10kV架空线路线夹螺栓带电紧固方法研究

国网浙江省电力有限公司安吉县供电公司 孙栋梁 李 亮 俞 斌

引言

因为高压供电传输线路工作环境恶劣，外部环境包括履冰，轻风震动等都会产生导线震动，从而使耐张线夹导流板螺栓联接发生松动，因为接触不良而产生阻力增大，使导流板工作温度迅速上升、接触面单元氧化状况下降，因此会造成出现导流板燃烧问题，产生安全事故，这对供电工作来说是非常不好的[1]。

带电作业是电网常见的检测方式，可以做到在不停用电的状况下进行供电检测，当前耐张线夹螺栓拧紧作业是在人工等电位状态下进行的，很易于受带电作业时间距离原因的直接负面影响，工人很难顺利完成这一操作，无法满足螺栓联接紧固扭矩的有关规定，或者用扳手套筒无法套住螺栓联接。而带电的作业设备则可以解决这个问题，从而提高了耐张线夹导流板螺栓拧紧作业的可靠性。故在本研制中，提出了可以沿高压交流输电线上行走，并以双作业臂携带固定螺栓的紧绷末端工具进行导流板螺栓拧紧及带电作业设备检修的新装备[2]。

在本研发中，主要针对以高压输电用线导流板螺栓连接器为主要研发对象，并提供了可以沿高压输电线保护行使、并由双作业手臂所佩带的一种螺钉拧紧工具，进而完成了拿耐张线夹的导流板螺栓连接紧固带电作业安装，并提供了四臂上移动作业的螺钉连接固定装置，即利用移动机器人双臂上带螺钉末梢的机械手和带螺钉拧紧末梢机械手，探究了带电作业安装机械构造，并解析了带有螺钉连接末梢与作业末端性能关系的动力学模型，并通过实际使用完成了带电作业检测，进而证明了该设计方案的准确性。

1 现状分析

1.1 现场背景

在交流变压器装置内，设备线夹作为交流母线的引出下线与电器(如变压器、断路器、互感器、分离式开关电源、穿墙套管等)的出线端子相连。按照《国网集团输变电建设工艺技术标准库》对引下线和跳引线装置有以下规定：电气设备线夹对引线的握力不低于引线计算拉断能力的百分之十；电气设备线夹的直线电阻不得超过等长度引线的阻力，并允许电气设备载流量温升低于引线升温。

1.2 问题提出

当电气设备的线夹螺钉发生松动情况时，目前一般使用的消缺方式主要有：一是实施断电检修。停电检修的方法不但会影响附近居民的正常生产生活，也导致了电能损失，同时还会给使用者造成麻烦；二是直接调用充能的作业检查车实施充能作业检查，但因为变电所内设施布置紧密且实际工作范围受限，所以使用充能工具并不适用于变电所区域内的引下线和跳线部门之间的线夹检测。同时，在对充能部门之间松动的螺钉实施拧紧的过程中，作业检查员工还须与充能体、连接体之间保持足够的安全可靠工作距离，所以这种利用普通工具直接对松散螺钉实施拧紧的工作方式风险很大[3]。

按照《国网企业能源安全工作规程变电部门》规定，在带电作业中人体和充能体之间的最大安全间距10kV 为0.4m、35kV 为0.6m。故在35kV 及以下电压等级使用时，离充能装置的距离大于0.6m。所以，设计并研发出一个变压器内的充能紧固螺栓连接用具就势在必行。

1.3 解决方案

传动结构选择。带电紧固螺钉与配合工具的使用原理，是将线夹螺钉二端夹紧于配合用具上，再利用传动机构完成螺钉的拧紧。用作带电固定螺栓组合工具，它所使用的场所也是多样的，因此需要确保能在各种高度的线夹上都可以应用。因此使用了不同直径的传动机构。

工具材质选用。带电固定螺栓及配合用具的材质选用，大致分二部门：传动组织和机械部门的材质选用。带电紧固螺栓配合用具的机械传动部分，必须完成配合用具的紧固件连接并确保安全绝缘。而玻璃钢复合材料则因其硬度大、绝缘性能较好且抗腐蚀性能优异，成为工具传动机构的主要材质。而用于带电紧固螺栓配合用具机械安装部门，则必须完成螺钉的紧固件联接，其硬度要求较高且容易加工，所以采用了钢制材质[4]。

套筒联接方式设计。紧固螺钉的直接连接部分，套筒采用可改变的结构：通过改变相应规格的节套，可以拧紧相应规格的螺钉联接，以确保各端面节套在使用结束后没有滑落到设备上，同时采用带自锁功能的方头。下端可以使用电子扳手进行螺钉联接的快速拧紧，有很强的可扩展性，整个螺钉联接拧紧流程能够单人独立进行。

组合工具尺寸设计。为使得组合工具设计可以同时满足各种型号的螺栓以及各种高度的设备线夹螺栓，通过研究了常用节套方头规格、变电站设备线夹宽度和常用螺钉直径，从而决定了配合工具设计的主要规格。其机械部分及各组成部分规格设计见图1。

图1 带电紧固螺栓组合工具机械部分结构图

线夹螺钉的直径通常为30～50mm，为适合于各种直径的螺钉，一般选用较长螺钉连接作为距离计算并预留一定的冗余度量，因此套筒间距S2＞70mm，而弹簧的可压缩直径一般为弹簧自身直径的40%，所以弹簧直径m＞175mm，最常用的套筒扳手直径L 通常为6～10mm，所以N＞L1+L2+S2+m，并预留有一定裕度，N 通常为250mm，但考虑到的线夹长度通常为100mm，R取100mm 即可。

确定组合工具除传动机构之外的尺寸后。为提高工具本身有较强的适应性，选择使用比较广泛的二分之一方头。为满足各种高度的设备线夹，该传动机构可按照具体情况选择适当直径的杆安装成紧固螺栓需要的尺寸。因为该传动机构是带电作业确定安全距离的关键，所以为灵活调整尺寸并符合安全规定，该传动机构之外的合适尺寸必须也是满足安全距离大于0.6米的要求，其抗压值应该满安全标准的条件，结合设备线夹高度和人身高，选择最短的传动杆为一米左右，续接尺寸从0.6至1米左右不同的运动杆，使得各种身高人、各种高度线夹均能进行安全方便作业。

一体式带电紧固螺栓组合工具整体的设计方案如下。传动机构选择：可变长度型，传动杆长度1.0m、0.6m，上套筒机构长度N 为250mm，弹簧自然长度M 为180mm，套筒选择半径R 为100mm，套筒方头型号为1/2；工具材料选择：传动机构材料选择玻璃纤维复合材料，机械部分材料选择钢，套筒连接方式选择可变换式。

2 效果检测分析

适用范围检测表。将该配合式开发工具对14mm、17mm、19mm 三种螺钉各经过了数次夹持测试，最终结果证实已设定长度的配合式开发工具一次均可以顺利夹紧这三种螺钉，且长度设计均满足要求。

绝缘达标检测。经过绝缘耐压测试证明：若绝缘特性符合此标准，则在10kV 的额定电流下其工频耐压值达到95kV/min 为宜。该复合工具的热绝缘隔离特性符合带电作业安全规定，且装设过程中也出现在传动机构上还装有雨裙以提高爬电距离，但这种并不危害运行速度且比较安全。

可靠紧固分析。若要进行可靠拧紧，施加到螺钉上的最大扭矩应该不小于24.5N。经过扭力扳手的扭力测试后，该配合工具对目前变电站厂内各种规格的14mm（扭力分别为25.0、24.7、24.9N·m）、17mm（扭力分别为27.5、26.0、26.2N·m）和19mm（扭力分别为25.6、27.4、26.1N·m）等各种规格的设备线夹螺钉均可以正确拧紧。

操作时间检测。经过对14mm、17mm、19mm这三种线夹固定螺栓各经过数次的固定实验，确定了单次固定螺栓连接的平均值费时依次为1分51秒、1分47秒、1分45秒，且工作耗时均低于二分的期望数值。

工艺达标检测。试验结果表明，带电拧紧螺钉接头能使螺栓的螺杆和螺母牢牢卡紧、迅速拧紧，省时省力、拆装方便、标准规范、工序优美、构造简洁、总体重较轻，充分适应了安全距离和单机迅速拧紧螺钉的要求。该组合工具顺利解答了因变压器要求断电处理螺钉松动的繁杂提问，并大幅减少了检测技术人员作业时间，从而有效地减少了电能消耗。

3 效益对比分析

作业流程对比分析：使用此工具地电位作业方法与等电位作业方法相对较，能够省去了设置绝缘软梯或进出地电场技术的时间，进而减少了整个高空作业时间。使用此工具地电位作业方法与传统停电的处理方法相对比，缩短了设置接电线、人员进出等复合悬式绝缘子串的工作过程，因而减少了整体作业时间。

安全风险对比分析：等电位作业方式由于需要出入强电荷，因此存在当作业技术人员进入、退出强电荷时，因屏蔽服接地松脱或屏蔽服电阻过高，而引起触电以及作业技术人员进入、退出强电荷时对相邻电线的最小间距不够，而引起触电等危险性；断电处理方法由于必须装、拆除接电线，因此会有作业技术人员装设接电线时误挂带电线路，导致接触电势及作业技术人员在装、拆除接电线时因感应电触电等危险性。

成本对比分析：等电位的作业方法进行处理，由于作业人员多，对工作器材投资大、机械强度大，也因此提高了生产成本；使用此工具以地电位作业方式进行处理，由于操作人数较小、对工作器材投资较小，且劳动强度少，也因此减少了生产成本；使用此工具完成的处理过程克服了单回耐张塔(杆)的耐张线夹过热非直接作业和同塔多回垂直布置方法的架空输电线路耐张线夹过热缺陷带电管理。

直接效益分析：首先，供电设施可以相互备份，增加了输变电设施的利用度，减少了供电的风险程度；其次是供水公司多供水、多售电，增加了公司的效益。

社会效益分析：改善了输电线路的安全性，使生产厂家的经营效益和当地财政收入提高，并增长了当地GDP；其次电网不间断地供应，大大增强了电力安全性，从而减少了由于忽然断电所带来的社会、民众不满等不良政治因素，为社会稳定、治安良好提供了保证作用，从而方便民众日常生活诸多方面。

知识产权保护及成果转化：该套组合工具已申报国家实用新型专利2项(已经获得授权)，申请发明专利1项(实审阶段)，现已在企业内部及各供电公司进行了实际运用。

4 推广应用建议

综上所述，本技术的研发与使用，对应于单回耐张塔(杆)的抗张线夹加热间接作业，以及同塔多回垂直布置方法的架空输电线路中抗张线夹加热问题的带电解决，具有非常突出的优越性。使用此工具可以完成带电的耐张线夹发热缺陷处理过程，从而大大降低了对工程作业人力和工作器材的投资，大大减少了工程作业技术人员的劳作力度和工程作业危险性、提升了效率，大大降低了生产成本，并且大大提高了电源的可靠性度，从而大大减少了断电频次，因此推荐在各输变电设备的运维单元推广应用。