一種測量絕緣子內徑的新型卡鉗的研發與應用

朱洪波，張慶平，蔡建輝，楊　凱，馬智強，劉世濤，郝金鵬，李秀廣

（國網寧夏電力有限公司電力科學研究院，寧夏　銀川　750011）

輸電線路的防污閃工作對于電力系統的安全穩定運行至關重要，但隨著城市工業的發展，空氣中的排放物日益增加，使得該地區的污穢等級提高，輸電線路運行的環境變得更加復雜，因此后期的運維工作就顯得更為關鍵［1-3］。在輸電線路絕緣子的運維過程中，需要定期測量絕緣子表面的污穢度，以安排定期清掃和噴涂防污閃涂料。絕緣子的污穢度由等值鹽密和灰密兩個指標來確定。在測量絕緣子的等值鹽密和灰密過程中，需要測量絕緣子的內徑和表面積［4-5］。目前工程應用中估算絕緣子表面積主要采用將絕緣子表面分解成若干個圓臺，通過用卡鉗測量圓臺的直徑，計算圓臺表面積，然后求和得到絕緣子的表面積［6］，但隨著輸電線路電壓等級的不斷上升，絕緣子形狀更為復雜，尺寸更大，下表面的棱槽變得更深，大噸位鐘罩型絕緣子下表面棱槽深度已經超過了傳統的內卡鉗和外卡鉗可以測量的深度，致使大噸位鐘罩型絕緣子內徑和表面積的工程測量面臨前所未有的挑戰。

本文從工程實際出發，研究設計了一種實用型測量絕緣子棱槽內徑的卡鉗工具，不僅適用于大噸位鐘罩型絕緣子下表面棱槽內徑的測量，而且最大程度地保證了測量效率與測量精度，促進了輸電線路防污閃工作的深入開展。

1　絕緣子棱槽內徑及表面積的數值計算

絕緣子一般為軸對稱圖形，將絕緣子表面劃分為許多小圓環,，則絕緣子的表面積由圓矩體和弧線圓臺的側面組成,圓柱體的側面積計算公式為

式中：y—圓柱體的直徑；

ds—圓柱體的側邊高。

整個旋轉體的側面積可以通過對弧長的積分得到，見式（2）：

為了求得旋轉體的表面積，需要確定表面曲線函數y=f(x)，但是在實際測量絕緣子表面積的過程中通常不知道曲線的函數表達式，因此可以通過在絕緣子的表面取點，對曲線進行擬合，其計算的精度取決于曲線擬合的精度［7-9］。從理論上來說，這種方法可以取得很高的精度，但是實際應用中并不適用［10］，而是采用一系列的圓臺側面積疊加去逼近旋轉體表面積的方法。

圖1　圓臺側面積展開圖

如圖1所示，設圓臺的上下底面半徑分別為r、R，母線長l，其側面展開圖是一個扇環，小扇形的弧長為2πr，大扇形的弧長2πR，如果小扇形的半徑為x，則大扇形的半徑為x+l，則存在：

圓臺的面積為

所以，單個圓臺的表面積為

式中：S1—圓臺的表面積；

R、r—圓臺上下面半徑；

D1—圓臺上下面半徑和；

ΔL—圓臺的側面長度。

整個絕緣子的表面積為

當等分該曲線（爬距）的數量n越大（即ΔL越?。?，則絕緣子表面積的計算值越接近實際值，這時可以用該曲線各等分中任意一點處的直徑代替圓臺的平均直徑，即將圓臺近似為圓柱體，這樣絕緣子表面積的近似計算公式為

測量絕緣子的表面積只需將其沿泄露距離方向分成n份，再將各份中的任意一點的直徑測出，即可計算出總的表面積，如果將絕緣子的泄露距離按1 cm等分，則總的表面積為

可見，絕緣子復雜曲面旋轉體的表面積可以通過一系列的圓臺來逼近，只需精確地測出這些旋轉體的直徑和弧長，就很容易計算出絕緣子的表面積［11］，所以研發一套能在工程應用中精確測量各種噸位、各種型號絕緣子內徑的卡鉗工具就顯得很重要。

2　卡鉗工具的研發

2.1　卡鉗的研發

本文研究的主要目的在于為工程實際提供一種用于測量絕緣子棱槽內徑及表面積的分段式卡鉗，使絕緣子下表面棱槽的內徑得以直接精確測量，便于精確估算絕緣子的表面積,為實現上述目的，本文采用以下技術方案。

分段式卡鉗的鉗臂采用三段式結構，分為大臂、中臂和小臂。大臂的目的是橫跨絕緣子表面的法向長度，中臂的目的是將小臂伸入絕緣子下表面的棱槽內部，小臂的目的是指向需要測量直徑的點。所有鉗臂采用304不銹鋼制備。

鉗臂之間使用鉚釘鉚接，鉚接的方式采用的是活動鉚接，保證鉗臂之間可以180°轉動，同時保持一定的摩擦使鉗臂之間不會滑動。鉚釘使用307不銹鋼制備，是中空的管狀結構。在鉚釘的末端通過撐大內徑使鉚釘緊固，其具體結構如圖2所示。

圖2　卡鉗示意圖

2.2　具體實施方式

現對實用型卡鉗的使用方法作詳細說明，實際測量示意圖如圖3所示。在使用該套卡鉗測量絕緣子內徑時，包括以下幾個步驟：

（1）將絕緣子倒立在水平面上，選定需要測量直徑的兩個測量點；

（2）將大臂打開，擴大其角度至測量點的寬度；

（3）將中臂打開，伸入到測量點的深度；

（4）手持鉚釘的位置，將分段卡鉗拿起，同時將小臂旋轉至臂端與兩個測量點接觸；

（5）將分段卡鉗垂直取出平放在水平面上，用尺子測量兩個端點之間的間距，即可得到絕緣子表面測量點的內徑。

圖3　測量示意圖

3　實際測量及其使用效果

通過上述分析，要測量絕緣子的表面積需要把絕緣子表面劃分為許多的圓臺側面，而確定這些圓臺的側面積需要測量上底和下底直徑以及斜邊高（弧長）［12］。在實際測量中坐標紙可以很好地實現對絕緣子表面弧線的剖分，從粘貼在絕緣子表面的坐標紙上可以得到所有圓臺的斜邊高（弧長），并且可以采用卡尺測量每一斜邊高（弧長）所對應的圓臺直徑，坐標紙粘貼方式如圖4所示。測量步驟如下：

（1）將準備好的坐標紙裁成細長條，并用記號筆在上面每隔1 cm依次標上0、1、2、3、…、n；

（2）將坐標紙貼在沿絕緣子徑向方向；

（3）用研發的新型卡鉗依次根據坐標紙上標識的坐標值，分別測量直徑值，并做好記錄；

（4）在曲面變化劇烈的位置可以適當插值，即在兩坐標值之間的位置再測量一組直徑值。

圖4　坐標紙粘貼示意圖

為驗證研發的測量絕緣子棱槽內徑及表面積的卡鉗工具的功能及性能是否滿足要求，特選擇型號為XZP-420及XZP-160的瓷質絕緣子進行測量，并與廠家提供的原始設計數據進行對比。在使用研發的該套工具測出絕緣子一系列內徑后，計算出了兩種不同型號絕緣子的總表面積S總與下表面積S下，其結果如表1所示。在與原始出廠值對比后，不難發現測量誤差在5%左右，其精度完全滿足現場工程測量的需求。

表1　實測值與出廠值誤差對比

4　結論

（1）實用型測量絕緣子棱槽內徑及表面積的卡鉗工具的研發，解決了檢測人員對大噸位鐘罩型絕緣子內徑無法測量的問題，保證了現場工作的需求。

（2）實用型卡鉗工具采用分段式設計，三段不同的臂部結構，使其具有操作簡單、上手快、實用性強的特點。

（3）使用研發的實用型卡鉗可以精確測量各種型號絕緣子的內徑，不僅確保了絕緣子表面積計算精度，而且報證了現場工作效率。

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