技术领域
[0001] 本
发明涉及电
力工程技术领域，尤其涉及一种更换绝缘子的卡具。
背景技术
[0002] 特高压输电线路具有杆塔高、塔头尺寸大、
导线分裂数多、绝缘子片数多、吨位大的特点，目前对于1000kV线路带电更换单片绝缘子所使用的器具为绝缘子更换卡具，其中闭式卡具是常见的一种，是输电线路检修中更换玻璃或瓷质绝缘子时的一种金属卡具，使用时将绝缘子更换卡具卡在待更换绝缘子前后两片绝缘子
钢帽上，收紧
丝杆将待更换绝缘子上的荷载转移至卡具上，从而进行绝缘子的更换。主要材质通常为强度较大的
钛合金材料，然而随着
电压等级的升高，绝缘子的外形尺寸和重量随即增大，导致卡具的强度要求也越大，所以重量也越大，1000kV特高压线路的钛合金卡具重量为25-30kg。由于卡具的笨重，作业人员很难在1000kV特高压线路上更换绝缘子，这大大降低了带电作业的效率，增加带电作业绝缘子更换的难度。同时，对于1000kV特高压线路，其对应的是420kN型绝缘子，而对于420kN型绝缘子，现有的卡具无法承受如此大的荷载。
发明内容
[0003] 有鉴于此，本发明提出了一种重量轻、承受较大荷载的更换绝缘子的卡具。
[0004] 本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供一种更换绝缘子的卡具，包括：前卡箍、后卡箍和两个液压丝杆，所述前卡箍和后卡箍均包括固定部和转动部，所述固定部一端与转动部一端之间铰接，另一端与转动部另一端可
锁紧，所述固定部与转动部之间形成与绝缘子钢帽相适配的孔，前卡箍的固定部两侧与后卡箍两侧通过液压丝杆连接以调节前卡箍和后卡箍之间的距离，固定部和转动部内部沿其横截面方向开设有空腔，空腔内沿周向设有主肋空腔内沿径向设有多个副肋，主肋和副肋均沿固定部或转动部截面方向延伸并与固定部或转动部前后壁固连，多个副肋均穿过主肋并与空腔上下内壁固连，所述固定部、转动部、主肋和副肋均由
碳纤维材料制成。
[0005] 在以上技术方案的
基础上，优选的，所述主肋和副肋均由多个
碳纤维片材叠合铺层而成，主肋和副肋纤维方向沿0°/90°循环铺层。
[0006] 进一步优选的，固定部下端开设有半圆形的第一卡孔，转动部上端开设有半圆形的第二卡孔，第二卡孔的一侧与第一卡孔的一侧铰接，第二卡孔的另一侧与第一卡孔的另一侧通过
螺栓锁紧，第一卡孔和第二卡孔之间形成绝缘子钢帽相适配的孔。
[0007] 进一步优选的，所述固定部上端中部呈弧形弯曲且两端呈
水平延伸，所述固定部内的主肋对应固定部中部处呈弧形弯曲且两端呈水平延伸。
[0008] 进一步优选的，还包括
套管，固定部两端分别套设于套管内，液压丝杆的两端分别与前卡箍和后卡箍上的套管连接。
[0009] 进一步优选的，还包括
垫片，所述垫片分别固定贴合在第一卡孔和第二卡孔的内壁上。
[0010] 进一步优选的，固定部内的主肋与空腔的弧形弯曲处的上壁面之间的距离为15～17mm，固定部的主肋的水平处与空腔的水平处的下壁面之间的间距为10～12mm，固定部内的主肋的宽度为9～11mm，固定部内的相邻副肋之间的距离为3～5mm，固定部内的副肋的宽度为4～6mm。
[0011] 进一步优选的，转动部下端向上呈弧形弯曲状，所述转动部内的主肋向上呈弧形弯曲状，转动部内的主肋与空腔上壁面之间的距离为15～17mm，转动部内的相邻副肋之间的距离为3～5mm，转动部内的主肋的宽度为9～11mm，转动部内的副肋的宽度为4～6mm。
[0012] 进一步优选的，套管和垫片均由
铝合金材料制成。
[0013] 本发明的更换绝缘子的卡具相对于
现有技术具有以下有益效果：
[0014] (1)本发明的更换绝缘子的卡具，在固定部和转动部内设置主肋和副肋，主肋和副肋之间形成
辐条形格栅结构，这样可提高卡具的抗弯矩能力，同时由于碳纤维材料
质量轻，且使空心结构，可减轻卡具的重量；
[0015] (2)本发明的更换绝缘子的卡具，主肋和副肋的铺层
角度采用0°，90°的
正交铺层方式，这种铺层方式有利于碳纤维空心辐条形格栅结构的加工，且绝缘子更换卡具主要受弯曲力，这种铺层方式能有效提高卡具的整体抗弯能力；并具体限定主肋、副肋厚度、主肋与固定部或转动部之间的间距和副肋之间的间隔，通过
有限元分析，表明该卡具满足1000kV特高压输电线路420kN型瓷绝缘子额定负载力学性能要求；
[0016] (3)本发明的更换绝缘子的卡具，通过设置套管，可避免液压丝杆与固定部直接连接，避免在固定部两端打螺栓孔，进而破会碳纤维的强度。
附图说明
[0017] 为了更清楚地说明本发明
实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0018] 图1为本发明的更换绝缘子的卡具的立体结构示意图；
[0019] 图2为本发明的前卡箍、后卡箍的立体结构示意图；
[0020] 图3为本发明的固定部的截面示意图；
[0021] 图4为本发明的转动部的截面示意图；
[0022] 图5为图3中圆圈处的放大图；
[0023] 图6为本发明的前卡箍有限元模型网格示意图；
[0024] 图7为本发明的前卡箍有限元模型约束耦合示意图；
[0025] 图8为本发明的前卡箍具有限元模型边界条件示意图；
[0026] 图9为本发明的更换绝缘子的卡具的位移-荷载曲线图。
具体实施方式
[0027] 下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
[0028] 如图1～9所示，本发明公开了一种更换绝缘子的卡具，包括：前卡箍1、后卡箍2、两个液压丝杆3、主肋4、副肋5、套管6和垫片7。
[0029] 前卡箍1、后卡箍2，其用于卡紧前后绝缘子，具体的，前卡箍1、后卡箍2均包括固定部11和转动部12，固定部11一端与转动部12一端之间铰接，另一端与转动部12另一端可锁紧，固定部11和转动部12之间形成与绝缘子钢帽相适配的孔，通过该孔将绝缘子钢帽卡紧，具体的，固定部11下端开设有半圆形的第一卡孔14，转动部12上端开设有半圆形的第二卡孔15，转动部12靠近第二卡孔15的一侧与固定部11靠近第一卡孔14的一侧铰接，而转动部12靠近第二卡孔15的另一侧与固定部11靠近第一卡孔14的另一侧通过螺栓锁紧，如此，第一卡孔14和第二卡孔15之间形成绝缘子钢帽相适配的孔，通过该孔即可将绝缘子钢帽卡紧。
[0030] 两个液压丝杆3，其用于调节前卡箍1和后卡箍2之间的距离，具体的，前卡箍1的固定部两侧与后卡箍2两侧通过液压丝杆3连接，通过液压丝杆3的伸缩来调整前卡箍1和后卡箍2之间的距离。
[0031] 主肋4和副肋5，其位于固定部11和转动部12内部，以提高卡具的荷载能力，具体的，固定部11和转动部12内部沿其横截面方向开设有空腔13，空腔13内沿周向设有主肋4，空腔13内沿径向设有多个副肋5，主肋4和副肋5均沿固定部11或转动部12截面方向延伸并与固定部11或转动部12前后壁固连，多个副肋5均穿过主肋4并与空腔13上下内壁固连，固定部11、转动部12、主肋4和副肋5均由碳纤维材料制成。固定部11上端中部呈弧形弯曲且两端呈水平延伸，固定部11内的主肋4对应固定部11中部处呈弧形弯曲且两端呈水平延伸。转动部12下端向上呈弧形弯曲状，转动部12内的主肋4向上呈弧形弯曲状。即主肋4和副肋5之间形成辐条形格栅结构，这样可提高卡具的抗弯矩能力，同时由于碳纤维材料质量轻，且是空心结构，可减轻卡具的重量。
[0032] 该卡具更换绝缘子的具体方法为：通过液压丝杆，调整前卡箍1和后卡箍2之间的距离，使前卡箍1和后卡箍2之间的距离与待更换绝缘子邻近的两个绝缘子钢帽
位置相适应，然后将前卡箍1和后卡箍2卡紧在需更换绝缘子串两侧相邻绝缘子的钢帽上，然后通过液压丝杆收紧前卡箍1和后卡箍2之间的距离，将待更换绝缘子上的荷载转移至卡具上，从而进行绝缘子的更换。
[0033] 进一步的，主肋4和副肋5均由多个碳纤维片材叠合铺层而成，主肋4和副肋5纤维方向沿0°/90°循环铺层。如图5所示，显示了主肋4和副肋5的铺层方式，即主肋4和副肋5的铺层角度采用0°，90°的正交铺层方式，这种铺层方式有利于碳纤维空心辐条形格栅结构的加工，且碳纤维绝缘子更换卡具主要受弯曲力，这种铺层方式能有效提高卡具的整体抗弯能力。
[0034] 套管6，固定部11的两端分别套设于套管6内，液压丝杆3的两端分别与前卡箍1和后卡箍2上的套管6连接，实际中液压丝杆3与套管6均开设有
螺纹孔，液压丝杆3与套管6之间通过螺栓连接固定，通过设置套管6，可避免液压丝杆3与固定部11直接连接，避免在固定部11的两端打螺栓孔，打孔会破坏碳纤维的连续性，进而破会碳纤维的强度。
[0035] 垫片7，其分别固定贴合在第一卡孔14和第二卡孔15的内壁上，如此在前卡箍1和后卡箍2卡紧绝缘子钢帽时，垫片7与绝缘子钢帽
接触，避免碳纤维与绝缘子钢帽接触，而损坏碳纤维。
[0036] 套管6、垫片7均由
铝合金材料制成，铝合金材料质量轻，可减轻卡具的重量。
[0037] 为了进一步提供卡具的荷载能力，固定部11的最小厚度为10mm，固定部11内的主肋4与空腔13的弧形弯曲处的上壁面之间的距离为15～17mm，即图3中a的间距为15～17mm，固定部11的主肋4的水平处与空腔13的水平处的下壁面之间的间距为10～12mm，即图3中c的间距为10～12mm，固定部11内的主肋4的宽度为9～11mm，固定部11内的相邻副肋5之间的距离为3～5mm，即图3中b的间距为3～5mm，固定部11内的副肋5的宽度为4～6mm。转动部12内的主肋4向上呈弧形弯曲状，转动部12的最小厚度为10mm，转动部12内的主肋4与空腔13上壁面之间的距离为15～17mm，即图4中e的间距为15～17mm，转动部12内的相邻副肋5之间的距离为3～5mm，即图4中d的间距为3～5mm，转动部12内的主肋4的宽度为9～11mm，转动部12内的副肋5的宽度为4～6mm。
[0038] 以下采用ABAQUS有限元分析
软件，使用渐进损伤分析方法，以Hashin准则作为碳纤维失效的判据，Camanho
刚度退化模型为碳纤维材料参数退化模型，对碳纤维绝缘子更换卡具进行力学性能分析。
[0039] 在ABAQUS软件的用户自定义程序中定义Hashin准则和材料参数退化模型，Hashin准则具体形式为：
[0040] 纤维方向失效模型：
[0041]
[0042] 基体方向失效模型：
[0043]
[0044] 式(1)中σxx为纤维方向的
应力，σxy为碳纤维平面内纤维方向和基体方向的
剪切应力；XT和XC分别为碳纤维纤维方向的拉伸强度和压缩强度，S12为碳纤维平面内纤维方向和基体方向的剪切强度。式(2)中σyy为基体方向的应力；YT和YC分别碳纤维基体方向的拉伸强度和压缩强度。若FXT≥1，表示碳纤维纤维方向因拉伸而失效，反之没有。同理，FXC、FYT、FYC也是。
[0045] 材料参数退化模型为包括以下类型的开裂
[0046] 基体拉伸或剪切开裂：
[0047] E′2＝0.2E2，G′12＝0.22G12，υ′12＝0.15υ12
[0048] 基体压缩或剪切开裂：
[0049] E′2＝0.4E2，G′12＝0.4G12，υ′12＝0.15υ12
[0050] 纤维拉伸断裂：
[0051] E′1＝0.07E1，E′2＝0.07E2，G′12＝0.07G12，υ′12＝0.07υ12
[0052] 纤维压缩断裂：
[0053] E′1＝0.14E1，E′2＝0.14E2，G′12＝0.14G12，υ′12＝0.14υ12
[0054] 基体拉伸或剪切开裂和纤维拉伸断裂均发生：
[0055] E′1＝0.07E1，E′2＝0.2E2，G′12＝0.22G12，υ′12＝0.15υ12
[0056] 基体压缩或剪切开裂和纤维压缩断裂均发生：
[0057] E′1＝0.14E1，E′2＝0.4E2，G′12＝0.4G12，υ′12＝0.15υ12
[0058] 式中Ei，Gij，υij(i，j＝1、2)分别为碳纤维材料未失效的
弹性模量、
剪切模量和泊松比；E′i，G′ij，υ′ij分别为碳纤维材料失效后的弹性模量、剪切模量和泊松比。
[0059] 由于碳纤维绝缘子更换卡具的前、后卡箍外形尺寸和受力一样，所以在进行有限元分析时，只需选取其中前卡箍或后卡箍进行分析即可。本
专利选用碳纤维绝缘子更换卡具前卡箍为研究对象，建立有限元分析模型，有限元模型单元采用C3D20R实体单元，采用映射网格划分，如图6所示。将碳纤维绝缘子更换卡具有限元模型的两翼端部分别耦合到RP-1和RP-2两点上，用于模拟液压丝杆加载，如图7所示。图8所示的是碳纤维绝缘子更换卡具的约束与加载，边界条件约束了碳纤维绝缘子更换卡具模型中间圆圈的六个
自由度，对RP-1和RP-2两点施加了Z轴方向的位移荷载。这种约束和加载能更好的模拟实际闭式卡具的工作情况。最后调用用户子程序，提交求解器进行有限元渐进损伤分析。
[0060] 在ABAQUS的一个时间增量步里，碳纤维绝缘子更换卡具有限元模型在位移荷载的作用下，首先进行应力分析，得到每一个单元的应力；然后将每个单元的应力带入Hashin失效准则进行失效判定；若单元失效，则根据失效形式，相应的对单元进行材料性能退化设置。完成这些后再进行下一个时间增量步的应力分析，以此循环，直到满足终止计算条件。渐进损伤计算分析的终止条件需满足以下两个条件之一：(1)计算施加位移
载荷达到设定预期位移载荷；(2)碳纤维层合板的整层纤维破坏损伤，导致整个碳纤维层合板失效。采用渐进损伤分析方法计算得到的碳纤维绝缘子更换卡具的位移-荷载曲线如图9所示，最大承受荷载为472.9kN，满足强度要求。将计算结果与力学试验结果对比得到误差在10％以内，为7.35％，满足误差要求。
[0061] 以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
