高压配网设备绝缘化装置改造研究

一、引言

项目背景

高压喷射式熔断器作为电力行业城乡输配电系统的重要设备，能够实现全量程保护。然而，目前线路上运行的传统型高压喷射式熔断器存在上下桩头接线裸露的问题，这一问题直接影响了供电可靠性。三相熔断器的接线裸露点暴露在高空中，自然形成跨接平台，极易因异物侵入而导致相间短路故障，对输配电系统的安全运行构成严重威胁，是电力行业亟待解决的问题。

二、研究水平综述

（一）相关技术发展历史回顾

本项目研究涉及的机械及微电脑控制等技术，经过多年的发展与应用已较为成熟。但由于在高空中的高压熔断器受到场地、空间等限制，要实现快速、准确、安全且不停电的大规模绝缘化改造，仍面临一定的技术难度。这就要求所研发的装置需具备有效的电力运行保护功能，同时能够抗雨水风雪侵蚀，且自身强度与绝缘性能良好。本项目将基于现有实际装置，进行定制化、匹配化研究。

（二）研究现状与发展趋势

目前已有相关的理论研究，部分机构也对高压喷射式熔断器本身进行了改进设计，开发出封闭式高压喷射式熔断器，在一定程度上解决了桩头接线裸露影响供电可靠性的问题。但对于目前电力行业城乡输配电系统中大量应用的原有高压喷射式熔断器，针对其在带电操作条件下进行有效绝缘防护的实际应用研究尚未见报道。

三、产品设计与主要技术指标

（一）产品设计示意图

图1 产品三维示意图

（二）主要技术指标- 适用温度： -5^qC～+40^qC - 材料：非金属材料

四、高压配网设备绝缘化装置设计与实施方案

（一）研究内容

依据现有熔断器图纸上需要保护的具体区域尺寸，设计能够将该区域包裹住的保护装置结构。采用两半对称式结构，通过左右两个外壳的合并将被保护区域封装于内。同时，根据熔断器的功能，在需要保护区域内将需要裸露在外的接线柱位置的保护解除，使接线柱部位不被保护外壳所罩住。

（二）方案设计

1.第1款设计：根据熔断器实物尺寸将需要保护的部位完全遮盖，通过保护装置表面打孔、攻螺纹的方式利用螺栓进行紧固。但经实际安装验证，螺栓紧固方式在高空作业时不便。

2. 第 2 款设计：针对第 1 款设计的固定方式进行改进，采用夹子式开合设计，工作人员双手捏紧夹子后端，后端弹簧压缩实现保护装

置张开，放开后弹簧释放实现合并，但其夹子开口置于保护装置上端。

实际安装时发现，工作人员需爬更高高度操作。

3. 第 3 款设计：将夹子的开口方向调整为向下，方便工作人员从下到上对熔断器进行封闭保护。但实际安装时，因熔断器左右两侧竖直向下的杆子阻挡，导致安装失败。

4. 第 4 款设计：采取从侧面开口伸向对侧的方式，工作人员在高空中甚至可通过专用工具按压夹子两侧实现开合。弹簧位于黄色与蓝色侧板之间，通过专门的弹簧孔固定，按压侧板时弹簧压缩，保护装置打开，放开后弹簧恢复，保护装置关闭。弹簧不与熔断器直接接触，可采用金属材质增加强度。

5. 第 5 款设计：第 4 款基础上，对熔断器顶部螺丝和连接线缆的一部分区域进行覆盖设计，进一步降低短路可能性。同时，在保护外壳左右两边增加磁吸石，避免左右两半外壳关不紧、闭不牢的问题。

（三）实施方案

1. 熔断器保护装置实施方案

熔断器保护装置二维设计图见图 2。左、右两侧尾板内侧分别设计有两个插销键和弹簧销孔，位置上、下错开排列，合并时无干涉，可形成插入弹簧销的通孔。左、右两侧合并后，通过尼龙材质的贯通柱棒和弹簧连接，按压弹簧时前端伸长处可张开一定角度，便于安装到熔断器需要保护的位置。

图2 保护装置二维设计图

使用时，用手向中间挤压两侧尾板，连接弹簧受力压缩，保护装置前端左、右两侧盖板向两边张开，可顺利插入熔断器被保护部分。安装好后，松开手弹簧恢复原状，前端盖板在弹簧压力下闭合，完成安装。

2. 熔断器保护装置尺寸设计

熔断器保护装置尺寸依据熔断器被保护部分的具体尺寸确定，在测量后进行设计。针对熔断器上突出的需连接线缆的螺钉，考虑到线缆连接端部的短路断电风险，根据突出部分尺寸进行闭合保护设计，确保保护装置合拢后形成完整保护。尺寸设计见图3、4

图3 熔断器保护装置左侧尺寸设计图

图4 熔断器保护装置右侧尺寸设计图

3. 熔断器保护装置强度设计

装置 3 维建模完成后，通过 3D 打印形成实体。选取纤维增强塑料为打印材料。项目组通过 GB/T 1448-2005 纤维增强塑料压缩性能试验方法，进行抗压强度和应力- 应变关系试验。

- 抗压强度：FRP 的抗拉强度几乎取决于组成纤维，树脂强度远低于纤维。采用挤压成型工艺生产 FRP 束时，纤维排列偏差和初始应力会影响强度，基于高安全储备，推荐使用 3 倍标准差，此时失效概率约为 0.1% 。

- 应力 - 应变关系：试验得出 FRP 束的应力 - 应变基本呈线性关系，极限应变比钢筋小。其弹性模量较低，但抗拉强度与钢筋相差不大，且抗拉强度远高于钢筋，弹性模量与钢筋接近，低弹在开裂后会产生较大挠度。

4. 操作工具设计路线与动作实施

操作工具分为上下两部分。上端为有机塑料制成的机械手，分左右两侧，保护装置两侧尾板可完整插入机械手两侧凹槽内卡住，机械手上连接拉绳，通过绳子拉紧与放开控制机械手开合。

操作工具下端为支撑杆和卡槽。支撑杆长度可根据人手与高空的距离调整，保证操作人员在地面可直接对高空中的熔断器进行操作。

5. 有限元分析计算

- 受热形变：设定熔断器中间段受热至 55°C ，逐渐向外传递，模型外面与空气对流。环境温度为 20% 时，在夹持部分内壁施加热流量 55℃，热量向外传导，夹持部分内壁温度升至 25°C ，材料中间受热部分膨胀变形，最大变形量在最右端，为 9.479mm ，最大应力在夹扣处，为 21.45MPa 。

- 受力形变：对夹子部分施加 0.1MPa 力，右侧因左侧变形产生向下变形压在工件上，最大变形在夹子处，为 1.6mm ，最大应力在夹扣处，为 1.34MPa

- 热力耦合形变：温度对材料的影响大于应力，夹持部分受热变形膨胀，最大变形量在最右端，为 9.426mm ，最大应力在夹扣处，为22.3MPa 。

综上所述，最大应力集中在夹子的卡扣处，需加强该部分强度。针对此，对夹子卡扣处进行优化设计，保证在复合工况下薄弱部位不断裂。

五、结论

1. 喷射式熔断器防护装置绝缘化保护装置外观新颖，设计简洁大方，完全符合设计要求，对熔断器关键区域进行了绝缘化安全保护，增加了熔断器的使用寿命。设计过程充分考虑了高空作业人员操作的便利性、安全性，具有较高的实用价值。

2. 专用操作工具解决了人员高空安装的难度，实现了人员在地面可方便地安装保护装置，并通过多次安装实验优化了操作工具结构，提升了操作便利性。

3. 绝缘化保护装置若能在电力行业推广，具有较高的经济价值。本成果经过技术鉴定后将进一步完善，并开发出用于实际输电线路的产品，可应用于城乡众多的输电线路。

4. 项目已完成申报两项国家专利。

基金项目和编号：2023 年国网上海市电力公司研究开发项目“喷射式熔断器不停电绝缘化改造装置的研制”编号：52090E230001

作者简介：李鑫，男，1982 年生人，毕业于英国利物浦大学运营与供应链管理专业，硕士研究生学位，工程师，高级物流师，上海恒能泰企业管理有限公司利永电力分公司副总经理，主要从事电力系统物资供应链管理、电力设备采购管理、仓储管理、运输管理、车辆服务管理、电力技术研发等工作。拥有主持科技研发、创新项目经验，专业领域涉及电力技术、物资供应链、节能、信息等，并多次获得市公司“科技进步奖”、“专利成果奖”等专业奖项。