大大地减轻了动力油源系统的质量。

4.4 钛合金材料加工工艺

钛合金材料是首次应用到绝缘子卡具的研制，没有成熟的加工工艺和经验。因此，应根据钛合金的切削加工特点，制定新的工艺。

研究结果表明，钛合金的硬度大于300 HBS或350 HBS都难进行切削加工，但困难的原因并不在于材料硬度方面，而在于钛合金本身的力学、化学、物理性能间的综合，表现有下列切削加工特点。

（1）变形系数小。变形系数小（甚至小于1）是钛合金切削加工的显著特点。原因有3点：第一是钛合金的塑性小（尤其在切削加工中），切屑收缩也小；第二是导热系数小；第三是在高温下，钛屑吸收了周围介质中的氧、氢、氮等气体而脆化，丧失塑性，切屑不再收缩，使得变形减小。

（2）切削力。在三向切削分力中，主切削力比45号钢小，背向力则比切削45号钢大20%左右。

（3）切削温度高。切削钛合金时，切削温度比相同条件下切削其他材料高1倍以上，且温度最高处在切削刀具附近狭小区域内。原因在于钛合金的导热系数小，刀与钛屑接触长度短（仅为45号钢的50%～60%）。

（4）切屑形态。钛合金的切屑呈典型的锯齿挤裂状，原因是钛的化学活性大，在高温下易与大气中的氧、氮、氢等发生剧烈化学反应，生成TiO2、TiN、TiH等硬脆层。在生成挤裂切屑的过程中，在剪切区易产生塑性变形，切削刃处的应力集中使得切削力变大。然而，龟裂进入塑性变形部分，易引起剪切变形，应力释放又使切削力变小。挤裂屑的生成过程会重复引起切削力的动态变化，伴随一次剪切变形就会出现一次切削力变化。

（5）刀具的磨损特性。切削钛合金时，由于切削热量多、切削温度高且集中切削附近，故切削刃的破损发展很快。

（6）粘刀现象严重。由于钛的化学亲和性大，加之切屑的高温高压作用，切削时易产生严重的粘刀现象，从而造成刀具的粘结磨损。

由于上述原因，在加工钛合金卡具时，最终选择用线切割方法进行加工，如图6所示。用线切割的方法进行加工，形成的零件表面比较光整，加工过的表面金相组织没有变化，其力学性能得到了充分的保证。同时，加工了专用成型刀具，用这样的刀具车制的卡具型腔与悬式绝缘子钢帽配合非常准确，以在大载荷情况下保证卡具的强度。

另外，单件加工需要大量的二类、三类专用工装，这类工装是保证卡具精度不可缺的，也进行了相应的改进。

5 工具强度计算

以更换耐张单片绝缘子闭式卡具为例，更换耐张单片绝缘子的前、后卡具均卡在绝缘子的钢帽上，通过收紧丝杆将绝缘子串的张力转移到卡具及丝杆上，使被更换的绝缘子松弛，达到更换的目的。整个卡具使用时的情况如图7所示。

由图7可知，前、后卡受的外力完全一样，且前、后卡设计的外形尺寸也完全一样。

但是，前卡具是通过卡具前沿的“爪”与钢帽凸缘接触传递力，接触面有限，受力较复杂，既有弯矩，又有剪切力和挤压力；而后卡是通过卡具内腔壁与整个钢帽外壁接触传递力，接触面大，基本上是弯矩。从过去的经验来看，卡具变形和破坏的部位都是在两翼的端部，说明该处是受弯矩最大的部位，主导力是弯矩的作用力，剪力和挤压是次要的。因此，无论前卡或后卡具，从整体受力来看，均可简化为一简支梁计算，如图8所示。A、B为2支点，所受力为P/2，最大弯矩在AB段。危险截面的强度条件为σmax=Mmax/W≤[σ]，各种型式卡具和紧线器强度详细计算见设计计算书。