婁方橋 潘 科 張 英
(貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司培訓(xùn)與評(píng)價(jià)中心,貴州 貴陽 551417)
架設(shè)地線是變電站檢修前的必要安全措施,為作業(yè)人員提供安全保障。500 kV變電站地線長度普遍在12 m以上,截面面積通常不小于35 mm2,導(dǎo)線自重大,人工舉升時(shí),重心遠(yuǎn)離操作人員,舉升阻力較大,掛接桿稍有晃動(dòng),即引起阻力臂急劇增大失穩(wěn),而引起掛接桿傾倒,導(dǎo)致人工掛接地線難以完成或因誤觸其他電氣設(shè)備造成事故。
目前,500 kV變電站接地線停電掛接主要采用斗臂車、升降檢修平臺(tái)等設(shè)備,將工作人員送至預(yù)定高度進(jìn)行操作。由于變電站場地限制,采用斗臂車等進(jìn)行作業(yè)時(shí),存在誤撞高壓線路風(fēng)險(xiǎn)。此外,雖檢修線路處于停電狀態(tài),但開路線路等效較大預(yù)充電電容,存在放電可能,操作人員高空墜落及遭受感應(yīng)電擊風(fēng)險(xiǎn)較大,掛接設(shè)備成本高,需多人協(xié)作,作業(yè)時(shí)間1 h左右,效率低。
為提高掛接地線效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、安全風(fēng)險(xiǎn)和節(jié)約成本,現(xiàn)設(shè)計(jì)新的接地線掛設(shè)裝置并對(duì)掛接方法進(jìn)行改進(jìn)。
人工操作時(shí),在豎起操作桿的同時(shí)要控制操作桿移動(dòng)以及定位懸掛,對(duì)手臂力量要求高,稍有不慎即造成傾倒而失敗,原因是作業(yè)方式超出正常成人體力要求,有必要改進(jìn),減小力量要求,減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。
利用斗臂車、升降檢修平臺(tái)掛地線,成本高、有誤觸電氣設(shè)備風(fēng)險(xiǎn),迫切需要一種低成本、輕便靈活、快速安全實(shí)現(xiàn)掛地線的輔助裝置。
針對(duì)問題,研發(fā)一種新型500 kV變電站接地線高空掛接輔助裝置,用于配合人工掛接操作桿進(jìn)行接地線裝設(shè),實(shí)現(xiàn)安全高效掛接。
傳統(tǒng)升降裝置采用電動(dòng)、氣動(dòng)結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,重量大。金屬材質(zhì)存在絕緣安全隱患。本設(shè)計(jì)采用絕緣繩驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),提高安全性的同時(shí),大幅度簡化導(dǎo)向機(jī)構(gòu),減輕重量,達(dá)到輕量化目的。驅(qū)動(dòng)裝置采用自鎖式手搖操縱機(jī)構(gòu),減少動(dòng)力裝置復(fù)雜性,增加可靠性,減少故障點(diǎn)。
輔助升降裝置采用多級(jí)嵌套升降桿結(jié)構(gòu),下降時(shí)能逐級(jí)套入底部升降桿,收納后高度滿足GB/T 18037—2008要求,能雙人攜帶。工作時(shí),多級(jí)升降桿向上舉升掛接鉤能達(dá)11.2 m的高度,作業(yè)人員能輕松完成掛接桿舉升,只需專注控制掛接桿完成掛接操作。可拆卸式保護(hù)繩設(shè)計(jì),可避免掛接失敗和安全事故。為提高抗傾覆性,支撐部分采用折疊可伸縮式三支撐腳結(jié)構(gòu),增強(qiáng)穩(wěn)定性,縮減收納時(shí)體積。設(shè)置水平儀對(duì)垂直度進(jìn)行控制,確保安全。裝置總體設(shè)計(jì)如圖1所示。
支腿是裝置支撐結(jié)構(gòu),牢固程度影響支架穩(wěn)定性??紤]便攜性,底座在滿足強(qiáng)度基礎(chǔ)上盡可能減少不必要重量。
為保障安全,裝置要在各工況下有足夠抗傾覆能力。抗傾覆能力取決于傾覆力矩與裝置抗傾覆力矩相對(duì)大小。支腿橫向距離增大,支撐點(diǎn)遠(yuǎn)離載荷作用點(diǎn)時(shí),抗傾覆力矩增加,但過大的抗傾覆力矩會(huì)導(dǎo)致支腿長度和重量增加,不利于輕型化,因而要適當(dāng)根據(jù)總載荷的大小確定合適長度。引起裝置傾覆的外載荷包括風(fēng)荷與掛接桿對(duì)保護(hù)繩產(chǎn)生的拉力。
根據(jù)下式計(jì)算風(fēng)荷W:
W=ρ0×v02/2。
其中,ρ0為空氣密度,取ρ0=1.3 kg/m3;v0為風(fēng)速。
變電站檢修氣候條件一般較好,所允許最大風(fēng)速為7.9 m/s,則風(fēng)荷為:
W=1.3×7.92/2=0.041 kN/m2。
升降桿各段在最高風(fēng)速下所受風(fēng)荷所產(chǎn)生的對(duì)于支座中心傾覆力矩為187 N·m。
載有12 kg工作載荷的升降裝置抗傾覆力矩與支腿長度成正比,當(dāng)支腿長度為2.2 m時(shí),裝置抗傾覆力矩為583 N·m,遠(yuǎn)大于傾覆力矩,裝置具有良好抗傾覆性。當(dāng)?shù)鼐€掛接桿被取下,會(huì)由于牽引繩的作用對(duì)裝置產(chǎn)生傾覆力矩,根據(jù)裝置結(jié)構(gòu)尺寸,計(jì)算得保護(hù)繩與豎直方向夾角處于最大值12°時(shí),載荷產(chǎn)生的最大傾覆力矩為299 N·m,最大風(fēng)荷與保護(hù)繩最大傾覆力矩疊加后,總傾覆力矩為486 N·m,小于裝置抗傾覆力矩583 N·m,具有足夠抗傾覆安全性。
以上計(jì)算均在升降桿理想豎直狀態(tài)下進(jìn)行,當(dāng)掛接桿在豎直方向上偏離1°和2°時(shí),升降桿頂端11 m處的偏離距離分別為19 cm和38 cm,使裝置傾覆性能變差,嚴(yán)格限制升降桿的豎直度,偏差不應(yīng)超過0.5°。設(shè)置了高精度水平儀,用于調(diào)整升降桿最下一節(jié)豎直度,避免過度偏斜導(dǎo)致抗傾覆力下降。為提高裝置穩(wěn)定性,增加支架橫梁強(qiáng)度,設(shè)置踩踏點(diǎn),必要時(shí)以人力踩踏方式增加配重,提升裝置抗傾覆安全性。
考慮支腿過長引起布置不便,不便于裝置收納,將支腿設(shè)置為伸縮式可折疊結(jié)構(gòu),三條支腿由兩節(jié)鋁矩管套接而成。工作時(shí),首先展開折疊結(jié)構(gòu),將斜撐固定于升降桿中部支架,拉出伸縮支腿,調(diào)節(jié)支腳,使水平儀處于水平位置。支腿結(jié)構(gòu)如圖2所示。
裝置絕緣性是關(guān)注重點(diǎn),按相關(guān)要求,接地桿頭部對(duì)地絕緣電阻不小于5 000 MΩ。升降桿不能采用安全性好、強(qiáng)度高金屬材料制作,只能選擇電工絕緣材料。圓形截升降桿在舉升過程中的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)引起地線掛接桿位置無法控制,因而升降桿截面采用方管結(jié)構(gòu),方管的一部分內(nèi)側(cè)面和外側(cè)面兼做導(dǎo)向結(jié)構(gòu),簡化導(dǎo)向。同時(shí)方管結(jié)構(gòu)抗彎性能均衡,抗彎能力優(yōu)于實(shí)心截面材料,可減輕重量,為升降桿套接提供便利。
滿足設(shè)計(jì)需求的升降桿型材需要采用模具制作,開發(fā)成本高、周期長,無法滿足應(yīng)用需要。采用現(xiàn)有型材,尺寸無法匹配設(shè)計(jì)要求,會(huì)造成部分材料截面增加和補(bǔ)償尺寸不足而造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜化。以第一節(jié)和第二節(jié)伸縮桿為例,40×3方矩管型材套入60×3的方矩管型材中,40型材外側(cè)和相接觸的60型材內(nèi)側(cè)作為互相接觸的導(dǎo)向面,40型材其他各側(cè)面與60型材內(nèi)表面均有一定間隙,在伸縮時(shí)無法穩(wěn)定導(dǎo)向。60型材首端導(dǎo)向零件與40型材尾部導(dǎo)向結(jié)構(gòu)均采用高強(qiáng)度鋁合金制作,如圖3,圖4所示。
類似的,逐級(jí)按照玻纖增強(qiáng)環(huán)氧方管型材的實(shí)際尺寸設(shè)計(jì)制作各級(jí)導(dǎo)向結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)順利導(dǎo)向。
為實(shí)現(xiàn)升降桿伸縮運(yùn)行,需要布置驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。在第一節(jié)40型材尾端導(dǎo)向件上固定驅(qū)動(dòng)繩的一端,然后將驅(qū)動(dòng)繩從60型材內(nèi)壁與40型材外壁的間隙向上穿出,繞過60型材頂端的滑輪后,向下穿入60型材與80型材的間隙中,再繞過60型材底部的滑輪后轉(zhuǎn)向上行,沿60型材與80型材的間隙上行至80型材首端的滑輪。驅(qū)動(dòng)繩依次繞過各轉(zhuǎn)向滑輪,到達(dá)固定于最下部玻纖環(huán)氧方管外側(cè)手搖升降器中,在升降器中纏繞一周后下行到達(dá)升降裝置底部,繞過底部滑輪后,從40型材底部穿入并與固定于型材內(nèi)部的回位拉繩聯(lián)接,構(gòu)成驅(qū)動(dòng)、定位與回位結(jié)構(gòu)。當(dāng)手搖停止時(shí),驅(qū)動(dòng)器由于自鎖而停止轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)升降桿在驅(qū)動(dòng)拉繩拉力下保持高度。反向轉(zhuǎn)動(dòng)手搖驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)繩反向運(yùn)行,升降桿在回位拉繩作用下縮回,直至各節(jié)伸縮桿到達(dá)限位位置,如圖5,圖6所示。
驅(qū)動(dòng)繩、滑輪與手搖驅(qū)動(dòng)器的總重約為1.2 kg,遠(yuǎn)小于常用氣動(dòng)、液壓和機(jī)械機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)輕量化,降低零件配合要求,便于制造和維護(hù)。
由于操作不當(dāng)?shù)仍?,容易?dǎo)致掛接失敗。在無安全保護(hù)繩的情況下,掛接桿掛接失敗容易產(chǎn)生誤觸其他電氣設(shè)備的事故,再次操作,降低了掛接工作效率。在無保護(hù)繩結(jié)構(gòu)時(shí),當(dāng)掛接桿脫離設(shè)備上接地桿支座后,需人工舉升接地桿,接地桿及地線重量載荷全部由作業(yè)人員負(fù)擔(dān),勞動(dòng)強(qiáng)度很高。為此設(shè)置了保護(hù)繩結(jié)構(gòu),保護(hù)繩采用蠶絲絕緣繩制作,一端與地線掛接桿首節(jié)下部固定,繞過頂部導(dǎo)向結(jié)構(gòu)后,向下拉出聯(lián)接于支架上,并略收緊。即使出現(xiàn)掛接失敗,掛接桿也不會(huì)傾倒,可以迅速進(jìn)行二次掛接,有效減少接地線掛接操作時(shí)間,提高效率。 保護(hù)繩及保護(hù)桿如圖7所示。
根據(jù)GB 12330—1990規(guī)定,男性搬運(yùn)物體重量不超過15 kg,本裝置總體重量超過40 kg,超過兩人搬運(yùn)的重量極限,為方便運(yùn)輸設(shè)計(jì)運(yùn)輸輪行走結(jié)構(gòu),行走輪支座位于升降桿最下端。
通過以上設(shè)計(jì),完成500 kV接地線掛接輔助裝置,實(shí)現(xiàn)舉升、輔助掛接、回位收納以及搬運(yùn)等功能。為進(jìn)一步提高裝置性能,對(duì)如下細(xì)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)。首先,升降過程中,玻纖環(huán)氧樹脂中的硬質(zhì)玻璃纖維對(duì)鋁合金導(dǎo)向件有強(qiáng)烈的磨損作用,為延長耐磨壽命,采用軸承鋼對(duì)耐磨面進(jìn)行局部增強(qiáng)。鋁合金支腿的伸縮導(dǎo)向潤滑則直接采用具有良好機(jī)械和潤滑性能的尼龍材料制作。采用帶滾珠軸承的滑輪以減小裝置運(yùn)行阻力,滑輪槽則采用硬度低且能自潤滑的尼龍制作,以延長驅(qū)動(dòng)繩磨損使用壽命。
本文對(duì)500 kV變電站裝設(shè)接地線困難的問題進(jìn)行了分析,并專門設(shè)計(jì)了輔助接地線掛接裝置。新型地線掛接輔助裝置具有輕便、高效、省力的特點(diǎn),其使用能有效地降低500 kV變電站地線掛接難度,縮短裝設(shè)時(shí)間,提高工作效率。且裝置收納方便、成本較低,有利于其廣泛配置,便于變電站運(yùn)行維護(hù)工作的開展,能有效減少運(yùn)行維護(hù)時(shí)間,提高電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益,為企業(yè)贏得良好社會(huì)聲譽(yù)。