新型轻量化500 kV地线挂接辅助装置研究

娄方桥 潘 科 张 英

(贵州电网有限责任公司培训与评价中心，贵州 贵阳 551417)

0 引言

架设地线是变电站检修前的必要安全措施，为作业人员提供安全保障。500 kV变电站地线长度普遍在12 m以上，截面面积通常不小于35 mm2，导线自重大，人工举升时，重心远离操作人员，举升阻力较大，挂接杆稍有晃动，即引起阻力臂急剧增大失稳，而引起挂接杆倾倒，导致人工挂接地线难以完成或因误触其他电气设备造成事故。

目前，500 kV变电站接地线停电挂接主要采用斗臂车、升降检修平台等设备，将工作人员送至预定高度进行操作。由于变电站场地限制，采用斗臂车等进行作业时，存在误撞高压线路风险。此外，虽检修线路处于停电状态，但开路线路等效较大预充电电容，存在放电可能，操作人员高空坠落及遭受感应电击风险较大，挂接设备成本高，需多人协作，作业时间1 h左右，效率低。

为提高挂接地线效率、降低劳动强度、安全风险和节约成本，现设计新的接地线挂设装置并对挂接方法进行改进。

1 传统方法存在的问题及改进要点

人工操作时，在竖起操作杆的同时要控制操作杆移动以及定位悬挂，对手臂力量要求高，稍有不慎即造成倾倒而失败，原因是作业方式超出正常成人体力要求，有必要改进，减小力量要求，减轻劳动强度。

利用斗臂车、升降检修平台挂地线，成本高、有误触电气设备风险，迫切需要一种低成本、轻便灵活、快速安全实现挂地线的辅助装置。

针对问题，研发一种新型500 kV变电站接地线高空挂接辅助装置，用于配合人工挂接操作杆进行接地线装设，实现安全高效挂接。

2 新型辅助挂接装置方案

2.1 总体设计方案

传统升降装置采用电动、气动结构，结构较复杂，重量大。金属材质存在绝缘安全隐患。本设计采用绝缘绳驱动结构，提高安全性的同时，大幅度简化导向机构，减轻重量，达到轻量化目的。驱动装置采用自锁式手摇操纵机构，减少动力装置复杂性，增加可靠性，减少故障点。

辅助升降装置采用多级嵌套升降杆结构，下降时能逐级套入底部升降杆，收纳后高度满足GB/T 18037—2008要求，能双人携带。工作时，多级升降杆向上举升挂接钩能达11.2 m的高度，作业人员能轻松完成挂接杆举升，只需专注控制挂接杆完成挂接操作。可拆卸式保护绳设计，可避免挂接失败和安全事故。为提高抗倾覆性，支撑部分采用折叠可伸缩式三支撑脚结构，增强稳定性，缩减收纳时体积。设置水平仪对垂直度进行控制，确保安全。装置总体设计如图1所示。

2.2 支腿及调平装置设计

支腿是装置支撑结构，牢固程度影响支架稳定性。考虑便携性，底座在满足强度基础上尽可能减少不必要重量。

为保障安全，装置要在各工况下有足够抗倾覆能力。抗倾覆能力取决于倾覆力矩与装置抗倾覆力矩相对大小。支腿横向距离增大，支撑点远离载荷作用点时，抗倾覆力矩增加，但过大的抗倾覆力矩会导致支腿长度和重量增加，不利于轻型化，因而要适当根据总载荷的大小确定合适长度。引起装置倾覆的外载荷包括风荷与挂接杆对保护绳产生的拉力。

根据下式计算风荷W：

W=ρ0×v02/2。

其中，ρ0为空气密度，取ρ0=1.3 kg/m3；v0为风速。

变电站检修气候条件一般较好，所允许最大风速为7.9 m/s，则风荷为：

W=1.3×7.92/2=0.041 kN/m2。

升降杆各段在最高风速下所受风荷所产生的对于支座中心倾覆力矩为187 N·m。

载有12 kg工作载荷的升降装置抗倾覆力矩与支腿长度成正比，当支腿长度为2.2 m时，装置抗倾覆力矩为583 N·m，远大于倾覆力矩，装置具有良好抗倾覆性。当地线挂接杆被取下，会由于牵引绳的作用对装置产生倾覆力矩，根据装置结构尺寸，计算得保护绳与竖直方向夹角处于最大值12°时，载荷产生的最大倾覆力矩为299 N·m，最大风荷与保护绳最大倾覆力矩叠加后，总倾覆力矩为486 N·m，小于装置抗倾覆力矩583 N·m，具有足够抗倾覆安全性。

以上计算均在升降杆理想竖直状态下进行，当挂接杆在竖直方向上偏离1°和2°时，升降杆顶端11 m处的偏离距离分别为19 cm和38 cm，使装置倾覆性能变差，严格限制升降杆的竖直度，偏差不应超过0.5°。设置了高精度水平仪，用于调整升降杆最下一节竖直度，避免过度偏斜导致抗倾覆力下降。为提高装置稳定性，增加支架横梁强度，设置踩踏点，必要时以人力踩踏方式增加配重，提升装置抗倾覆安全性。

考虑支腿过长引起布置不便，不便于装置收纳，将支腿设置为伸缩式可折叠结构，三条支腿由两节铝矩管套接而成。工作时，首先展开折叠结构，将斜撑固定于升降杆中部支架，拉出伸缩支腿，调节支脚，使水平仪处于水平位置。支腿结构如图2所示。

2.3 升降杆与导向结构

装置绝缘性是关注重点，按相关要求，接地杆头部对地绝缘电阻不小于5 000 MΩ。升降杆不能采用安全性好、强度高金属材料制作，只能选择电工绝缘材料。圆形截升降杆在举升过程中的转动会引起地线挂接杆位置无法控制，因而升降杆截面采用方管结构，方管的一部分内侧面和外侧面兼做导向结构，简化导向。同时方管结构抗弯性能均衡，抗弯能力优于实心截面材料，可减轻重量，为升降杆套接提供便利。

满足设计需求的升降杆型材需要采用模具制作，开发成本高、周期长，无法满足应用需要。采用现有型材，尺寸无法匹配设计要求，会造成部分材料截面增加和补偿尺寸不足而造成结构复杂化。以第一节和第二节伸缩杆为例，40×3方矩管型材套入60×3的方矩管型材中，40型材外侧和相接触的60型材内侧作为互相接触的导向面，40型材其他各侧面与60型材内表面均有一定间隙，在伸缩时无法稳定导向。60型材首端导向零件与40型材尾部导向结构均采用高强度铝合金制作，如图3，图4所示。

类似的，逐级按照玻纤增强环氧方管型材的实际尺寸设计制作各级导向结构，实现顺利导向。

2.4 驱动与回位装置设计

为实现升降杆伸缩运行，需要布置驱动结构。在第一节40型材尾端导向件上固定驱动绳的一端，然后将驱动绳从60型材内壁与40型材外壁的间隙向上穿出，绕过60型材顶端的滑轮后，向下穿入60型材与80型材的间隙中，再绕过60型材底部的滑轮后转向上行，沿60型材与80型材的间隙上行至80型材首端的滑轮。驱动绳依次绕过各转向滑轮，到达固定于最下部玻纤环氧方管外侧手摇升降器中，在升降器中缠绕一周后下行到达升降装置底部，绕过底部滑轮后，从40型材底部穿入并与固定于型材内部的回位拉绳联接，构成驱动、定位与回位结构。当手摇停止时，驱动器由于自锁而停止转动，此时升降杆在驱动拉绳拉力下保持高度。反向转动手摇驱动器，驱动绳反向运行，升降杆在回位拉绳作用下缩回，直至各节伸缩杆到达限位位置，如图5，图6所示。

驱动绳、滑轮与手摇驱动器的总重约为1.2 kg，远小于常用气动、液压和机械机构，实现轻量化，降低零件配合要求，便于制造和维护。

2.5 挂接安全绳保护结构

由于操作不当等原因，容易导致挂接失败。在无安全保护绳的情况下，挂接杆挂接失败容易产生误触其他电气设备的事故，再次操作，降低了挂接工作效率。在无保护绳结构时，当挂接杆脱离设备上接地杆支座后，需人工举升接地杆，接地杆及地线重量载荷全部由作业人员负担，劳动强度很高。为此设置了保护绳结构，保护绳采用蚕丝绝缘绳制作，一端与地线挂接杆首节下部固定，绕过顶部导向结构后，向下拉出联接于支架上，并略收紧。即使出现挂接失败，挂接杆也不会倾倒，可以迅速进行二次挂接，有效减少接地线挂接操作时间，提高效率。 保护绳及保护杆如图7所示。

2.6 行走结构

根据GB 12330—1990规定，男性搬运物体重量不超过15 kg，本装置总体重量超过40 kg，超过两人搬运的重量极限，为方便运输设计运输轮行走结构，行走轮支座位于升降杆最下端。

2.7 其他结构

通过以上设计，完成500 kV接地线挂接辅助装置，实现举升、辅助挂接、回位收纳以及搬运等功能。为进一步提高装置性能，对如下细节进行改进。首先，升降过程中，玻纤环氧树脂中的硬质玻璃纤维对铝合金导向件有强烈的磨损作用，为延长耐磨寿命，采用轴承钢对耐磨面进行局部增强。铝合金支腿的伸缩导向润滑则直接采用具有良好机械和润滑性能的尼龙材料制作。采用带滚珠轴承的滑轮以减小装置运行阻力，滑轮槽则采用硬度低且能自润滑的尼龙制作，以延长驱动绳磨损使用寿命。

3 结语

本文对500 kV变电站装设接地线困难的问题进行了分析，并专门设计了辅助接地线挂接装置。新型地线挂接辅助装置具有轻便、高效、省力的特点，其使用能有效地降低500 kV变电站地线挂接难度，缩短装设时间，提高工作效率。且装置收纳方便、成本较低，有利于其广泛配置，便于变电站运行维护工作的开展，能有效减少运行维护时间，提高电网经济效益，为企业赢得良好社会声誉。