更换架空线路耐张绝缘子托瓶架固定装置的研制

温惠婷，张建峰

（广东电网有限责任公司梅州供电局，广东 梅州 514000）

在电网架空输电线路中，一般使用直线杆塔与耐张杆塔，为满足架空输电线路的荷载需求，其中耐张杆塔会使用玻璃或瓷质绝缘子串，极易受外力等因素的影响发生玻璃绝缘体破碎等状况，从而导致绝缘性能消失，如果不及时更换会造成架空输电线路出现电力安全事故。由于更换耐张绝缘子的过程中，必须先收紧绝缘子串后再放松，放松和收紧绝缘子串时必然对固定托瓶架的绳子产生拉扯，导致绳子被拉长变形或绳结松脱，无法固定托瓶架，托瓶架因自重与绝缘子串之间形成较大空隙，且单片绝缘子的自身重量也非常大，整串绝缘子因与托瓶架之间的空隙和自重，成反弓形下坠，单片绝缘子之间互相卡死，无法把破损得绝缘子取出来，亦无法把正常的完好绝缘子安装到原绝缘子串中，最终导致更换检修无法开展。为解决此问题，本文针对托瓶架固定装置进行深入研究，意在通过此装置来提升架空线路耐张绝缘子的检修作业效率。

1 计算架空线路耐张绝缘子受力

一般情况下，须在无风且温度高于15 ℃的天气下进行架空线路耐张绝缘子[1]检修作业，此时耐张绝缘子串的受力主要有导线张力与自身重力，如图1所示。

图1 架空线路耐张绝缘子串受力简图

图1 中，F1是架空线路导线的张力；F2是架空线路耐张绝缘子串受横担的拉力；Fx1、Fy1分别是架空线路导线张力在水平方向与垂直方向上的分力；Fx2、Fy2分别为架空线路耐张绝缘子串所受横担拉力在水平方向与垂直方向上的分力；G为耐张绝缘子串自身重力；a为架空线路导线在水平方向上的角度。根据耐张绝缘子串受力平衡可以得到，架空线路上任意位置的轴向应力在水平方向上的分量，与导线弧垂最低点位置的轴向应力之间存在平衡，也就是说，在电网的架空线路中，导线所有位置的轴向应力在水平方向上的分量均相同，但是，沿着导线弧垂最低点直到两边挂点位置，轴向应力呈增长状态，其中线路悬挂点处的轴向应力达到最大值，其计算公式（1）所示：

式中：Z为架空线路上导线悬挂点位置的轴向应力参数；Zx为导线轴向应力在水平方向上的分量；h为导线悬挂点的高度差参数；δ为架空线路导线的自重比载参数；d为架空线路耐张杆塔到第一个基直线杆塔之间的孤立档距离参数；Dh-0为导线高悬点处的线路长度参数。根据式（1）获得架空线路耐张绝缘子串所受导线总张力为：

式中：S为架空线路导线截面的面积参数。由此，进一步得到架空线路耐张绝缘子的受力计算公式如下所示：

式中：N为架空线路耐张绝缘子片的总数量；Gn为架空线路耐张绝缘子串中的第n个绝缘子片的自身重力参数。本文利用式（3）获取架空线路耐张绝缘子串的受力[2]，并将其作为确定托瓶架固定装置荷载强度的理论依据。

2 计算更换耐张绝缘子过牵引力

在利用托瓶架更换架空线路耐张绝缘子串[3]时，首先须要将导线收紧，让耐张绝缘子串处于松弛状态，那么此时就会产生过牵引力，为了确保托瓶架固定装置的抗压、抗弯强度符合耐张绝缘子串更换作业需求，必须精准计算过牵引力。在收紧架空线路导线时，如果导线的过牵引长度过大，会造成架空线路导线的断裂，威胁检修作业安全，所以首先要获得导线允许的最大过牵引长度[4]：

式中：l1、l2分别为孤立档导线与连续档导线所允许的最大过牵引长度参数；Z为架空线路导线的原有轴向应力参数；Z为架空线路导线的轴向许用应力参数；T为架空线路导线的弹性模量参数；d0为架空线路耐张杆塔上各个档之间的距离参数。在实际的架空线路耐张绝缘子检修作业中，必须保证收紧导线的过牵引力不能大于式（4）获得的数据。然后根据导线的过牵引长度获取更换耐张绝缘子过牵引力，本文为计算简便，排除架空线路横担挠度、悬挂点高度差等非关键因素的影响，用下述公式来计算：

式中：Q为架空线路耐张绝缘子更换时所受过牵引力参数；l为实际作业中采取的导线过牵引长度参数。本文利用式（5）获取更换架空线路耐张绝缘子时的过牵引力，并将其作为确定托瓶架固定装置抗压、抗弯强度的理论依据。

3 托瓶架固定装置制作材料选择

本文主要根据受力分析和材料的机械性能进行装置材料的选择。根据相关资料以及工作经验，确定装置的选材范围[5]如表1所示。

表1 装置选材范围

由表1 可知，合金钢的抗拉强度与屈服强度最高，但重量也较大，铝合金的抗拉强度与屈服强度虽较低，但其重量较小，钛合金则在强度与重量方面表现出整体的优越性，所以本文结合各材料的特性，以及实际架空线路耐张绝缘子更换作业情况，综合考虑固定装置上各个组件的功能需求来选择制作材料。关于托瓶架固定装置的支撑组件，可以选用钛合金作为主材，强度较高，可以保证装置的使用安全，重量较低，便于高空携带作业；关于托瓶架固定装置的滑动组件，可以选用铝合金作为主材，无需较高强度，仅需要摩擦力小，操作省力即可；关于托瓶架固定装置的紧固组件，可以选用合金钢作为主材，紧固组件尺寸较小，大比重的合金钢也不会给固定装置增加压力，仅需强度较高，满足现场安全使用要求即可。确定托瓶架固定装置制作材料之后，本文参考DLT 875—2004《输电线路施工机具设计、试验基本要求》中相关规定，选用安全系数为2.5进行托瓶架固定装置的研制。

4 新型托瓶架固定装置设计

本文主要研制一种托瓶架结合支撑架的固定装置，在固定装置的支撑架上设置可调节组件，从而实现托瓶架的自由移动。此固定装置的立体结构示意图如图2所示。

图2 新型可调节托瓶架固定装置立体结构示意图

如图2 所示，此装置主要包括：基础支撑架、滑动组件、工具支架、锁紧组件。其中滑动组件以套接的形式安装在支撑架的两根主梁上，可以进行自由移动，滑动组件结构一般可以设计为“H”、“∏”、“∩”、“—”、“⌒”这5 种形式，其中由于“H”结构更加稳定，与支撑架的接触面面积更大，所以本文将滑动组件设计为“H”结构，这对高空作业是一个很好的保障，与此同时，在利用本文研制托瓶架固定装置进行绝缘子更换作业时，可以根据实际的绝缘子串尺寸，随时调节滑动组件位置，再通过锁紧组件进行固定，整个操作过程简单且方便，从而提升绝缘子更换作业的效率。在本文研制的托瓶架固定装置中，在两侧滑动组件与基础支撑架衔接处，分别设置一个工具支架，用于安装锁紧组件，锁紧组件主要由2 块可活动夹板构成，可以根据实际检修作业需求实现多种尺寸耐张绝缘子片的锁紧固定，关于组件的锁紧形式一般包含螺栓固定和卡扣固定，虽然卡扣固定操作方便，但极易发生脱落，这为高空更换绝缘子作业的安全性带来严重隐患，所以本文将组件锁紧方式设计为螺栓固定。与现有托瓶架相比，本文研制的新型托瓶架固定装置结构更加巧妙，安全性能更可靠，利用自由调节的方式，使操作更方便，提高架空线路耐张绝缘子更换作业效率。

5 实际应用

为了校验本文研制的新型托瓶架固定装置的效果，选取某220 kV 电解Ⅱ线4#耐张塔，使用“托瓶架法”进行耐张绝缘子更换实验。实验展开之前，本文提出2 种更换方案：（1）传统绳子绑扎固定托瓶架；（2）本文研制新型托瓶架固定装置，实验流程如图3所示。

图3 架空线路耐张绝缘子更换流程图

耐张绝缘子更换作业过程中，针对前面所提的2 种方案，本文分别统计作业流程中各个环节的耗时情况并进行对比，对比结果如表2所示。

表2 架空线路耐张绝缘子更换耗时对比

通过表2 中实验数据可知，使用传统托瓶架更换耐张绝缘子时，必须先收紧绝缘子串后再放松，导致绳子被拉长变形或绳结松脱，无法固定托瓶架，整串绝缘子因与托瓶架之间的空隙以及自身重力，成反弓形下坠，绝缘子之间出现卡死现象，导致破损绝缘子的取出以及完好地安装绝缘子极其困难，所以用时较长为90 min；而本文研制的托瓶架固定装置，在收紧和放松绝缘子串时，可使托瓶架来回移动，抵消绝缘子串伸缩时对托瓶架产生的影响，保证托瓶架始终稳稳托住整串绝缘子，解决原来单片绝缘子之间的互卡问题，所以用时较短仅30 min，较传统托瓶架减少了60 min。由此可以说明，新型可调节托瓶架固定装置可以大大降低更换耐张绝缘子的作业时间，提升作业效率，此装置不仅可以节约人力物力，而且可以保障架空线路供电的连续性。由于使用托瓶架更换耐张绝缘子南网系统内普遍存在类似问题，输电专业人员在检修中均面临严重的耗时耗力难题，所以本文研制的新型可调节托瓶架固定装置可推广全网，大大节省人工成本。

6 结束语

当下，我国大部分架空线路耐张绝缘子更换作业中仍使用托瓶架，然而传统托瓶架使用较为原始的绳子绑扎方式进行固定，托瓶架与耐张绝缘子片之间存在互卡问题，导致作业效率较低。因此，本文研制一种新型托瓶架固定装置，此装置可使托瓶架来回移动，抵消绝缘子串伸缩时对托瓶架产生的影响，彻底解决原来单片绝缘子之间的互卡问题，确保耐张绝缘子的更换工作得以顺利进行。不仅可以降低检修人员的劳动强度，而且可以减少检修时间，进而提升公司经济效益。