0 引言

变电站35 kV及以下母线电压互感器高压侧一般都装有高压熔断器，可在电网发生铁磁谐振、接地、电压互感器及其引出线故障等异常情况时保护电压互感器免受损坏^[1-2]。变电站户外电压互感器高压熔断器熔断时，需将高压熔断器从设备构架上拆卸至地面人工更换，造成反复登高作业工作强度大、效率低等问题。

目前已知文献解决上述问题的典型方法主要有两种：一是新产品替换^[3-6]，即局部或整体更换熔管的高压熔断器，但是更换新产品需要将电压互感器停电改造，性价比不高；二是利用力学原理研制的辅助工具将熔断器后盖顶住（拉住）辅助更换熔管^[7-13]，但是利用辅助工具更换时需要将熔断器后盖两侧引流线拆除更换，且螺杆手工螺旋速度较慢，整体更换效率不高。对此，本文研制了一种辅助工具，可以在构架上免拆熔断器快速更换熔管。

1 现用更换方法及不足

户外电压互感器高压熔断器结构示意图如图 1所示。

由图 1知，高压熔断器中部固定在室外设备构架支持绝缘子上，两侧后盖接有引流线，因熔断器内置弹簧的弹力作用，熔管两侧后盖受力压力较大，正常更换熔管时，需要拆除熔断器中部固定管卡及两侧引流线，将熔断器移至地面更换熔管，传统作业更换流程如图 2所示。

某公司所辖变电站户外电压互感器高压熔断器更换情况如表 1所示，作业方式均为人工更换。

由表 1可知，该公司变电站使用该工具更换高压熔断器熔管时间最短为45 min，最长为115 min，平均用时为60 min，各更换步骤平均用时说明如表 2所示。

表 2中，因高压熔断器内弹簧弹性压力大，人工无法在构架上直接更换熔管，即传统更换熔管作业时，需将高压熔断器从构架上拆卸至地面更换，造成作业人员工作效率低、劳动强度大、更换时间长等问题。各类平均用时中，登构架、拆装底座、地面更换熔管用时共54.2 min，占总用时的90.3%，如能实现在构架上免拆熔断器直接更换熔管，可节省一次登构架时间（6.5 min）、拆装底座时间（10.2 min）及优化更换熔管时间（31 min），共计节省47.7 min，即通过优化技术方案可提高工作效率88%。

2 电压互感器高压熔断器辅助更换工具的研制 2.1 设计原理

拆装高压熔断器熔管套管后盖时由于熔断器内装有弹簧压紧熔管，后盖拆装比较困难，主要技术难点是克服弹簧的弹性压力问题。对此，本次设计利用了棘轮拉紧器原理，借鉴棘轮拉紧器省力和锁止的功能^[14]，利用棘轮拉紧并锁止后盖，即将辅助工具直接作用于熔断器后盖，将其压紧（拉紧）和锁止，克服了熔断器内弹簧的弹性压力^[15]，实现了直接在构架上免拆熔断器轻松更换熔管的目的。

2.2 工具设计与研制 2.2.1 结构设计

棘轮式拉紧器结构示意图如图 3所示。设计棘轮式拉紧器时，利用棘轮作为动力装置，U形固定槽1和U形固定槽2固定在棘轮底座上，U形拉紧槽固定在齿条上，摇把通过机架与棘轮连接，摇把可通过调解螺母调解摇把宽度，棘轮底座档板由档板固定螺母固定在齿条上，防止棘轮底座脱出。工作时，将工具U形固定槽1和U形固定槽2套在熔断器套管上，U形拉紧槽置于熔断器后盖上，摇动摇把带动棘轮转动，棘轮带动齿条向右移动，齿条带动U形拉紧槽向右移动并拉紧和固定熔断器后盖，即可以拆装后盖螺栓，方便工作人员更换熔断器熔管。

2.2.1.1 拉紧结构设计

拉紧结构由固定槽和拉紧槽构成，固定槽用于将工具固定在熔断器套管（波纹管）上，拉紧槽通过齿条带动位移拉紧并固定熔断器套管后盖，在拆卸和安装熔断器后盖时，起到克服套管内弹簧弹性压力及固定后盖作用。

变电站户外电压互感器高压熔断器主要有RN2、RN4、RN6型熔断器，固定槽和拉紧槽的设计考虑了电压互感器高压熔断器波纹管的波距、内径、波纹数、壁厚、端部外配合直径等参数，以及固定槽和拉紧槽与各型熔断器波纹管的通用性适配情况。

2.2.1.2 传动结构设计

传动结构由摇把结构和棘轮结构组成，工作时摇把结构通过左右摇动带动棘轮系统工作，棘轮结构工作时带动齿条位移，促使拉紧槽位移从而拉紧熔断器后盖。

（1）摇把结构设计。摇把结构由摇把和机架组成，摇把通过调解螺母调节摇把宽度；机架与摇把及棘轮底座相连，通过机架带动棘轮转动，机架是工具的动力传动部分。

（2）棘轮结构设计。棘轮结构由齿条、齿轮、棘爪、止动棘爪、棘轮底座等部件组成，摇把带动齿轮转动时，齿轮啮合齿条，带动齿条位移，棘爪是拨动棘轮做间歇运动的部件，用于拨动和卡住棘轮；止动棘爪用于阻止棘轮反转，起锁止功能^[16-18]。棘轮底座是棘爪、棘轮的支撑和固定部件，棘轮底座下部安放齿条，齿条与棘轮配合工作，完成力的传递。

2.2.2 辅助工具制作 2.2.2.1 操作扭矩

选择工具部件材料时，工具各部件应力必须满足熔断器内弹簧弹性阻力F的要求，即操作扭矩T≥F^[19]。利用公式（1）、（2）对弹簧弹性阻力F进行计算：

(1)

式中：k—弹簧系数；

G—弹性模量，取8000 kg/mm²；

d—线径，取0.9 mm；

n—有效圈数，取4圈；

D—中心直径，取2.8 mm。

经计算，k为9.2。

弹簧的压缩量L计算公式见式（2）：

(2)

式中：L₁为熔管长度，取605 mm；L₂为弹簧长度，取25 mm；L₃为熔断器总长，取640 mm。因此可得L为25 mm。

则弹簧弹性阻力F=kL=9.2×25=230 N。因此，操作扭矩T≥230 N。

通过实验进一步验证操作扭矩的正确性，结果如表 3所示，可见，计算操作扭矩与表 3实测扭矩基本相符，因此，在工具制作时涉及操作扭矩及相关应力的计算选择中，均按T≥230 N进行。

2.2.2.2 齿轮、齿条规格

齿轮的分度圆^[20]直径越大，棘轮尺寸越大，考虑工具的便携性，齿轮分度圆直径应在25~35 mm，本次取30 mm。棘轮主要依赖齿轮和棘爪的接触面积闭锁，克服弹簧弹性阻力需操作扭矩T＞230 N，因此闭锁面积需能承受230 N以上的力。经计算，齿轮参数如表 4所示。

2.3 辅助工具应用效果验证 2.3.1 模拟实验

通过实验室模拟验证辅助工具的功能性，即制作一组电压互感器，利用辅助工具模拟更换熔断器熔管，共实验20次验证其有效性。实验均可单人完成。期间棘爪工作正常、可靠；U形槽与熔断器适配情况良好；工作时工具稳定，不滑脱、不松动；套管瓷釉无损伤；工具各受力部位无变形、无开焊。实验平均用时5.2 min。由此可得，采用辅助工具模拟更换熔管总时长为11.7 min（其中6.5 min为表 1中登构架一次用时），且实验过程中辅助工具各项工作指标均满足要求，达到了预期效果。

2.3.2 现场验证测试

现场验证研制的电压互感器高压熔断器熔管更换辅助工具的实用性和有效性，在所辖区域对7座变电站户外电压互感器高压熔断器熔管熔断时进行现场更换测试，更换熔管最长用时约为15 min，最短约为10 min，平均约为12 min；更换时均为免拆套管，单人操作，更换成功率达100%，具体如表 5所示。辅助工具更换电压互感器高压熔断器熔管流程如图 4所示。

由表 5、图 4可知，利用辅助工具更换高压熔断器熔管时，实现了免拆熔断器在构架上直接更换。更换时，作业人员登构架后，测量熔断器阻值，拆除熔断器一侧引流线，利用辅助工具将一侧后盖拉紧固定，然后拆卸后盖螺栓，更换熔管，安装时顺序相反，因此节省了拆装熔断器固定底座、拆装一侧引流线及一次登构架时间，即平均更换时间由60 min减少至12 min，工作效率提高了80%。

3 结束语

本文研制的电压互感器高压熔断器熔管更换辅助工具将熔管平均更换时间缩短了约80%，提高了运维人员工作效率、减小了劳动强度，使得电网在无保护等高风险时段也能运行，提高了供电可靠性。该辅助工具利用棘轮拉紧器原理解决了弹簧的弹性压力问题，实现了免拆熔断器，单人在构架上快速更换熔管的目的。该工具便携性好，适合户外电压互感器高压熔断器熔管的更换，在电力行业具有广泛的推广应用价值。