一种输电线路悬垂绝缘子串更换装置机构设计

引言

绝缘子串是架空高压输电线路的一个重要组成部分,它起着支撑导线和防止电流回地的重要作用。绝缘子在自然条件下受粉尘、二氧化硫、氮氧化物等大气环境的影响,工作电压、操作电压及雷电电压、外力破坏、环境污秽、大风雨雪天气等无可避免的外部环境威胁,容易产生低值或零值现象,降低整条绝缘子串的绝缘强度,严重时甚至会造成绝缘子串断串、导线落地等情况发生。因此,更换输电线路上有缺陷、损坏、残旧等不合格绝缘子,防止出现线路故障就成为电力部门的一项常规任务。目前,带电更换绝缘子串任务作业方法并不成熟,现场作业主要采用人工进入强电场的方式,工器具笨重,技术操作繁琐且危险性极高。尽管专业工具和施工工艺在不断地改进升级,但依旧不能改变人工作业方式。

针对输电线路悬垂绝缘子串的环境特点和更换任务需求,面向各分系统的功能需求进行机构设计,提出了一种新型输电线路悬垂绝缘子串更换装置机构,该机构具有结构简单、安全性好、作业方式简单、作业效率高等特点,而且可适应不同尺寸的多种类型悬垂绝缘子串。

1环境描述与任务分析

绝缘子串环境如图1所示,由于悬垂绝缘子串上端通过球头挂环悬挂于杆塔横担上,下端通过螺栓与碗头挂板连接,碗头挂板通过悬垂线夹连接到输电导线上,自然状态下绝缘子串两端都是固定的,因此要实现悬垂绝缘子串更换作业,关键是松开位于碗头挂板凹槽内的连接部件螺栓,使绝缘子串的下端处于自由状态,以便于人工辅助更换。因此,针对输电线路的环境特点,基于更换绝缘子的任务需求,开展新型输电线路悬垂绝缘子串更换装置的设计。

2悬垂绝缘子串更换装置机构设计

2.1悬垂绝缘子串更换装置构型分析

输电线路悬垂绝缘子串更换机构结构示意图如图2所示,包括固定安装支架、爬行驱动机构、前作业手臂和后作业手臂。其中固定安装支架一侧的安装座连接在输电线路塔材上,另一侧通过两根绝缘杆连接在输电线路上:爬行驱动机构通过爬行驱动轮及辅助支撑轮安装在绝缘杆上:前作业手臂具有两个自由度,安装在爬行驱动机构的电气箱体上,用于旋开连接金具的螺母:后作业手臂具有三个自由度,同样安装在爬行驱动机构的电气箱体上,用于夹住连接金具螺栓的六角头。在对输电线路悬垂绝缘子串进行辅助更换作业时,爬行驱动机构通过驱动行走轮在杆上移动,前后作业手臂到达预定位置后,两作业手臂配合作业将金具连接螺栓拆下,从而达到带电更换悬垂绝缘子串的目的。

图2 更换装置结构示意图

固定安装支架包括安装座、绝缘杆以及连接头,安装座一端固定在输电线路铁塔塔材上,另一端与绝缘杆上端连接,绝缘杆下端通过连接头与导线相连。

爬行驱动机构包括爬行驱动电机、爬行驱动轮、辅助支撑轮、装置主体安装板以及控制箱体。爬行驱动电机与爬行驱动轮连接后固定在装置主体安装板上,辅助支撑轮通过支撑轮轴同样连接在装置主体安装板上:装置作业时爬行驱动轮与辅助支撑轮同时支撑在固定安装支架的绝缘杆上:控制箱体内安装电子控制元件及无线传输系统,控制箱外安装有视觉传感器及天线。

前作业手臂包括两个自由度,第一个自由度为前工作头移动关节,作用是带动其上的前工作头抵住待拆卸的螺母:第二个自由度为前工作头旋转关节,作用是驱动前工作头旋转拆下连接悬垂金具的螺母。另外在移动关节和旋转关节之间设计一个弹性关节,作用是被动适应前工作头与待拆卸螺母的位置关系。

后作业手臂包括三个自由度,第一个自由度为后工作头移动关节,作用是带动其上的后工作头靠近待拆卸的螺栓六角头,待前作业手臂旋开螺母后拉出螺栓:第二个自由度为回转关节,作用是带动后工作头旋转到指定位置:第三个自由度为夹紧关节,作用是当工作头靠近待拆卸的螺栓六角头后夹紧螺栓六角头。另外在旋转关节和夹紧关节之间设计一个弹性关节,作用是被动适应后工作头与待拆卸螺栓六角头的位置关系。

2.2悬垂绝缘子串更换装置作业流程

依据输电线路悬垂绝缘子串的环境特点和更换任务特点,绝缘子串更换装置作业流程如下:

第一步,安装固定安装支架。将固定安装支架吊装到待作业的输电线路杆塔上,然后将安装座连接到待作业绝缘子串上方的塔材上,再将第一绝缘杆和第二绝缘杆通过第一连接头及第二连接头连接到输电线路的导线上。

第二步,安装其余作业装置到固定安装支架上。将前作业手臂和后作业手臂安装在爬行驱动机构上,然后吊装上塔:吊装上塔之后将第一爬行驱动轮、第二爬行驱动轮、第一辅助支撑轮及第二辅助支撑轮等四个爬行轮安装在第一绝缘杆和第二绝缘杆之间。

第三步,作业装置爬行到位。同时控制第一爬行驱动电机和第二爬行驱动电机转动,带动作业装置沿第一绝缘杆和第二绝缘杆向下爬行,爬行到预定作业位置后停止动作。

第四步,进行拆卸作业。前作业手臂和后作业手臂双臂协调进行作业,前作业手臂的前工作头旋转关节前端的六角套筒套住待拆卸螺母,同时后作业手臂的后工作头夹紧关节前端夹持机构夹住待拆卸螺栓的六角头,旋转关节旋转旋下螺母,然后作业手臂各关节动作抽出金具连接螺栓。

第五步,完成作业。完成拆卸作业后,作业装置爬行到初始位置,辅助更换悬垂绝缘子串作业结束。

3悬垂绝缘子串更换装置结构设计

3.1固定安装支架设计

固定安装支架结构示意图如图3所示,由安装座、第一绝缘杆、第二绝缘杆、第一连接头和第二连接头组成。安装座固定在待作业杆塔楷材上:第一绝缘杆和第二绝缘杆一端固连在安装座上,另一端分别通过第一连接头和第二连接头连接在待更换悬垂绝缘子串下方的导线上。这样固定安装支架形成一个框形封闭结构,是爬行驱动机构及前作业手臂和后作业手臂进行作业的基础。

3.2爬行驱动机构设计

爬行驱动机构结构示意图如图4所示,包括控制箱体、视觉传感器、天线、第一爬行驱动电机、第一爬行驱动轮、第一辅助支撑轮、第二爬行驱动电机、第二爬行驱动轮、第二辅助支撑轮。控制箱体是爬行驱动机构中其余部件的安装基础:视觉传感器安装在控制箱体上,其作用是引导前作业手臂和后作业手臂进行拆卸金具螺栓作业:天线安装在控制箱体侧面,其作用是进行控制信号的无线传输:第一爬行驱动电机和第二爬行驱动电机安装在控制箱体底板上,二者同时动作时能够带动整个装置沿第一绝缘杆和第二绝缘杆上下爬行:第一爬行驱动轮和第二爬行驱动轮分别连接在第一爬行驱动电机和第二爬行驱动电机上,并且能在第一绝缘杆和第二绝缘杆上滚动爬行:第一辅助支撑轮和第二辅助支撑轮安装在控制箱体底板上,能在第一绝缘杆和第二绝缘杆上滚动爬行。

图4 爬行驱动机构结构示意图

3.3前作业手臂设计

前作业手臂结构示意图如图5所示,包括前工作头移动关节、前工作头弹性关节和前工作头旋转关节。前工作头移动关节安装在控制箱体底板上,其作用是使前工作头旋转关节靠近或远离待拆卸螺母:前工作头弹性关节用于连接前工作头移动关节和前工作头旋转关节,其作用是被动适应前工作头旋转关节与待拆卸螺母的位置关系:前工作头旋转关节前端是一个六角套筒,通过前工作头移动关节移动能够抵住待拆卸螺母,然后前端的六角套筒旋转旋开待拆卸螺母。

3.4后作业手臂设计

如图6所示,后作业手臂包括后工作头连接座、后工作头移动关节、后工作头回转关节驱动电机、连接支撑板、后工作头夹紧关节驱动电机、后工作头弹性关节、后工作头夹紧关节。后工作头连接座安装在控制箱体底板上,是后作业手臂的安装基座;后工作头移动关节连接后工作头连接座,其作用是使后工作头夹紧关节靠近或远离待拆卸螺栓的六角头;后工作头回转关节驱动电机与后工作头移动关节连接,驱动连接支撑板带动后工作头夹紧关节旋转;连接支撑板用于连接后工作头回转关节驱动电机和后工作头夹紧关节驱动电机;后工作头夹紧关节驱动电机安装在连接支撑板,其作用是用于驱动后工作头夹紧关节的夹紧与松开;后工作头弹性关节用于连接后工作头夹紧关节驱动电机和后工作头夹紧关节,其作用是被动适应后工作头夹紧关节与待拆卸螺检六角头的位置关系;后工作头夹紧关节前端是一个夹持机构,在后工作头夹紧关节驱动电机驱动下能够夹住待拆卸螺栓的六角头,待前工作头旋转关节旋下金具连接螺栓的螺母后,后工作头夹紧关节夹住待拆卸螺栓的六角头在后工作头移动关节带动下抽出金具连接螺栓。

图6 后作业手臂结构示意图

4结论

针对更换悬垂绝缘子操作任务的实际需求,本文提出了一种新型输电线路悬垂绝缘子串更换装置。本装置具有结构简单、安全性好、作业方式简单、作业效率高等特点,而且可适应不同尺寸的多种类型悬垂绝缘子串,具有一定的实用价值。该装置的特点如下:

(1)对不同类型的悬垂绝缘子串适应能力强。本装置爬行移动方式不依赖绝缘子串本体,可适应不同尺寸的多种类型悬垂绝缘子串。

(2)对绝缘子串表面无磨损。由于爬行驱动部分不接触绝缘子串,因此对绝缘子表面不会造成磨损。