中國廣核新能源控股有限公司/中廣核新能源投資（深圳）有限公司貴州分公司

張 超 黃開義 陳思文 高佳藝 盧金垌

在七八十年代我國由于工業(yè)化水平較低、生產(chǎn)力不足同時社會經(jīng)濟能力有限，隨處可見木制電線桿。在電壓輸配電線路中、通信及通訊方面木制電線桿則是標準配置，木電桿也具有許多的優(yōu)點：在重量方面有著質量輕、在安裝架設方面有著無需機械設備配合人工安裝即可等特點，但缺點也較明顯：承載能力有限、在自然環(huán)境中易經(jīng)受風吹雨打而腐爛、木制電桿架設高度有限等。隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，工業(yè)化水平的提高、生產(chǎn)能力的提升以及國民經(jīng)濟的提升，水泥電桿、合金電桿逐步進入視野，木制電線桿也漸漸被這類電線桿取代。

雖然供電線路解決了電線桿承載能力低、架設高度低等問題，但在應對極端自然方面，合金電桿、水泥電桿也沒有展現(xiàn)出太大的優(yōu)勢。特別是山地、沿海等地區(qū)遇到凝凍、大雪及大風等極端天氣時，就會出現(xiàn)連片倒塌的情況。此時將會對發(fā)電廠的穩(wěn)定運行帶來嚴重的威脅、給電網(wǎng)企業(yè)輸送帶來巨大影響，同時也會給國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟損失。

從表1數(shù)據(jù)可知，輸配電線路的電線桿在遇到到一些特殊天氣時將會受到嚴重的損失，一是可能會導致大面積的基礎建設設施破壞，二是間接性的經(jīng)濟損失嚴重，嚴重時還可能會影響社會的生產(chǎn)生活。所以電線桿在極端天氣情況狀況保持正常運行是電力生產(chǎn)運輸?shù)幕颈Ｕ?，保證電線桿的穩(wěn)定運行具有重大的社會意義和社會經(jīng)濟價值。

表1 某地區(qū)遭受臺風的損失

2018年全國遭受了百年一遇的大凝凍天氣，此次大凝凍讓廣西、貴州、云南及重慶等南方地區(qū)生活遭受到了前所未有的挑戰(zhàn)，特別是邊遠的山地地區(qū)，一場凝凍將現(xiàn)代社會的人們一下拉回了“原始社會”。追根溯源導致這一切的原因為山區(qū)配電線路的損壞、電線桿大面積的傾倒塌、折斷，導致電力輸送中斷。

1 棄線保桿裝置架構設計

1.1 電線桿實際工況

隨著“碳達峰、碳中和”目標的制定，我國能源供發(fā)展出現(xiàn)了新的機遇，而其中電能在“碳達峰、碳中和”目標實現(xiàn)中充當了舉足輕重的角色。同時電力行業(yè)又是國家社會經(jīng)濟發(fā)展、社會良好運轉的基礎行業(yè)。而電力的輸配送則是電力生產(chǎn)中的重要一環(huán)，在輸配電線路中按作用分為主網(wǎng)線路（電網(wǎng)與發(fā)電廠之間的線路，一般在35kV 以上的線路）、配送網(wǎng)線路（將電能分配到用戶的線路，一般在35kV 以下的線路）、主干線路（電網(wǎng)中電壓等級最高、輸送能力最大的線路）、支線路（主干線的分支，將電能向某個地區(qū)輸送的線路）。

配電線路的作用是將電能輸送到用戶，因此在山區(qū)、農(nóng)村等地方也會有其身影，在城市中為了安全及城市的美觀通常會避免在城區(qū)裝設桿塔等，所以網(wǎng)路一般都是設置在遠離城市的山區(qū)，地理環(huán)境就對配網(wǎng)線路特別是電線桿線路的影響極大。為保證配電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，在不同地區(qū)線路的塔桿設置形式不盡相同，桿塔生裝設的橫擔的類型及安裝形式也不盡相同。一般在電線桿安裝設計時會重點關注所處地區(qū)的最常見自然災害，但不論多好的設計都會存在著設計缺陷及設計的極限。當電線桿遭受到的外力大于其耐受極限時就會出現(xiàn)折斷等情況。一般的電線桿主要承受來自豎直方向的拉力，從而產(chǎn)生短時較大的彎矩，導致電線桿損壞。

通過查閱相關資料，在國內(nèi)已經(jīng)存在一些起到防電線桿斷裂的防護裝置，這些裝置都有著自己的優(yōu)點，都能一定程度上的起到對線路電線桿的保護作用，通過進一步研究發(fā)現(xiàn)這類防護裝置原理大都十分接近。

1.2 方案構想

在電線桿所有破環(huán)類型中折斷是最多的，而電線桿在實際工況環(huán)境中，大風、凝凍及暴雪是所有破壞性天氣中出現(xiàn)次數(shù)最多破壞性的天氣，在此次設計中以大風、凝凍及暴雪天氣為主要設計條件進行設計。電線桿的折斷主因為電線在受到豎直方向的力時，在電線兩端形成彎矩及水平方向的拉力，在兩者的作用下極易出現(xiàn)折斷的情況。在山區(qū)大風、凝凍及暴雪天氣極易致使山區(qū)的樹枝折斷或樹干折斷，當折斷的樹枝或樹干附近有架空線路時可能會造成線路（桿塔的倒塌、折斷）的破壞。

本裝置的設計從基于上述中存在的工況載荷進行設計，再設計一個連接裝置將保護機構連接在橫擔與線路之間，當線路受到的上訴載荷超過閾值時，保護裝置內(nèi)部的薄弱部分越過保險發(fā)生動作，從而達到連接在線夾的電線連著線夾一起從裝置中脫落出來，最終達到線路與電線桿徹底分離，去掉加在電線桿上的載荷，保證電線桿不會斷裂。

1.3 裝置功能

通過研究分析最終確定了棄線保桿裝置的各子功能如下：正常狀態(tài)下線纜懸掛；災害氣象條件下能量傳遞；內(nèi)部裝置位移；脫落保護。在設備功能系統(tǒng)中，能量、物料及信號三個因素在每個功能間的參與程度不盡相同，各因素在其中的地位也會有所不同；因此在解決功能時這些因素也是非常重要的參考點。通過分析相關參數(shù)后得到棄線保桿裝置的功能結構圖。

2 棄線保桿裝置系統(tǒng)及部件設計

2.1 懸掛裝置

主要作用為將線纜連接到電線桿上，保證棄線保桿裝置對線纜進行懸掛，懸掛裝置的薄弱位置考慮設計在橫擔與線纜的連接段。因此懸掛裝置應是棄線保桿裝置連接橫擔的懸掛部分、棄線保桿裝置與線纜連接的懸掛部分所組成。

2.1.1 橫擔懸掛部分

橫擔形狀結構。為達到棄線保桿裝置的通用性，需考慮橫擔為常見的橫擔即可；橫擔懸掛部分鎖緊結構。在正常工況下要實現(xiàn)橫擔懸掛部分與線纜之間正常連接，同時在正常工況下線纜不會從橫擔上脫落，此時就須實現(xiàn)懸掛裝置的鎖緊功能。螺紋連接鎖緊是常見的鎖緊方式之一，具有加工簡單、操作方便及性價比高等特點。因此橫擔懸掛部分鎖緊功能采用螺紋連接鎖緊方式（圖2）。

橫擔懸掛部分鎖緊結構建模。利用CATIA 三維制圖軟件對橫擔懸掛部分鎖緊結構進行三維建模。對比圖3a、b 兩圖可知，兩種結構外形結構一致，相較于b 圖a 圖具有便于加工、安裝方便等優(yōu)點，因此最終選擇選擇a 圖中的結構作為橫擔懸掛部分鎖緊結構。因橫擔懸掛部分鎖緊結構鎖緊方式為螺紋連接，因此需在螺紋桿的底部設計一個底板作為配合連接。常見的橫擔多為具有突起與凹陷的結構，在連接時需要考慮其連接的穩(wěn)固性，所以在該結構中還需設計一個緊固墊塊穩(wěn)固連接（圖4）。

2.1.2 線纜懸掛部分

輸電線路中電線通常為鋼芯鋁絞線，橫截面為圓形，在線纜懸掛部分設計時考慮連接配合時與圓柱形結構相配合，同時為保證正常工況下該裝置能保證線路能正常運行，因此需考慮將配送設計成通孔連續(xù)配合即線纜從其中完全穿過。同時為便于安裝與發(fā)生脫落以后便于恢復，需將其設計成可拆卸連接方式。因此將過線板的結構形狀設計成如圖5所示形狀，且其頂部具有懸掛軸可實現(xiàn)線纜的懸掛。其中a)圖為線纜懸掛部分過線裝置的固定部分，b)圖為線纜懸掛部分過線裝置的懸裝部分，固定部分與懸裝部分通過活動軸進行連接，該連接方式可達到兩者間能轉動。固定時可采用螺栓連接，在安裝時將兩者通過螺栓螺紋進行固定保證兩者相對穩(wěn)固。

2.2 原理分析及保護裝置設計

原理分析：如圖6，當電線受到壓力時滑柱7將會受到一個向下的拉力，拉動圓柱卡接件12，由于卡槽13上端面為斜面，因此受到緩沖環(huán)16的作用，滑動卡件14會向兩側適當移動，達到一種受力平衡狀態(tài)；當壓力過大時，由于緩沖環(huán)16上開設的多個間隙槽17將會受力被壓縮，進而使得滑動卡件14來靠近固定蓋15的一側穿進固定蓋15內(nèi)，從而使得滑動卡件14脫離圓柱卡接件12，用來固定電線的部分將會脫離滑動套筒1，從而起到保護電線桿的目的。

傳遞軸設計：棄線保桿裝置想實現(xiàn)“棄線保桿”功能，就須保證在承受的載荷過大時圓柱卡接件能順利脫落，與圓柱卡接件相配合的部件須為可動部件，且該部件須為受力部件，因此該部件可以定義為傳動軸部件。該傳動軸可設計成左右兩部分，中間分段并開兩半圓通孔與圓柱卡接件配合，在另外兩端設置一個緩沖環(huán)即通過其控制臨界載荷。如圖7所示，在正常工況下圓柱卡接件被傳遞軸卡住，兩半軸閉合，圓柱卡接件下方懸掛著線纜。當圓柱卡接件下方懸掛的線纜受到豎直方向的外力超過電線桿的最大載荷時，外力通過圓柱卡接件作用到傳遞軸上，傳遞軸再傳遞到其兩端的緩沖環(huán)上，最終緩沖環(huán)越過傳遞軸上的限位軸階，傳遞軸分離圓柱卡接件脫落出來。

限位軸階與緩沖環(huán)：在正常工況下線纜能正常懸掛在裝置上，當線纜受到的外力超過電線桿的最大承受載荷上限時須從裝置中脫落下來，因此在設計時須保證裝置能承受一定外力，需在傳遞軸兩端設計一個軸階來保證在電線桿承受的最大載荷以下時線纜不會脫落。設置緩沖環(huán)是保證在正常工況下線纜不會脫落，在超過一定力時會被壓縮使傳遞軸能自由移動。緩沖環(huán)上設計有多個間隙通槽，是以緩沖環(huán)圓心為圓點進行圓周陣列設計的。與限位軸階配合的是緩沖環(huán)，在正常工況下因限位軸階的存在緩沖環(huán)無法越過限位軸階，傳遞軸的相對位置被固定，當載荷超過最大承受力時，緩沖環(huán)將越過限位軸階傳遞軸可以自由移動，從而達到根據(jù)受力情況來自行判斷是否脫落。

外殼：在裝置中一般起防護作用，本裝置中外殼的功用也是防護。棄線保桿裝置使用場景為戶外，因此在設計時須考慮關鍵部件的防護。棄線保桿裝置中緩沖環(huán)為塑料制品、須有保護措施，傳遞軸為金屬材質，其外表面的光滑程度影響著其相對移動情況。這兩個部件有配合關系，所以可在其外表設置一個外殼將兩個部件進行包覆保證其不會受到外界環(huán)境的影響即可。外殼分為兩半，外殼之間通過螺栓螺紋連接（圖9）。

三維模型裝配圖：通過CATIA 軟件完成各零部件繪制后，還需將各零部件進行裝配。通過裝配一方面可發(fā)現(xiàn)零部件間的干涉情況；可驗證裝置設計的合理性功能是否可以實現(xiàn)；還可美學的角度對其優(yōu)化保證設備在實現(xiàn)功能的基礎上外觀達到美觀的效果。