一种户外终端应力锥自动脱出装置的研发
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摘 要：本文介绍了一种户外终端应力锥自动脱出装置，该装置主要用于电缆附件产品出厂例行试验，当耐压试验与局部放电试验完成后，使用该装置将户外终端应力锥从试验电缆上脱出。使用时只需要一名试验人员操作触摸控制器，设置好参数启动后，即可实现户外终端应力锥被试品自动从试验电缆上脱出。目前的人力拉拔脱出方式，一般需要两到三名试验人员同时工作，因此大大节省了人力。装置由可编程控制器控制伺服电机驱动，各项参数如行程、力量和速度均可灵活设定，保证应力锥产品在脱出的过程中受力方向平衡且受力大小均匀，降低在试验过程中形成应力锥产品损坏的概率。
關键词：电缆附件;户外终端;应力锥;例行试验;自动试验装置
1 绪论
电缆户外终端产品在电缆线路中占有重要地位，其核心组成部分户外终端应力锥预制件质量的好坏直接影响整个电缆线路的安全运行。根据国标GB/T 11017.3-2014《额定电压110kV交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件 第3部分：电缆附件》的要求，户外终端应力锥预制件产品在出厂前要进行例行出厂试验，包括绝缘耐压试验和局部放电试验，以保证产品电气性能符合运行要求。本文所述的户外终端应力锥自动脱出装置，主要应用于例行出厂试验完成后将被试品从试验电缆上脱出，整套装置的主要执行部分采用可编程控制器控制伺服电机驱动，因此可以保证施加在被试品上的力量稳定，脱出速度可控，同时可通过机械结构设计保证被试品各向受力平衡，通过装置配套的可触摸控制器，只需要一名工作人员操作并设置参数，即可实现原先需要两到三人才能完成的工作，综上，本装置能够在保证被试品安全脱出的同时，节省人力。
2 现有技术
国标对于电缆附件产品出厂试验的具体要求是，每个预制附件的主绝缘应经受局部放电试验和电压试验，试验方法可以选择在安装于电缆的附件上进行，或者主绝缘部件部件装在专供试验的附件上进行，又或者采用模拟附件装置进行试验，使主绝缘部件所受的电场强度再现实际电场情况，进行局部放电试验时，试验电压应逐渐升到1.75U0并保持10s，然后慢慢地降到1.5U0，在1.5U0下，被试品应无超过申明灵敏度的可检测的放电。电压试验应在环境温度下以工频交流电压进行，试验电压应施加在导体和金属屏蔽/金属套间逐渐地升到2.5U0，然后保持30min，试验时被试品绝缘应不发生击穿。[1]当前大多数国内电缆附件厂家对户外终端应力锥预制件产品进行例行出厂试验的方式是，准备一根配套的试验用电缆，该电缆按实际成套户外终端产品安装时的尺寸和要求进行处理，试验用电缆的安装外径尺寸往往可以适用于几种不同规格型号的被试品，这是因为，电缆附件产品在设计时，其孔径与电缆的安装外径之间的过盈量是一取值范围，而不是一固定值，事实上，在实际工程应用中也存在这种情况，即在满足安装过盈量以及应力锥预制件抱紧力的前提下，不同规格型号的产品可以替换使用。值得说明的是，试验用电缆经过切割、剥切、打磨等一系列处理之后将作为一件试验工装长期使用，直至其不再符合使用要求时报废。准备工作完成后由两到三名试验人员将被试品套装在试验电缆上并推动到位，安装好配套组件，检查接线准确无误后进行例行出厂试验。试验完成后，试验人员拉拔被试品将其从试验电缆上脱出。目前国内设计的电缆户外终端应力锥预制件产品与配套电缆套装完成后，两者之间界面压力很大，一般在0.1MPa到0.3MPa之间，[2]因此无论是在试验前安装被试品的推入过程，还是在试验完成后脱出被试品的拉拔过程中，被试品与试验电缆外表面之间存在很大的摩檫力，尽管在套装时会涂抹润滑硅脂等辅助润滑剂减小摩擦，但由于人力操作时，两到三名试验人员同时用力，力道的大小、方向、速度都不平衡且无法控制，很可能造成被试品内表面半导电胶与绝缘胶粘合界面的剥离缺陷，这种剥离缺陷往往很细小，不易察觉，但存在这种缺陷的产品一旦投入使用，将为电力电缆线路的安全运行埋下巨大隐患。
3 装置简述
户外终端应力锥自动脱出装置的主要研发思路是，有一运动方向、运动速度以及推力大小可控的执行机构沿水平方向做往复的机械运动，当该执行机构沿脱出方向运动时，与执行机构相连的某一零件到达被试品处，执行机构继续运动，将被试品推动直至从试验电缆上脱出;当被试品进行各项电气性能试验时，执行机构应该能够收缩的尽量短，以保证不影响试验的正常进行。因此，选择合适的执行机构是在研发过程中首先需要解决的问题。在市场上现有的符合上述要求的设备中，确定了电缸和气缸为主要的比选对象。电缸又称为电动缸，是实现高精度直线运动的产品，以电力作为直接动力源，具有像气缸类似的运动特征的一种执行元件，电缸控制方便，在工业设备上应用广泛，电缸通常用马达带动各种螺杆或同步轮旋转，通过螺母或皮带化为直线运动，并推动负载运动。气缸是利用气压传动种将压缩空气的压力转换为机械能，驱动机构运动的执行元件。气缸的组成部分包括缸筒、端盖、活塞、活塞杆和缓冲柱塞、缓冲节流阀。当无杆腔输入压缩空气时，有杆腔排气，气缸两腔的压力差作用在活塞上所形成的力克服阻力负载推动活塞运动，使活塞杆伸出;当有杆腔进气，无杆腔排气时，使活塞杆缩回。若有杆腔和无杆腔交替进气和排气，活塞实现往复直线运动。由于气缸存在配件多，设备整体体积较大、控制精度比电缸差等问题，因此最终选择电缸作为本装置的执行机构。
图1为户外终端应力锥自动脱出装置的结构示意图。图中试验电缆的长度以及被试品的安装位置均符合国标相关试验要求。全套试验装置组成部分主要有：屏蔽环、试验电缆、应力锥推板、电缸固定板、电缸组件、电缆抱箍、主支架及控制器。使用方法为：被试品进行试验的过程中，电缸不工作，静止在行程最短处。当被试品试验完成后，关闭试验设备电源，将试验装置安全接地，拆除高压加压线，取下两端的屏蔽环，打开装置开关，在触摸控制器触控屏上输入工作参数值，随后启动电缸，电缸启动后带动应力锥推板向电缆端部方向移动，随后应力锥推板与应力锥端面接触，应力锥推板继续运动推动应力锥向脱出方向滑移，最终与试验电缆脱离。应力锥脱出后，电缸反向运动，回到行程最短处后停止运动，关闭装置开关，试验人员开始准备进行下一组试验。
4 设计改进
在试制的工程中发现，由于应力锥推板只与被试品的一个端面接触，当被试品与试验电缆之间的过盈配合量较大即抱紧力较大时，会造成被试品受力不均，形成局部应力集中现象。因此，将应力锥推板做了设计改进，将原先的应力锥推板改为由锥托与锥托固定板组成的推动组件，推动组件有多种尺寸规格，对应不同型号的被试品。
图2为设计改进前应力锥推板与被试品的接触面积示意图，图3为设计改进后锥托与锥托固定板形成的推动组件与被试品的接触面积示意图。明显可以看到，改进后的推动组件与被试品有充分的接触面积，因此传导给被试品的推力也会更加均匀，保证了被试品在脱出过程中均匀受力。
5 结论
户外终端应力锥预制件为电力电缆线路户外终端产品的核心组成部分，其性能好坏直接影响了户外终端的运行质量，继而影响到整个电力电缆线路运行的安全与否，因此国标要求电缆附件产品出厂时必须经过出厂例行试验，而目前各电缆附件厂试验时使用的试验拆装方式可能会对户外终端应力锥预制件产品的绝缘结构造成无法察觉的损伤，从而影响后续使用及安全运行。户外终端应力锥自动脱出装置，可以减少试验过程中所消耗的总人力，更为重要的是，提供了一种安全有效的方式，大大减少户外终端应力锥产品在出厂试验过程中因受到人为损坏而形成的安全隐患。
参考文献：
[1]GB/T 11017.3-2014《额定电压110kV交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件 第3部分：电缆附件》.
[2]王佩龙.高压电缆固件的电场及界面压力设计.电线电缆，2011，5：1-5.
作者简介：涂娜（1984-），女，高级工程师，从事高压电缆附件设计研发工作。
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