架空输电线路通用型闭式卡具的研制与应用

姚 磊，潘金虎，段赛飞，赵 蔚，王海涛，杨浩晨

（国网北京市电力公司检修分公司，北京 丰台 100073）

0 引言

架空输电线路例行检修过程中，常使用闭式卡具进行单片绝缘子更换工作。由于绝缘子生产厂家众多，且对于绝缘子的生产制作缺乏统一标准规范，导致不同厂家生产的绝缘子钢帽尺寸参差不齐。每种型号的传统闭式卡具只能更换一种尺寸的绝缘子，不同尺寸绝缘子须配备多种型号的闭式卡具。在现场实际生产作业中，经常出现闭式卡具型号与绝缘子尺寸不匹配的状况，严重影响作业效率，增加了人员作业风险。

1 通用型闭式卡具的研制

1.1 结构的设计

传统的闭式卡具如图1 所示，主要有3 个部分组成，即闭式卡具前卡具、后卡具以及调节丝杠，由于其前、后卡具的内腔尺寸无法调节，因此每种型号的卡具只能更换对应型号的绝缘子，对现场生产作业造成很大困难。一些研究者针对传统的闭式卡具进行了改进，文献[1]在传统闭式卡具的基础上研制了“多用单片卡”，其原理为在前、后卡具内配备多种型号的“芯具”，通过更换不同型号的“芯具”来实现更换对应型号的绝缘子；文献[2]研制了用于特高压带电作业的碳纤维通用闭式卡，如图2 所示，卡具本体为通用结构，不存在前、后卡的区别，内衬套采用钛合金，其结构与钢帽外形匹配设计，根据绝缘子型号修正尺寸，以更换内衬套来实现通用功能；上述2 种改进方式可节省大量的闭式卡具本体，但仍须配备多种型号的“芯具”或内衬套用于不同型号的绝缘子；文献[3]研制了适用于带电作业中的可调式绝缘子闭式卡，如图3所示，采用固定式外壳与可调节螺栓加分片内胆的方式与钢帽进行配合，但使用前先用链条葫芦、提线器转移导线荷载，确保卡具只承受绝缘子串的荷重，且仅可用于更换160、210 kN 的2 种吨位的绝缘子。

图1 传统闭式卡具示意图

图2 碳纤维通用闭式卡结构

图3 更换绝缘子通用的闭式卡

基于以上调研分析，针对通用型闭式卡具提出如下设计思路：在传统闭式卡具的基础上，对前、后卡具内腔进行改进；在前卡具（安装在导线侧）内腔中设计若干凹槽，在凹槽中分别安装不同大小的钩爪，钩爪后侧采用转轴形式，钩爪前侧通过外沿顶丝转动使钩爪卡在钢帽与伞裙接触侧凸起处；在后卡具（安装在横担侧）内腔中设计若干凹槽，在凹槽中分别安装不同大小的压块，将压块与钢帽接触面设计为斜面，以适配各种型号绝缘子钢帽尺寸，压块后侧采用转轴形式，压块前侧通过外沿顶丝转动实现与绝缘子钢帽紧密结合。

根据以上设计思路，为了设计出卡具具体参数，首先对常用绝缘子型号进行建模，如图4 所示。

图4 绝缘子3D 模型

根据图4 模型中钢帽与伞裙接触位置的内凹尺寸、钢帽与伞裙间距离、绝缘子钢帽的弧度、钢帽的截面圆直径变化趋势等，计算出与绝缘子钢帽紧密结合的钩爪与压块的尺寸参数。通过计算钩爪和压块与钢帽的接触面积、受力情况与数量的关系，并结合实际试验数据得出压块和垫块数量各5 块为最佳，最终确定通用型闭式卡具设计图纸如图5 所示。

图5 通用型闭式卡具设计图

1.2 材料的选择

关于闭式卡具制作材料的选用，众多学者进行了研究。在特高压线路中常使用碳纤维材料[2,4-6]，碳纤维复合材料具有密度小、强度高等特性，可用于轻型化设计，但价格较昂贵；而在普通线路中，使用铝合金、钛合金甚至钢材较多[7-8]。在本设计材料选择中对铝合金、钛合金以及钢材3 种材料的性能以及经济性进行了比对，如表1 所示。

由表1 分析可知，3 种材料的机械强度都比较高，钢材40Cr 的抗拉强度最高，为铝合金7A04 的2 倍，但钢材40Cr 得比重约为铝合金7A04 的2.9 倍，约为钛合金TC4 的1.8 倍；钛合金抗拉强度约为铝合金7A04 的1.8 倍，屈服强度为为其2 倍，性能较好，但其比重约为铝合金7A04 的1.6 倍，其价格更是远高于铝合金7A04。综合考虑，选用铝合金7A04 作为制作通用型闭式卡具本体的材料，选用钛合金TC4 作为制作钩爪与压块的材料。

利用铝合金7A04 与钛合金TC4 2 种材料，结合图5，对通用型闭式卡具进行建模，其3D 模型如图6 所示。

图6 通用型闭式卡具3D 模型

1.3 成品测试

根据图5 设计图纸以及图6 所示3D 模型，生产出通用型闭式卡具实物，如图7 所示。

图7 通用型闭式卡具实物

在投入到现场生产作业使用前，委托电力工业电气设备质量检测测试中心对通用型闭式卡具进行检测，依据DL/T 463—2020《带电作业用绝缘子卡具》规程，测试标准要求及结果如表2 所示。经过测试可知，通用型闭式卡具的性能满足现场作业要求，可投入实际生产使用。

表2 通用型闭式卡具质量检测标准要求及结果

1.4 现场作业流程

针对在生产现场使用通用型闭式卡具更单片绝缘子，编制了如下工作流程：

步骤一：地面电工将导线保护套和卡具用循环绳拴牢系至杆塔上。

步骤二：杆塔上电工将导线保护套一端固定在导线端，另一端固定在横担上，做好双重保护。

步骤三：将卡具卡在待更换绝缘子两侧相邻绝缘子的钢帽上，安装时应使绝缘子钢帽大口与卡具垂直，拧紧固定螺栓，装好两侧承力丝杠；拧紧前、后卡具外沿顶丝，检查钩爪是否卡紧钢帽与伞裙连接侧凸起处，检查压块是否压紧钢帽，如图8（a）所示。

图8 使用通用型闭式卡具更换单片绝缘子

步骤四：同时收紧卡具两侧丝杠至丝杠承受导线张力，检查卡具各受力点情况，如有问题立即停止工作，查明原因并采取补救措施。

步骤五：取出待更换绝缘子两侧的弹簧销子，继续收紧承力丝杠至被更换绝缘子便于脱离状态。

步骤六：杆塔上电工摘下待更换绝缘子，并用循环绳拴好与地面电工配合传送到杆塔下，如图8（b）所示。地面电工用循环绳将良好绝缘子拴牢传送到杆塔上。

步骤七：杆塔上电工迅速将良好绝缘子复位，装好弹簧销子，转动绝缘子钢帽大口方向与原绝缘子串一致，如图8（c）所示。松卡具至绝缘子串受力状态。

2 通用型闭式卡具的应用以及成效

通用型闭式卡具实际适用绝缘子种类与型号如表3 所示。

表3 通用型闭式卡具具体参数及适用型号与范围

为试验通用型闭式卡具在实际生产中的使用效果，在北京地区某110 kV 线路更换耐张单片玻璃绝缘子工作现场，随机统计了10 组使用传统的闭式卡具与10 组使用通用型闭式卡具的工作时间，为了排除塔形及高度不同的影响，仅计算检修人员塔上作业时间，如表4 所示。

表4 使用不同卡具塔上工作时间对比min

分析表4 可得，与使用传统型闭式卡具相比，使用通用型闭式卡具可使塔上工作平均时间减少27.3 min，约58%。通用型闭式卡具在现场工作中表现良好，大幅度减少了工作人员塔上作业时间与工作总时间，极大提高了生产效率，同时降低了作业人员塔上作业风险。

3 结束语

与传统的闭式卡具相比，通用型闭式卡具的研制与应用，解决了绝缘子型号种类繁多、传统卡具适用型号单一的问题；同时能够减少工作人员塔上作业时间，降低作业风险，在输电线路专业具有广泛的应用前景。

该通用型闭式卡具总体质量约为20 kg，下一步可考虑使用碳纤维等比重较小、抗拉强度与屈服强度较大的优良材料，减小卡具总体重量，便于在生产作业中使用。