竇 剛，鄒德仕，張繼軍，郭 鵬，張學(xué)東，盧聲彥

（大連電瓷集團(tuán)輸變電材料有限公司技術(shù)研發(fā)中心，遼寧大連116600）

0 引言

“十三五”期間，我國(guó)將大力發(fā)展電力工業(yè)，重點(diǎn)突出結(jié)構(gòu)電網(wǎng)建設(shè)和調(diào)整。將國(guó)家電網(wǎng)優(yōu)化為西部（西北+川渝藏）、東部（“三華”+東北三省+內(nèi)蒙古）兩個(gè)特高壓同步電網(wǎng)，形成送、受端結(jié)構(gòu)清晰，交、直流協(xié)調(diào)發(fā)展的格局，將國(guó)家電網(wǎng)跨區(qū)輸電規(guī)模從目前的1.1億kW提高到3.7億kW。伴隨著我國(guó)電網(wǎng)的不斷建設(shè)和發(fā)展，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行提出了更高的安全要求。

絕緣子是架空輸電線(xiàn)路的重要組成部分，需同時(shí)滿(mǎn)足電氣性能和機(jī)械性能兩方面的要求[1]。目前絕緣子之間大部分通過(guò)球窩聯(lián)接的方式進(jìn)行聯(lián)接，因?yàn)榍蚋C聯(lián)接結(jié)構(gòu)無(wú)方向性并具有裝拆方便的優(yōu)點(diǎn)，特別是便于帶電更換絕緣子，因此高壓、超高壓和特高壓線(xiàn)路上一般均采用球窩聯(lián)接結(jié)構(gòu)[2]。近年來(lái)，電力人員在巡檢中發(fā)現(xiàn)采用球窩聯(lián)接的“V”形串中，球窩中的鎖緊銷(xiāo)個(gè)別存在被腳球壓扁的現(xiàn)象，這可能與絕緣子串在受力時(shí)腳球在球窩中發(fā)生滑動(dòng)和傾斜的程度有關(guān)，鑒于這種情況，我們對(duì)球窩聯(lián)接中腳球在球窩中的滑動(dòng)和傾斜進(jìn)行了深入研究。

1 關(guān)于α角的研究

1.1 α角的定義

α角是表征球窩聯(lián)接的絕緣子串受到垂直方向的拉力和水平方向的其他作用力影響，腳球上表面（r1）僅沿帽窩內(nèi)腔上表面（R1）運(yùn)動(dòng)時(shí)，鐵帽軸線(xiàn)與鋼腳軸線(xiàn)的關(guān)系。腳球在帽窩中的滑動(dòng)位置見(jiàn)圖1。

圖1 α角示意圖Fig.1 α angle

1.2 大瓷產(chǎn)品α角范圍

為了精確地算出各等級(jí)球窩聯(lián)接的α角范圍，我們參照GB/T 4056—2008《絕緣子串元件的球窩連接尺寸》中的尺寸和公差[3]，選擇用圖解法進(jìn)行計(jì)算，將帽窩和腳球按照1:1進(jìn)行二維繪圖，對(duì)發(fā)生滑動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生接觸的面進(jìn)行約束，尋找該尺寸下腳球在帽窩中的最佳滑動(dòng)位置。在繪圖過(guò)程中，當(dāng)帽窩尺寸取正公差，鋼腳尺寸取負(fù)公差時(shí)，α角取最大值；當(dāng)帽窩尺寸取負(fù)公差，鋼腳尺寸取正公差時(shí)，α角取最小值。以本廠(chǎng)現(xiàn)使用的鐵帽和鋼腳尺寸為依據(jù)，算出的各等級(jí)球窩聯(lián)接的α角數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 各等級(jí)球窩聯(lián)接的α角數(shù)值Table 1 The value ofαangle in all levels of ball and socket coupling

1.3 影響α角的原因

影響α角的大小除了帽窩和腳球的尺寸與公差外，帽耳高度H3也將影響α角的大小，帽耳高度H3的增大將減小鋼腳傾斜空間，但是在滑動(dòng)過(guò)程中，腳球上表面緊貼帽窩上表面，鋼腳側(cè)壁與帽耳側(cè)壁距離較近，帽耳高度雖然可以影響α角的數(shù)值，但是影響微乎其微。

在GB/T 4056—2008《絕緣子串元件的球窩連接尺寸》中規(guī)定了各等級(jí)球窩聯(lián)接的帽窩和腳球的公稱(chēng)尺寸及公差，但是沒(méi)有36與40兩種聯(lián)接方式。隨著國(guó)內(nèi)特高壓電網(wǎng)的不斷發(fā)展，更高強(qiáng)度等級(jí)的產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，如額定機(jī)電破壞負(fù)荷為760 kN、840 kN懸式瓷絕緣子，伴隨著更高強(qiáng)度等級(jí)產(chǎn)品的到來(lái)，更高等級(jí)的球窩聯(lián)接方式也隨之出現(xiàn)。在該標(biāo)準(zhǔn)的最新送審版中對(duì)這兩種聯(lián)接方式進(jìn)行了明確規(guī)定。對(duì)比表1中α角平均值可以發(fā)現(xiàn)，拋開(kāi)36和40兩種聯(lián)接方式，隨著聯(lián)接等級(jí)的提高，α角平均值逐步減小，但是36和40兩種聯(lián)接方式不符合這種趨勢(shì)。

對(duì)于上述36和40聯(lián)接的異常情況，我們進(jìn)行了深入研究。α角形成時(shí)，腳球上表面（r1）僅沿帽窩內(nèi)腔上表面（R1）運(yùn)動(dòng)，那么r1與R1的大小將直接影響α角的大小，查閱GB/T 4056—2008《絕緣子串元件的球窩連接尺寸》和該標(biāo)準(zhǔn)的最新修訂送審版，同一聯(lián)接中r1與R1的數(shù)值相同，具體數(shù)值見(jiàn)表2。

表2 各等級(jí)球窩聯(lián)接的r1與R1數(shù)值Table 2 The value of r1and R1in all levels of ball and socket coupling

在表2中可以發(fā)現(xiàn)，36與40聯(lián)接的r1與R1和低等級(jí)聯(lián)接相比，并不是遞增關(guān)系，隨后將40聯(lián)接的r1和R1由55 mm改成70 mm，用圖解法求出α角，對(duì)比圖見(jiàn)圖2。

圖2 r1和R1的比較圖Fig.2 Comparison between r1and R1

從圖2中可發(fā)現(xiàn)，在40聯(lián)接中，當(dāng)R1由55 mm增加到70 mm時(shí)，α角由3.72°降低到3.05°，即R1增大將導(dǎo)致α角變小，由于標(biāo)準(zhǔn)中R1不是隨著聯(lián)接等級(jí)的提高而增大，最終導(dǎo)致36與40兩種聯(lián)接方式的α角平均值不隨著聯(lián)接等級(jí)的提高而遞減。

2 關(guān)于β角的研究

2.1 β角的定義

β角是表征絕緣子串受到垂直方向的拉力和水平方向的其他作用力時(shí)，鋼腳腳球在帽窩中的傾斜運(yùn)動(dòng)引起的鋼腳軸線(xiàn)與鐵帽軸線(xiàn)間的角度，該運(yùn)動(dòng)受到帽窩內(nèi)腔上表面、帽耳內(nèi)壁和鎖緊銷(xiāo)上表面的限制。腳球在帽窩中的傾斜位置見(jiàn)圖3。

圖3 β角示意圖Fig.3 Figure of β angle

2.2 大瓷產(chǎn)品β角范圍

參考α角的計(jì)算方法，同樣用圖解法對(duì)β角進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)腳球在帽窩中處于最佳傾斜位置時(shí)求得β角。對(duì)于β角，當(dāng)帽窩尺寸取正公差，鋼腳尺寸取負(fù)公差，鎖緊銷(xiāo)厚度取負(fù)公差時(shí)，β角取最大值；當(dāng)帽窩尺寸取負(fù)公差，鋼腳尺寸取正公差，鎖緊銷(xiāo)厚度取正公差時(shí)，β角取最小值。β角產(chǎn)生時(shí)，腳球會(huì)擠壓鎖緊銷(xiāo)前端，使其與鐵帽隔板接觸，作圖時(shí)腳球下端與隔板距離始終保持為鎖緊銷(xiāo)厚度T，實(shí)際上在傾斜過(guò)程中，腳球下端某一點(diǎn)與隔板的距離會(huì)略小于T，此值無(wú)法獲取，影響很小，作圖時(shí)將其忽略。以本廠(chǎng)現(xiàn)使用的鐵帽、鋼腳和鎖緊銷(xiāo)的尺寸為依據(jù)，算出的各等級(jí)球窩聯(lián)接的β角數(shù)值見(jiàn)表3。

表3 各等級(jí)球窩聯(lián)接的β角數(shù)值Table 3 The value ofβangle in all levels of ball and socket coupling

2.3 影響β角的原因

在用圖解法計(jì)算β角時(shí)，發(fā)現(xiàn)帽耳高度H3對(duì)β角影響很大，但是在GB/T 4056—2008《絕緣子串元件的球窩連接尺寸》中并未對(duì)其進(jìn)行明確規(guī)定，每個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)家結(jié)合自身生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和鐵帽材料及生產(chǎn)工藝會(huì)確定不同的帽耳高度，這勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致同一聯(lián)接中存在不同的β角范圍。

為了探究帽耳高度H3對(duì)β角的影響，我們以本廠(chǎng)16AR聯(lián)接的帽腳為例，按照GB/T 4056—2008《絕緣子串元件的球窩連接尺寸》中16聯(lián)接通規(guī)的公稱(chēng)尺寸將聯(lián)接通規(guī)畫(huà)出，與本廠(chǎng)16AR聯(lián)接的鐵帽進(jìn)行配合，見(jiàn)圖4，從圖中可看出，帽耳高度還有4.8 mm的提升空間，以0.5 mm的提升速度逐步增加帽耳高度，用圖解法求出對(duì)應(yīng)的β角，數(shù)值見(jiàn)表4。β角與H3的關(guān)系見(jiàn)圖5。

圖4 16AR聯(lián)接通規(guī)與鐵帽配合圖Fig.4 Hook-on“Go”gauge and cap of 16AR

表4 H3與β角對(duì)應(yīng)關(guān)系表Table 4 The relationship between H3andβ

圖5 16AR聯(lián)接β角與H3關(guān)系曲線(xiàn)Fig.5 The relationship of β and H3in the coupling of 16AR

在表4中可發(fā)現(xiàn)，隨著鐵帽帽耳高度H3的增高，β角呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，從圖5可看出，對(duì)H3和β曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，經(jīng)過(guò)多種擬合的嘗試，發(fā)現(xiàn)多項(xiàng)式與該曲線(xiàn)之間的R2值為0.999，說(shuō)明趨勢(shì)線(xiàn)的擬合程度很高，可靠性亦很高。當(dāng)其余尺寸不變時(shí)，16AR聯(lián)接中β角與H3的關(guān)系為

3 結(jié)論

基于GB/T 4056—2008《絕緣子串元件的球窩連接尺寸》和本廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)際采用的聯(lián)接尺寸，用圖解法對(duì)各聯(lián)接等級(jí)的α角和β角進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)二者進(jìn)行深入分析，得出以下結(jié)論：

1）當(dāng)其余尺寸不變時(shí)，α角與腳球上表面圓弧r1和帽腔上表面圓弧R1及帽耳高度H3有關(guān)，隨著腳球上表面圓弧r1和帽腔上表面圓弧R1的增加，α角數(shù)值將減??；帽耳高度H3對(duì)α角影響很小。

2）當(dāng)帽窩和腳球尺寸一定時(shí)，鎖緊銷(xiāo)厚度和帽耳高度H3將影響β角的大小，鎖緊銷(xiāo)厚度增加，帽窩空間變小，β角變??；帽耳高度H3的增大將導(dǎo)致β角變小，但不是簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系，本廠(chǎng)16AR聯(lián)接中β角與H3的關(guān)系：β=0.004（H3）2-0.651H3+27.84。

參考文獻(xiàn)：

[1]關(guān)志成.絕緣子及輸變電設(shè)備外絕緣[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006．

[2]邱志賢.高壓絕緣子的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2006．

[3]西安電瓷研究所.絕緣子串元件的球窩連接尺寸：GB/T 4056—2008[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.