馬鳳臣,袁廣宏,丁寶民,單 軍,呂 念
(山東送變電工程有限公司,山東 濟南 250118)
張力放線是指在架線全過程中,使被展放的導(dǎo)線保持一定的張力而脫離地面處于架空狀態(tài)的架設(shè)施工方法[1-2]。 按照《架線施工作業(yè)指導(dǎo)書》(SDXLZW-09)規(guī)定,330 kV以上電力線路工程必須采用張力放線,放線過程中光纜或?qū)Ь€不準(zhǔn)拖地[3-4]。因此,在放線過程中導(dǎo)線本身因施加在導(dǎo)線上的張力和自身重力會積蓄一定的能量[5-7]。在跨越架受力分析時,往往只考慮跨越架承受導(dǎo)線重力沖量的承受能力,而忽略了橫向張力沖量的因素,在跨越重要設(shè)施張力放線過程中一旦發(fā)生斷線事故,斷線處導(dǎo)線頭會出現(xiàn)甩尾鞭擊現(xiàn)象,而跨越架無法對重要設(shè)施進行有效保護,可能造成重要設(shè)施嚴重損壞。因此,需要通過對斷線狀態(tài)、斷線位置及運動軌跡進行分析,制定斷線事故的有效補救裝置或措施,即使事故發(fā)生時,能夠?qū)⒈豢缭降闹匾O(shè)施損失減至最低。
設(shè)計一種輸電線路張力架線雙向防跑線裝置,介紹該裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、基本原理和工作流程。該裝置能夠在正常放線過程中使導(dǎo)線正常通過,一旦發(fā)生斷線又能及時將導(dǎo)線固定在滑車或者鐵塔上,大大提高了輸電線路架線施工的安全性。
輸電線路張力架線雙向防跑線裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示,系統(tǒng)由控制部分、斷線檢測部分、夾緊部分構(gòu)成。其中,控制部分接收斷線檢測部分發(fā)來的導(dǎo)線狀態(tài)信號,并根據(jù)狀態(tài)信號控制夾緊部分,同時負責(zé)整個系統(tǒng)的狀態(tài)檢測;斷線檢測部分負責(zé)檢測導(dǎo)線狀態(tài),并將導(dǎo)線狀態(tài)實時發(fā)送至控制部分;夾緊部分負責(zé)接收到控制部分的夾緊命令后實施夾緊操作。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
裝置機構(gòu)簡圖如圖2所示。其中,單片機控制板構(gòu)成控制部分,兩編碼測速儀構(gòu)成斷線檢測部分,其他機構(gòu)構(gòu)成夾緊部分。FP為壓塊對導(dǎo)線形成的壓力。
圖2 裝置機構(gòu)
在架線施工過程中,導(dǎo)線上任何位置都可能發(fā)生斷線,因此可以在所有鐵塔上均放置該防跑線裝置,將導(dǎo)線斷裂位置歸類為裝置內(nèi)斷線和裝置外斷線兩類。
假設(shè)導(dǎo)線斷裂處位于裝置外側(cè),由于牽引場和張力場都有張力,且張力機提供的張力和牽引力機提供的牽引力都大于導(dǎo)線總重力,導(dǎo)線會以斷裂處為起點,向兩側(cè)加速移動,該加速度與兩種張力以及檔距內(nèi)導(dǎo)線長度有關(guān),在加速度的作用下,若只考慮導(dǎo)線沿軸向速度,則導(dǎo)線會逐漸加速直至被阻止。同樣,若導(dǎo)線在裝置內(nèi)某處斷裂,由于相對于某個架線檔內(nèi)導(dǎo)線重量,裝置內(nèi)導(dǎo)線重量可以忽略不計,所以導(dǎo)線受重力和牽引機或者張力機之和影響以斷裂處為起點向兩側(cè)加速移動,直至越出裝置,一旦導(dǎo)線越出裝置,則可歸于導(dǎo)線在裝置外斷裂來分析。由于施工時在每個塔上都設(shè)置的有本保護裝置,因此,本塔上無法阻止的導(dǎo)線可由相鄰兩個塔上的保護裝置檢測并阻止。
導(dǎo)線斷線檢測和判斷的策略必須避免誤判,為此可采用極限區(qū)間速度策略。極限區(qū)間速度策略是指,在一段時間內(nèi)的平均速度及該時刻的實時速度均達到設(shè)定值時認為斷線事故發(fā)生。在正常施工過程中,由于導(dǎo)線“爬行”現(xiàn)象的存在,會導(dǎo)致導(dǎo)線在“加速—準(zhǔn)勻速—減速—準(zhǔn)勻速”之間循環(huán)。在該循環(huán)中,導(dǎo)線實時運行速度和一個時間段內(nèi)的平均速度都有限值,若采取某段時間內(nèi)導(dǎo)線的平均速度和實時速度同時作為參考量,當(dāng)把判據(jù)值設(shè)置為大于該參考量時,不會出現(xiàn)將正常架線判斷為事故狀態(tài)的情況。而一旦斷線情況,導(dǎo)線速度會在極短時間內(nèi)一直加速直至導(dǎo)線被阻止,即導(dǎo)線速度很快就會到達設(shè)定判據(jù)值,因此可以避免斷線事故的誤判。
綜上所述,采用極限區(qū)間速度策略能有效避免誤判,其中設(shè)定值需根據(jù)本行業(yè)內(nèi)專家意見并結(jié)合實驗值確定。為支撐極限區(qū)間速度策略,建議導(dǎo)線速度測量采用編碼器進行接觸式實時測量,并用單片機記錄實時速度和計算平均速度。
根據(jù)牛頓第一定理[8]、牛頓第二定理[9]、和動能定理[10],斷線事故發(fā)生后,斷裂的線纜產(chǎn)生的動能的變化與時間的平方成正比,與線纜重量成正比。即
所以,
式中:F為加在導(dǎo)線軸向的力的總和;m為導(dǎo)線質(zhì)量;a為加速度,由于導(dǎo)線在自由下落時加速度a不會超過重力加速度 g,且隨時間變化,因此以 ng(n<1)表示;v為導(dǎo)線實時速度;t為時間;E為動能。
線纜重量是不可改變的,因此要減小事故造成損失,唯一的方法是減小斷線到夾緊線之間的時間間隔。該時間間隔主要由設(shè)備夾緊部件之間相互運動時間組成,為實現(xiàn)迅速夾緊,需要采用盡可能短的移動距離,但是必須保證正常放線時線纜能順利通過夾緊部件。為實現(xiàn)迅速夾緊并保持夾緊狀態(tài),需要采用自鎖結(jié)構(gòu)[11-12]實現(xiàn)夾緊,即利用導(dǎo)線上的拉力來提供夾緊力,一旦夾住就不會脫開。自鎖機構(gòu)優(yōu)點是能實現(xiàn)自鎖,不需要外部提供鎖緊力,結(jié)構(gòu)可靠性高,缺點是實現(xiàn)自鎖過程中設(shè)備自鎖部件運動距離與夾緊部件運動距離的比值,正比于壓緊力,即越大的壓緊力需要越多的時間來完成。因此需要設(shè)計一種特殊的結(jié)構(gòu)以取得時間和提供足夠正壓力之間的平衡。為實現(xiàn)任一側(cè)導(dǎo)線斷裂均能夾緊,需設(shè)計為雙向夾緊方式。
為實現(xiàn)雙向夾緊,系統(tǒng)采用兩個對稱的鎖緊機構(gòu),當(dāng)導(dǎo)線斷裂后,會向剩余導(dǎo)線較長(較重)的一側(cè)滑動,該滑動與放線過程不同,當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到斷線后,觸發(fā)鎖緊機構(gòu)動作,隨著導(dǎo)線在系統(tǒng)中滑動,系統(tǒng)中的兩個對稱鎖緊機構(gòu)中的一個將趨于鎖死,另一個將趨于松開,鎖死的一個在導(dǎo)線滑動方向上。
假設(shè)斷線位置在設(shè)備左側(cè)靠近設(shè)備處,并能被系統(tǒng)監(jiān)測到斷線狀態(tài),則當(dāng)設(shè)備發(fā)出斷線保護命令后,鎖銷脫開,鉸鏈111和120將在導(dǎo)線重力和設(shè)備非固定部分的重力作用下向下運行。設(shè)當(dāng)鉸鏈111和120到達T形槽的最上端時,上下滑塊剛好夾住導(dǎo)線,此時開始,導(dǎo)線的滑動將帶動設(shè)備運動部分一起(向右)移動。
2.4.1左側(cè)連桿機構(gòu)
摩擦力F1帶著連桿11移動,可以將其簡化,如圖3所示。
圖3中,F(xiàn)1是導(dǎo)線移動引起的摩擦力,F(xiàn)2為T形槽上壁提供的支撐力,由于連桿11除了兩個端點處于自由狀態(tài),且兩個端點都是鉸接,F(xiàn)1和F2的合力必定沿著桿的徑向[11-12],所以
設(shè)合力為F12,則有
圖3 左側(cè)的連桿機構(gòu)簡化受力圖
由于連桿11下側(cè)點浮置,所連桿上側(cè)點的受力情況通過連桿11傳遞給連桿11下側(cè)點,二點受力大小和方向始終相同。對于連桿10,由于其左側(cè)點固定在架體上,認為其為固定點,則連桿10上形成了一個杠桿。杠杠上,連桿10左側(cè)點為支點,下壓塊與連桿10連接處形成阻力點21,連桿10右側(cè)點為動力點,根據(jù)杠桿原理設(shè)21點處垂直于連桿10的力為 FP0,則有
壓塊對導(dǎo)線形成的壓力FP可表示為
方向豎直向下,因此,左側(cè)的連桿機構(gòu)接下來將會松開導(dǎo)線。
2.4.2 右側(cè)連桿機構(gòu)
摩擦力用F11表示,T形槽支撐力用F21表示,壓塊對導(dǎo)線正壓力用FP1表示,則F11帶著連桿12移動,可以將其簡化,如圖4所示。
對圖4進行力分析,連桿機構(gòu)由桿13和桿12構(gòu)成,F(xiàn)11和F21的合力提供主動力,則主動力F121可表示為
由于桿12除兩端的鉸鏈外沒有其他支撐,因此F121方向沿桿 12 的軸向[11-12]。 則 F21為
圖4 右側(cè)的連桿機構(gòu)受力簡化圖
由于121點浮置,所以D點受力情況通過連桿12傳遞給G點,則G點受力大小和方向與D點始終相同。
對于連13,其一端活動一端鉸接方式固定在支架上,因此P點受力情況可以根據(jù)杠桿原理計算,設(shè)阻力臂長度為l、動力臂長度為L,則根據(jù)杠桿原理公式[13]有
則動壓塊上產(chǎn)生的壓力
力的方向沿FP方向。因此,右側(cè)的連桿機構(gòu)趨向于將導(dǎo)線施加正壓力。
2.4.3 壓塊對線的摩擦力
導(dǎo)線本身與壓塊接觸面為鋁,鋁對鋁的摩擦系數(shù)為 1.05~1.4(靜摩擦系數(shù)為 1.05~1.35,動摩擦系數(shù)為1.4),鋁對鋼摩擦系數(shù)為 0.47~0.61(靜摩擦系數(shù)為 0.61,動摩擦系數(shù)為 0.47)[14-15]。 因此,選取鋁材作為壓塊材質(zhì)比較合適。在材料確定情況下并保留2
倍安全系數(shù)時,只要
就能保證夾緊。由于設(shè)計時設(shè)定
所以要求
設(shè)備工作流程如圖5所示。開機后,系統(tǒng)自檢,檢查各個部分是否能夠正常工作;自檢通過后,進入導(dǎo)線狀態(tài)監(jiān)測狀態(tài),由編碼測速儀實時測量導(dǎo)線運行速度v,控制部分將導(dǎo)線速度與設(shè)定值斷線閾值vset進行比較,若 v<vset則導(dǎo)線運行正常,若 v≥vset則導(dǎo)線已處于斷線狀態(tài);控制部分發(fā)送夾緊命令給夾緊部分,夾緊部分收到命令后執(zhí)行夾緊動作,將導(dǎo)線鎖死,阻止導(dǎo)線滑落。
針對特高壓架線施工過程中導(dǎo)線斷裂問題,設(shè)計一種雙向防跑線裝置,該裝置由完全對稱的兩個自鎖機構(gòu)組成。結(jié)合斷線過程的理論推導(dǎo),說明該裝置的工作原理,當(dāng)左側(cè)導(dǎo)線發(fā)生斷線后,左側(cè)的自鎖機構(gòu)將擴開,右側(cè)的自鎖機構(gòu)將鎖緊,進而實現(xiàn)斷線保護;同理若右側(cè)斷線,則右側(cè)的自鎖機構(gòu)將擴開,左側(cè)的自鎖機構(gòu)將鎖緊,同樣實現(xiàn)斷線保護。該裝置為架線施工安全防護提供了一種新方法,對電力施工安全防護有重要意義。
所述裝置采用雙向自鎖式防跑線設(shè)計,該結(jié)構(gòu)體積較大,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,下一步研究應(yīng)當(dāng)在完成雙向自鎖的基礎(chǔ)上簡化結(jié)構(gòu),減小體積,更利于現(xiàn)場應(yīng)用。
圖5 工作流程圖