竇 剛，鄒德仕，張繼軍，郭 鵬，張學(xué)東，盧聲彥

（大連電瓷集團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，我國將大力發(fā)展電力工業(yè)，重點突出結(jié)構(gòu)電網(wǎng)建設(shè)和調(diào)整。將國家電網(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。伴隨著我國電網(wǎng)的不斷建設(shè)和發(fā)展，對電網(wǎng)運行提出了更高的安全要求。

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

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）運動時，鐵帽軸線與鋼腳軸線的關(guān)系。腳球在帽窩中的滑動位置見圖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]，選擇用圖解法進行計算，將帽窩和腳球按照1:1進行二維繪圖，對發(fā)生滑動時會產(chǎn)生接觸的面進行約束，尋找該尺寸下腳球在帽窩中的最佳滑動位置。在繪圖過程中，當帽窩尺寸取正公差，鋼腳尺寸取負公差時，α角取最大值；當帽窩尺寸取負公差，鋼腳尺寸取正公差時，α角取最小值。以本廠現(xiàn)使用的鐵帽和鋼腳尺寸為依據(jù)，算出的各等級球窩聯(lián)接的α角數(shù)值見表1。

表1 各等級球窩聯(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，但是在滑動過程中，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)定了各等級球窩聯(lián)接的帽窩和腳球的公稱尺寸及公差，但是沒有36與40兩種聯(lián)接方式。隨著國內(nèi)特高壓電網(wǎng)的不斷發(fā)展，更高強度等級的產(chǎn)品應(yīng)運而生，如額定機電破壞負荷為760 kN、840 kN懸式瓷絕緣子，伴隨著更高強度等級產(chǎn)品的到來，更高等級的球窩聯(lián)接方式也隨之出現(xiàn)。在該標準的最新送審版中對這兩種聯(lián)接方式進行了明確規(guī)定。對比表1中α角平均值可以發(fā)現(xiàn)，拋開36和40兩種聯(lián)接方式，隨著聯(lián)接等級的提高，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。

對于上述36和40聯(lián)接的異常情況，我們進行了深入研究。α角形成時，腳球上表面（r1）僅沿帽窩內(nèi)腔上表面（R1）運動，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》和該標準的最新修訂送審版，同一聯(lián)接中r1與R1的數(shù)值相同，具體數(shù)值見表2。

表2 各等級球窩聯(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，對比圖見圖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R1由55 mm增加到70 mm時，α角由3.72°降低到3.05°，即R1增大將導(dǎo)致α角變小，由于標準中R1不是隨著聯(lián)接等級的提高而增大，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，鋼腳腳球在帽窩中的傾斜運動引起的鋼腳軸線與鐵帽軸線間的角度，該運動受到帽窩內(nèi)腔上表面、帽耳內(nèi)壁和鎖緊銷上表面的限制。腳球在帽窩中的傾斜位置見圖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角的計算方法，同樣用圖解法對β角進行計算，當腳球在帽窩中處于最佳傾斜位置時求得β角。對于β角，當帽窩尺寸取正公差，鋼腳尺寸取負公差，鎖緊銷厚度取負公差時，β角取最大值；當帽窩尺寸取負公差，鋼腳尺寸取正公差，鎖緊銷厚度取正公差時，β角取最小值。β角產(chǎn)生時，腳球會擠壓鎖緊銷前端，使其與鐵帽隔板接觸，作圖時腳球下端與隔板距離始終保持為鎖緊銷厚度T，實際上在傾斜過程中，腳球下端某一點與隔板的距離會略小于T，此值無法獲取，影響很小，作圖時將其忽略。以本廠現(xiàn)使用的鐵帽、鋼腳和鎖緊銷的尺寸為依據(jù)，算出的各等級球窩聯(lián)接的β角數(shù)值見表3。

表3 各等級球窩聯(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

在用圖解法計算β角時，發(fā)現(xiàn)帽耳高度H3對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》中并未對其進行明確規(guī)定，每個生產(chǎn)廠家結(jié)合自身生產(chǎn)經(jīng)驗和鐵帽材料及生產(chǎn)工藝會確定不同的帽耳高度，這勢必會導(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β角的影響，我們以本廠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)的公稱尺寸將聯(lián)接通規(guī)畫出，與本廠16AR聯(lián)接的鐵帽進行配合，見圖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，用圖解法求出對應(yīng)的β角，數(shù)值見表4。β角與H3的關(guān)系見圖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，從圖5可看出，對H3和β曲線進行擬合，經(jīng)過多種擬合的嘗試，發(fā)現(xiàn)多項式與該曲線之間的R2值為0.999，說明趨勢線的擬合程度很高，可靠性亦很高。當其余尺寸不變時，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》和本廠生產(chǎn)過程中實際采用的聯(lián)接尺寸，用圖解法對各聯(lián)接等級的α角和β角進行計算，并對二者進行深入分析，得出以下結(jié)論：

1）當其余尺寸不變時，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?。幻倍叨菻3對α角影響很小。

2）當帽窩和腳球尺寸一定時，鎖緊銷厚度和帽耳高度H3將影響β角的大小，鎖緊銷厚度增加，帽窩空間變小，β角變?。幻倍叨菻3的增大將導(dǎo)致β角變小，但不是簡單的線性關(guān)系，本廠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：

[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)計與應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，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：中國標準出版社，2009.