特高压输电线路通用卡具的设计与分析

韩志军 于智博 韩东峰 常彦 张斌

摘要：目前使用的更换绝缘子工具和仪器在更换输电线路上的绝缘子串时，不能及时更换输电线路侧第一个损坏得绝缘子，在效率和通用性方面存在很大的不足。为了使特高压线路更稳定、更安全地运行，本文开发了一种新型通用卡具，可及时更换损坏的绝缘子，提高了特高压线路的运维效率。通过有限元法对新型卡具的力学性能进行分析，通过实验结果验证了新型卡具结构设计的可行性。

关键词：高压输电线路，绝缘子串，通用卡具，有限元分析

1.引言

越来越多的特高压交直流输电线路投入运行[1]，特高压骨干网已逐步形成。目前，550kN绝缘子主要用于特高压线路的耐张塔。由于受电场的影响，输电线路侧绝缘体上的电压大于其他部位[2]的绝缘体，容易发生断裂。目前，更换绝缘子工具和仪器在效率和通用性方面存在很大的不足。

实际工程中使用的绝缘子和金具的规格有很多。卡具需要根据管件类型进行非标设计制造，应用条件苛刻且专业。对于不同的配件，需要相应的卡具来满足实际需要，这样会造成工具的积压和浪费。仓储卡具规格的增加，无形中造成了库存管理的专业性和相关负责人的专业性，对操作人员的专业性提出了更高的要求[3]-[4]。为减轻仓库管理及相关负责人和操作人员的工作强度，有效降低管理成本，工具的通用化、易操作、轻量化、智能化已成为工具发展的方向。许多研究人员对绝缘子串更换线夹进行了相关研究。例如，文献[5]研究了500kV输电线路更换绝缘子卡具，文献[6]研究开发了L形绝缘子更换卡具。但上述研究并未考虑夹具的通用性，应用范围存在局限。

基于以上分析，本文研制了一種新型通用卡具，可及时更换损坏的绝缘子，提高了特高压线路的运维效率。并通过有限元法对新型夹具的力学性能进行分析，通过实验结果验证了新型卡具结构设计的可行性。

2.通用卡具结构设计

1）材料参数

比强度是材料的抗拉强度与表观密度的比值，也称为强度重量比。比强度是材料轻量化的重要指标。优质的材料必须具有较高的比强度，即强度高、重量轻。通过比较不同材料的比强度，选择性能更高的材料进行通用卡具的设计和制造。表1所示为不同材料的比强度。从表1中可以看出，满足高强度轻量化要求的高强度铝合金和高强度钛合金比其他材料具有更高的比强度，便于现场施工和高空施工要求。此外，高强度钛合金的刚度比明显优于其他材料。因此，本文选用高强度钛合金制作万能夹具。

2）结构设计与受力分析

本文以1000kV特高压输电线路单片瓷绝缘子更换钛合金卡具为例进行

分析。通用卡具尺寸及结构示意图如图1所示，其中a为通用卡具前夹，b为丝杆，c为通用卡具后夹。通用卡具代替原绝缘子承受拉力。受力示意图如图1所示。

通用卡具工作时，需要拧紧丝杆，卡箍与刚性帽的接触部分可视为固定约束，左右端耳板可视为加载端。在分析通用卡具的力学性能时，前后夹具可以等效为一个简单的梁，受3点力平衡，可以认为前后卡具上的力相同。根据通用卡具的受载特性和边界条件可知，该结构主要承受弯矩和剪切力，整体结构可简化为如图2所示。

根据图2，可以计算出前后卡具的相关参数。假设前后卡具受力相同，等效示意图如图2所示。由于横截面结构的不同，前后夹钳的相关参数将分别进行测量和计算。

3.通用卡具机械特性分析

本文采用AitairHyperWorks软件用作有限元分析工具。为减少计算规模，尽可能真实地反映通用卡具的主要力学性能，需要对通用的三维模型进行简化，如对零件表面进行平滑处理等。图5所示为有限元分析的流程图。

施加载荷和边界条件后进行数值计算和分析。采用SolidWorks3D建模软件用于对通用卡具进行建模。根据通用卡具图纸和受力边界条件，建立卡具结构的三维有限元模型和几何模型。红色部分代表约束，绿色部分代表施加载荷。有限元模型的单元总数和节点总数分别为272875和56778。图6所示为通用卡具的三维模型。图7-图9所示为施加载荷和边界条件后的通用卡具的有限元模型，以及整个模块的应力云图和位移云图。从上图可以看出，装置受力时的最大应力为618.3Mpa，出现在A-A截面上。材料屈服强度为824Mpa，满足强度要求。此外，其他构件的拉应力和剪应力均小于相应的许用应力，强度符合要求。万能夹最大位移为1.82mm，满足设计要求。

4.通用卡具机械实验验证

1）通用卡具制作工艺分析

根据钛合金材料的特点，本文制定了通用卡具制造工艺。钛合金硬度大于300HBS～350HBS时，切削困难。造成加工困难的原因不仅在于材料硬度，而是钛合金的机械、化学和物理性能的综合。变形系数小是钛合金切削的最大优点。这是因为钛合金的塑性小，切削收缩也小。但在切削过程中，切削部件的主切削力比45钢小，背力比45钢大20%。切削钛合金时，切削温度比同等条件下切削其他材料高1倍以上。并且最高温度在刀具附近的小区域内。原因是钛合金的导热系数小，切屑接触长度短（仅为45钢的50%～60%）。切削钛合金时，由于切削热量大，切削温度高，附近切削集中，月牙形凹坑会迅速发展为切削刃损伤。由于钛的化学亲和力高，再加上切屑的高温高压作用，切削时容易发生严重的粘着现象，导致刀具的结合磨损。图10所示为本文设计的通用卡具实物图。

4.通用卡具机械实验验证

2）通用卡具机械实验

在大型拉力机上进行通用卡具的力学实验。图11所示为实验装置图。通用卡具和绝缘子串组装安装在拉力机上。设备的张力根据输送线实际张力增加2.5倍以上，然后启动拉力机。

当施力增加到输电线路实际张力的2.5倍时，通用卡具没有出现损坏，最大变形为4.25mm。拉力机卸载后，通用卡具无变形，无损坏迹象，符合设计要求。图11所示为通用卡具安装示意图。

总结

为了使特高压线路运行更稳定、更安全，本文研制了一种新型通用卡具，可以及时更换损坏绝缘子，提高了特高压线路的运维效率。对于不同类型的连板，可以更高效地完成输电线路侧第一个损坏绝缘子的更换。通过有限元法对新型卡具的力学性能进行分析，通过实验结果验证了新型卡具结构设计的可行性。

致谢

本项目由国网山西省电力公司科技项目资助，项目编号52051018001A。

参考文献：

[1]付颖，徐光辉，李春迎，杨国华，王宇.特高压直流阀厅金具选型与结构优化[J].高压电器，2018，54（05）：190-196.

[2]陆文叁，刘宝龙，吴正树，李昌甫.带电更换±800kV直流线路L型绝缘子串专用工具的研制[J].广西电力，2017，40（05）：59-61.DOI：10.16427/j.cnki.issn1671-8380.2017.05.014.

[3]普子恒，徐晨，赵伟，方春华，吴田.带电更换1000kV耐张绝缘子时的工器具和人体电场分布研究[J].高压电器，2021，57（05）：84-92.DOI：10.13296/j.1001-1609.hva.2021.05.012.

[4]李俊峰，刘红伟，姜国庆，陶留海，王常飞.1000kV特高压输电线路检修专用绝缘子卡具的研制[J].电力建设，2010，31（07）：33-40.

[5]赖旭辉，带电更换耐张绝缘子“通用”卡具作业项目研究.福建省，国网福建省电力有限公司泉州供电公司，2014-01-20.

[6]潘荣超，徐元超，韩正新，李冰冰，刘太东.500kV输电线路Ⅰ型悬垂绝缘子串通用卡具研究[J].山东电力技术，2020，47（01）：48-51.