趙博，劉志強(qiáng)，張敏，陸瑤，李鑫

（西安高壓電器研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710077）

隨著電力建設(shè)的高速發(fā)展，各類型的套管被越來越多制造出來并廣泛運(yùn)行在電網(wǎng)系統(tǒng)中，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 26166—2010《±800 kV直流系統(tǒng)用穿墻套管》、GB／T 22674—2008《直流系統(tǒng)用套管》、GB／T 4109—2008《交流電壓高于1000V的絕緣套管》型式試驗(yàn)的要求需要對套管進(jìn)行懸臂負(fù)荷試驗(yàn)，從而達(dá)到對整體產(chǎn)品的相應(yīng)機(jī)械負(fù)荷的試驗(yàn)考核。

以往套管采用搭建試驗(yàn)構(gòu)架見圖1所示，進(jìn)行懸臂負(fù)荷試驗(yàn)，這一方法存在以下幾個(gè)問題：①構(gòu)架布置周期長，試驗(yàn)效率低；②套管與地面的水平夾角為一固定值，無法在0°～30°之間的任意角度進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)節(jié)，不能完全模擬實(shí)際運(yùn)行的安裝角度；③套管軸線與施加負(fù)荷的夾角無法始終保持90°；④試驗(yàn)過程中不安全因素較多。

圖1 采用搭建試驗(yàn)構(gòu)架進(jìn)行套管懸臂負(fù)荷試驗(yàn)

為了解決以上問題，本文提出了套管懸臂負(fù)荷試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)要求，并對裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真。

1 功能要求及仿真

通過對相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求的研讀，提出試驗(yàn)裝置的功能要求：涵蓋最大尺寸長22米，重8．5噸，額定電壓±800kV的套管；套管可在水平角度0°～30°之間的任意角度進(jìn)行試驗(yàn)；加載負(fù)荷范圍：0～10kN；負(fù)荷施加方向應(yīng)垂直于套管軸線；施加力值至少能保持60s的恒定。

按照上述要求，利用有限元分析軟件soildwork對試驗(yàn)裝置的整體布局和各部位應(yīng)力進(jìn)行了設(shè)計(jì)及仿真計(jì)算，關(guān)鍵部位的仿真過程如下所示。

（1）整體結(jié)構(gòu)。單邊斷裂并卸載加載力后受力狀況見圖2和圖3所示：升降機(jī)座受壓2．78×105N，軸承座受拉 2．32×105N。

圖2 應(yīng)力圖

結(jié)論：第一，最大受力點(diǎn)為絲杠升降機(jī)底座加強(qiáng)筋部分：約79．4MPa，最大變形位移為2．018mm；第二，其中最底部左側(cè)節(jié)點(diǎn)最大受力為20MPa壓力，右側(cè)節(jié)點(diǎn)最大受力為9．68MPa拉力，左側(cè)最大受壓約為1．6×105N，右側(cè)最大受拉約為 8．0×104N。

（2）旋轉(zhuǎn)架。推動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，推力105N旋轉(zhuǎn)支撐裝置受力狀況見圖4和圖5所示。

圖3 變形位移圖

圖4 應(yīng)力圖

圖5 變形位移圖

結(jié)論：最大應(yīng)力為46．3MPa，最大變形位移為1．3×10mm。

通過以上有限元分析確定了本裝置使用的材料型號見表1所示及主要技術(shù)參數(shù)：裝置高6．9m，長28．6m，重 7．4 噸，地面載荷導(dǎo)軌長 9．8m，寬 6．0m，兩側(cè)鋼絲繩導(dǎo)向器有效長度分別為5．5m和3．4m，最大加載力值10kN，頂部旋轉(zhuǎn)速度為3．8°/min，轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍為水平夾角60°～90°(對應(yīng)的套管水平夾角為0°～30°)，可承受的最大扭矩為1．5×105N·m。

表1 材料型號

2 裝置結(jié)構(gòu)

下面結(jié)合圖6，對本裝置結(jié)構(gòu)及套管懸臂負(fù)荷試驗(yàn)方法進(jìn)行簡要說明。

本裝置由四部分組成，第一部分由旋轉(zhuǎn)支撐裝置(2)和檢修吊裝平臺(3)構(gòu)成，通過遠(yuǎn)程操作可使穿墻套管在水平角度0°～30°（圖6所示）之間的任意角度進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)；第二部分為鋼支架結(jié)構(gòu)(4)，由3．2m標(biāo)準(zhǔn)節(jié)和2m標(biāo)準(zhǔn)節(jié)構(gòu)成，每層支架采用快裝結(jié)構(gòu)，側(cè)面使用爬梯方便檢修，根據(jù)不同套管的尺寸可進(jìn)行快速的拆裝；第三部分為載荷導(dǎo)軌(5)可將裝置安裝在水泥地面上，不需要破壞地面環(huán)境；第四部分由導(dǎo)向器(9)包括鋼絲繩卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)成，導(dǎo)向器采用直線導(dǎo)軌和電機(jī)-絲杠驅(qū)動(dòng)的形式，鋼絲繩卷揚(yáng)機(jī)通過伺服電機(jī)渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)進(jìn)行加載，加載速度分為快速（1mm/1s）和慢速（0．1mm/1s）兩個(gè)階段，加載負(fù)荷范圍：0～10000N。

圖6 裝置30度結(jié)構(gòu)正視示意圖

試驗(yàn)方法：

①套管水平角度的調(diào)節(jié)：通過頂部旋轉(zhuǎn)支撐裝置(2)，可使絕緣子安裝法蘭水平角度由60°～90°之間可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)套管可在水平角度0°～30°之間的任意角度進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而滿足標(biāo)準(zhǔn)對套管角度的要求。

②鋼絲繩導(dǎo)向器調(diào)整：根據(jù)套管水平角度的不同，調(diào)節(jié)鋼絲繩導(dǎo)向器(9)上的滑輪移動(dòng)到合適的位置，從而使得鋼絲繩(8)與套管(1)軸線保持90°夾角，從而滿足標(biāo)準(zhǔn)對負(fù)荷應(yīng)垂直于套管軸線的要求。

③恒定負(fù)荷的施加：通過鋼絲繩導(dǎo)向器(9)上的卷揚(yáng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)最大10000N力值的自動(dòng)加載，既能滿足標(biāo)準(zhǔn)對套管施加力值和時(shí)間的要求，也能滿足套管懸臂負(fù)荷破壞試驗(yàn)的要求。

④測力計(jì)安裝位置：測力計(jì)(7)安裝于鋼絲繩(8)上，測力計(jì)(7)兩端分別通過鋼絲繩(8)與套管(1)端子和鋼絲導(dǎo)向器(9)上的滑輪相連接，通過觀察測力計(jì)上的數(shù)字從而達(dá)到所需施加力值要求，滿足了直接測量施加的機(jī)械負(fù)荷的目的。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)室工作人員使用該裝置完成了對額定電壓±800kV套管兩端同時(shí)施加10000N力值，絕緣子安裝法蘭水平角度為60°(對應(yīng)的套管水平夾角為30°)的懸臂負(fù)荷試驗(yàn), 試驗(yàn)過程持續(xù)60s，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖7所示，可以看出，該懸臂負(fù)荷試驗(yàn)裝置能實(shí)現(xiàn)拉力值的穩(wěn)定輸出，各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合筆者提出的套管懸臂負(fù)荷試驗(yàn)裝置功能要求。

4 裝置特點(diǎn)

具有以下三個(gè)特點(diǎn)。

（1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高、利用率高和應(yīng)用范圍寬：完全符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對套管懸臂試驗(yàn)的要求，額定電壓等級≤±800kV的各種類型套管均可適用于本裝置。

圖7 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

（2）操作靈活簡便：使用時(shí)只需將套管裝到頂部旋轉(zhuǎn)裝置的U型定位槽內(nèi)即可進(jìn)行試驗(yàn)，省時(shí)省力。

（3）試驗(yàn)周期短和安全性高：不需要像以前那樣布置試驗(yàn)構(gòu)架來完成懸臂負(fù)荷試驗(yàn)，試驗(yàn)周期大幅縮短并且試驗(yàn)效率得到了大幅提高，同時(shí)杜絕了使用試驗(yàn)構(gòu)架存在的不安全隱患。

5 使用效果

本裝置在套管懸臂負(fù)荷試驗(yàn)項(xiàng)目使用后，試驗(yàn)效率得到了大幅提高，同時(shí)保障了安全性，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求的同時(shí)達(dá)到了直接測量施加機(jī)械負(fù)荷的目的。

6 結(jié)語

本文研制了一種經(jīng)濟(jì)耐用的套管懸臂負(fù)荷試驗(yàn)裝置，解決了以往±800kV及其以下套管懸臂負(fù)荷試驗(yàn)中使用試驗(yàn)構(gòu)架存在的試驗(yàn)布置周期長、試驗(yàn)不能完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求和不安全隱患的弊端，為高壓電器試驗(yàn)室提供了一種全新的可供參考的套管懸臂負(fù)荷試驗(yàn)裝置。

參考文獻(xiàn)：

[1] GB／T 26166—2010． ±800 kV直流系統(tǒng)用穿墻套管[S]．

[2] GB ／ T 22674—2008． 直流系統(tǒng)用套管 [S]．

[3] GB／T 4109—2008． 交流電壓高于1000V的絕緣套管[S]．