摘要：在安装与维修变电站隔离开关时，操作人员站立空间有限，需要在支架槽钢上搭设工作平台，面临着坠落等严重的安全问题。由于电力设施上缺乏安全带系挂点，无法使用防坠落安全带，本文依托变电站隔离开关设备特点，研制出带有自支撑的安全带悬挂装置，该装置由支撑系统与悬挂系统组成，符合电力作业标准，经力学校核和负重实验，可以满足高空作业安全防护需要，具有较高的实用价值。
关键词：隔离开关；安全带；支撑系统；悬挂系统
引言
随着我国基础设施建设的快速发展，对电力企业的安全规范与要求也不断加强，随着工作平台高度的增加，高空坠落事故也开始逐渐增多，给高空作业电网检修人员的生命安全带来了很大的威胁。
目前110kV常规型户外变电站比例仍占主流，在运行及新建的110kV变电站中，常规型户外变电站的应用更为普遍。随着电网用电量的不断增加，对设备运行的稳定性的要求越来越严格，在运行的变电站中，户外隔离开关的检修及维护工程量逐渐增加。以广州市为例，从2014年至今，修理及安装隔离开关的工程量每年以10%的趋势不断增长。在常规型变电站工程中，安装及维护隔离开关均需要进行危险性较大的高空作业，所耗用的人力物力时间都往往最多，存在的安全风险最高，安装质量要求最严格。为了保证隔离开关安装维护时作业人员的安全，根据电力安全工作规程要求，提出对研制新型便携式安全装置的需求。
1.研制背景与思路
本文研究背景主要聚焦于安装及修理隔离开关，110kV户外隔离开关由离地高度约2.5米的支架铁件制成，作业人员安装及修理隔离开关时，需在同样高度上搭设工作平台，据《电力安全工作规程》要求，在没有栏杆，高度超过2米的工作面上工作，应使用安全带，或采取其他可靠的安全措施。但是110kV隔离开关的外形结构，并没有可靠的悬挂点，且无法设置其他防高处坠落的安全措施，容易发生高处坠落的危险，极大影响施工质量及人员安全。
本文设计悬挂装置由支撑结构和悬挂结构组成，利用隔离开关支架上的槽钢结构，以及横向槽钢上要搭建工作平台的要求，选用纵向槽钢做受力基础，纵向单边支架与横向支撑结合的悬挂模式。装置安装快捷，操作简单，且对不同隔离开关具有普遍适用性。
2.装置结构设计
2.1支撑结构
根据目前户外变电站110kV隔离开关基础槽钢的标准化设计要求，其纵向槽钢间距为1550+1550=3100mm，采用14号热镀锌槽钢，两端伸出长度约100mm。把悬挂装置固定在纵向槽钢基础的端部，安全带悬挂装置所需承载的作用力最终均由纵向槽钢来承担（工作方式如图2所示）。嵌套部件固定在纵向槽钢内，能承受竖直向下的作用力要求，当槽钢紧密嵌套后，仍需要利用抱箍进行固定，抱箍嵌套式固定结构能承受左右两侧的扭力要求。因14号槽钢内壁宽度为52mm，综合槽钢扰度和经济成本等因素，嵌套部件选用槽钢腿宽度53mm的10号槽钢过盈合；抱箍在保证扰度与可靠性的前提下，结合成本、加工等因素，选择4mm热镀锌钢板；根据固定结构抱箍所需的紧固力，我们选用适合多次拆卸使用的8.8级M12热镀锌螺栓。
图1 支撑装置工作示意图 图2结构示意图
2.2 悬挂结构
悬挂结构又分为竖向支撑和横向悬挂两部件。
（1）竖向支撑机构：竖向支撑用于连接固定结构和横向悬挂，起重要的支撑作用，其与固定结构的连接方式有内接式和外接式。其中外接式在槽钢背部直接焊接，对焊接质量要求较高。内接式槽钢腿端开孔安装竖向立杆，并焊接牢固，在焊缝连接的基础上同时受到槽钢腿端支撑，许用应力数值更大。故从受力稳定性情况以及安全性能等多角度综合分析，内接式竖向立杆悬挂结构为最佳选择。
图3 内接式连接方式示意图 图4 插入式悬挂结构示意图
竖向支撑高度的设计：根据标准QY-22 新型双保险电工安全带的尺寸大小：安全腰带长2.4米，二次保险绳索长2.5米。根据作业人员一般腰高1米计算，只有当安全带悬挂装置设置长度为1.5米时，既能保证安全带悬挂符合高挂低用原则，又能保证作业人员摔落后不会与地面产生直接的刚性撞击。综合抗弯性能，经济成本以及安装便捷性，采用Φ42热镀锌加厚钢管制造。
（2）横向连杆结构与挂环：横向栏杆主要用于悬挂安全带保险扣，承受竖直向下的拉力，横向连杆与纵向支撑的连接方式有插入式悬挂形式和穿越式悬挂形式，为了实现作业人员就近悬挂方便，使用安全可靠，同时组装快捷的特性，并从安全性能、安装便捷性等多角度综合分析，选择插入式悬挂结构。综合物理性能、成本等因素，其中连杆采用Φ42热镀锌加厚钢管，挂环使用Φ4圆钢制作。
综上所述，安全带悬挂装置的支撑与悬挂装置模型已分别给出，现利用软件（UG）对整套设备进行3D建模如图6所示。
图5 悬挂装置3D模型图
3.主要受力件的力学校核
在修理及安装110kV户外隔离开关作业时，一般配置3-4名作业人员在隔离开关上方作业，负责ABC三相导电部分安装、同期调整以及连杆安装等工作，若假设每名作业人员重约75kg，即四名作业人员总重约300kg，因平台据地面高度有限，一旦发生人员坠落，下坠距离小于两米，故下坠时对悬挂系统产生的拉力约等于人体重力，
（1）
即使用3000N作为校核受力件刚度的极限受力，采用足够强度的材料和合理的结构设计，并对各部分受力情况进行科学计算（1）支撑系统受力：校核当抱箍嵌套式固定结构安装在纵向槽钢端部上时，若作业人员不慎从高处向左边摔下，针对纵向槽钢端部固定结构的受力分析可知，其承受竖直向下的重力以及瞬间下坠时向左侧的扭力，因此单边固定结构必须能承受N1、N左1作用力而不移位或变形。固定结构受力分解如下图所示：
图6 固体结构受力分解图
下面分别分析两种不同坠落情况下的最大受力，以此对该装置支撑部分进行校核。
情况一：假若在极端情况下，即同时多名作业人员约300kg从高处竖直坠下。其中一个固定结构受力均分为N单边=300kg/2=150kg。因此纵向14号槽钢端部受力分析具体如下：
图7 槽钢端部受力分析图
由图可知：嵌套部件所受竖直向下力N1=150kg最终由14号槽钢两腿端支撑承受（主要受力点在处），即N1= N上1+ N下1=150kg，根据14号热镀锌槽钢两腿端硬度及强度特性，受力强度远远大于75kg。因此，14号热镀锌槽钢支撑结构，能满足强度要求。
情况二：假若当在发生300kg重力合力向左侧下坠的极端情况下，抱箍嵌套式固定结构在瞬间可能发生向左方向的扭力，其中一个固定结构所受扭力平均分为N扭=300kg/2=150kg，该扭力需要抱箍及槽钢承受，其受力情况如下：
图8 槽钢腿部受力分析图
由图可见：嵌套部件向左所承受扭力最终由抱箍及槽钢腿端承受，根据14号热镀锌槽钢两腿端硬度及强度特性，受力强度远远大于50kg，14号热镀锌槽钢能满足强度要求。根据6mm热镀锌钢板以及8.8级M12热镀锌螺栓物体特性，其许用极端受力远远大于50kg，因此满足其强度及硬度要求。
（2）悬挂系统受力校核：当受到300kg重力时，横向连杆及竖向支撑受力情况如下：
图9 悬挂系统受力分析图
由图可见：假设在极端情况下，在隔离开关上方的多名作业人员总重量约300kg同时掉落，根据Φ42热镀锌加厚钢管扰度及抗弯特性，其足以承受足以承受300kg带来的重力要求。
综上，通过对支撑系统与悬挂系统模型的力学校核，可知本文研制的安全带悬挂系统在理论上可以满足设计需要。
4.装置承重实验
为观察装置在实际工况下的承重变形情况，采用模拟质量法分梯度测量装置的实际效果，制作了试验支架模拟110kV隔离开关底座，组装安全带悬挂装置，并在支架上逐次增加承重测试（使用等质量的假人做负重质量块），测量结果见表1，
表1 承重实验参数及结果表
当装置在承重300kg重力时，装置发生可接受的弹性形变，当卸下质量块后即恢复正常，支撑及悬挂装置弹性形变恢复，未发生折弯等不可恢复塑性变形。因此在设计的受力范围内，装置均能较好的提供保护，并可以多次重复使用，且当在极端情况下，多名作业人员作业时同时发生坠落，装置仍能牢固地提供支撑。
图10 承重300KG恢复变形后装置图
5.结语
本文通过对装置各部件的选材、加工、安装、承载力实验，顺利研制出适用于隔离开关操作的安全带悬挂系统。
（1）现场应用证明，便携式隔离开关安全带系挂装置适用于安装和维修隔离开关操作，满足高处作业安全带的使用要求，能有效保障操作人员的安全。
（2）该装置依托现有隔离开关结构框架，便于安装操作，不占用作业空间，适用范围广，推广应用方便。
参考文献：
[1] 张洪铭.便携式采油井口安全带系挂装置研制与应用[J]. 广东石油化工学院学报，2017，27（3）：46-49.
[2] 朱彦.对高空作业坠落防护装备及其技术措施的研究[J]. 中国个体防护装备，2015（6）：44-48.
[3] 中国南方电网. 中国南方电网有限责任公司电网建设施工作业指导书. 第1部分，变电土建[M]. 2011.
[4] 中国国家标准化管理委员会. GB/T 700-2006碳素结构钢[S].北京：中国标准出版社，2006.
[5] 侯铁榜，肖丽，张建利，等.钢架施工安全带悬挂装置［J］.设备管理与维修，2013，9（3）：62－63．
论文作者:梁广霖
论文发表刊物:《电力设备》2018年第31期
论文发表时间:2019/5/6
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