变电站高处作业防坠装置研制

施嘉炜

摘要：本文针对电力作业人员缺少可靠的安全带悬挂点的问题设计了一种适用于变电站室内外场景下的防高坠装置。通过异形槽的特殊设计实现绝缘杆和连接底座之间的快速安装和可靠连接，通过分析表明该异形槽结构的设计能有效杜绝绝缘杆从连接底座上意外脱落的情况，为作业人员的安全施工提供了可靠的保障。

关键词：变电站 安全施工 防高坠

Development of a Falling Prevention Device for High Altitude Operation in Substation

Shi jiawei

Quanzhou Electric Power Supply Company,State Grid Fujian Electric Power Co.,Ltd.,Quanzhou 362000,China

1. 引言

变电站内的各种电力设备保障着人们日常用电的需求，这些设备的长期稳定运行离不开电力作业人员的定期检修，其中很大一部分检修工作需要在高处完成^[1,2]。根据《电力安全工作规程》的要求，电力作业人员在各种作业状态下均必须得到有效的安全保障。然而,由于现场作业条件的限制等原因，电力作业人员在变电站内进行高空作业时经常会遇到没有合适安全带悬挂点的情况，需要利用脚手架、登高车等大型登高设备配合检修工作的进行^[3,4]。针对上述情况，本文拟提出一种适用于室内外作业的连接底座及快速插接座，并对其结构受力进行分析和试验验证，结果表明该装置能够十分便捷的为作业检修人员提供安全可靠的安全带悬挂点，有效保障了作业人员的生命安全。

2. 结构方案

高处作业防坠装置主要由带有异形插接槽的连接底座和带插接头的绝缘挂杆组成。连接底座由两根异形连杆和锁扣机构组成封闭式的框架结构，两根连杆之间通过销轴进行连接，通过锁扣机构的开合固定在柱状/法兰状的连接结构上。连接底座的主体结构采用6063铝合金制作，与连接结构相接触的地方安装有高硬度耐磨金属制成的衬板，在每根连杆上预留了数个铰接孔，通过调整不同的铰接孔连接配合，连接底座可以固定在不同尺寸的连接结构上，并通过耐磨衬板与之接触。绝缘杆通过其端部带有销轴的插接头插入连接底座上的插接座进行连接，插接座上设置有如图所示的异形插接槽，绝缘杆端部的销轴沿第1段槽滑到底后，绕绝缘杆轴线回转经过第2段槽后在重力及复位弹簧作用下沿第3段槽滑出并始终处于A端。当需要拆除绝缘杆时，作业人员推动绝缘杆使插接头上的销轴沿第3段槽A点滑动至B点后绕绝缘杆轴线转动经过第2段槽后沿第1段槽滑出后脱离。当绝缘杆受到轴向干扰载荷作用时，销轴会沿第3段槽滑动至C点并在载荷移除后滑动至B点从而杜绝了非主动解脱的可能，从而为高空作业人员提供安全可靠的安全带悬挂点。

图1. 高处作业防坠装置

3. 结构分析

如图所示对防高坠装置进行受力分析可知，当作业人员在高处由于某种原因发生坠落时，作业人员依靠连接在悬挂点上的安全带进行保护并传递载荷。根据实际测量绝缘杆长度为800mm，圆管内外圆直径分别为Φ60/40,考虑到载荷的随机性和冲击性，作业人员坠落后对安全带悬挂点沿斜向下与竖直方向夹角为30°的方向施加幅值为100Kg的载荷进行分析计算。当绝缘杆采用倒置方式固定插入于高处的连接点且发生人员坠落时，绝缘杆通过端部的插销与异形槽之间的接触限位实现相互作用并传递载荷。同样在安全带悬挂点沿斜向下与竖直方向夹角为30°的方向施加幅值为100KgN的载荷进行计算。

该装置使用时通过连接底座固定在相应的结构上，故将绝缘杆等效为悬臂梁结构，根据悬臂梁根部弯曲应力计算，受力分析如下图所示。

由材料力学可知空心圆管截面的惯性矩如式（1）所示：

（1）

式中，

则该空心绝缘杆的抗弯截面系数如式（2）所示：

（2）

进而可知在当前载荷作用下，该空心绝缘杆的最大弯曲正应力如式（3）所示：

（3）

根据前文可知空心绝缘杆的内外直径分别为40mm和60mm，承受冲击载荷为100kg，假设载荷方向为与竖直方向夹角30°，代入式（3）计算可得当前承载状态下空心绝缘杆根部的的最大正应力为23.5Mpa，远远小于当前材料的许用应力120Mpa，表明该绝缘杆具有较高的抗弯强度，当发生人员意外高坠时能够提供较好的承载能力而不发生折断，有效确保了作业人员的人身安全。

图2. 空心绝缘管受力状态分析

图3. 空心绝缘管横截面

4. 试验测试

在前文理论分析的基础上，通过模拟现场作业过程中可能出现的静载和冲击载荷情况，对防高坠装置进行模拟测试，验证其安全性与可靠性

^[5,6]。

在实际作业过程中若发生人员坠落情况，将对防高坠装置产生一个较大的瞬间冲击载荷，由于正常人的体重在100kg以内，故制作质量为100kg的沙袋从平台推落来模拟该坠落过程，经过10次重复模拟试验，检查该防高坠装置有无变形或异常情况产生，结果如下表所示。

表1 冲击载荷试验检查情况

项目	沙袋	次数	防高坠装置情况
冲击试验	100kg	10	正常

在实际作业过程中一旦发生人员意外坠落情况，不仅需要一定的静载承受能力并保持一段时间，因此利用不同数量的沙袋模拟人员坠落后的静载过程，分别在载荷末端缓慢放置100kg、200kg、300kg和400kg的沙袋，并分别保持20-60min，检查该防高坠装置有无变形或异常情况产生，结果如下表所示。

表2 静载荷试验检查情况

项目	沙袋重量/kg	保持时间/min	防高坠装置情况
静载荷试验	100	30	正常
	200	40	正常
	300	50	正常
	400	60	正常

通过冲击载荷和静载荷试验模拟作业过程中可能出现的情况，试验结果表明防高坠装置状态正常，并未发生大变形或断裂等现象，可以满足现场作业中的安全性和可靠性需求。

5. 结论

本文设计了一种适用于变电站室内外场景下的防高坠装置，独特的异形孔槽设计实现了高效便捷的快速拆装且具有十分可靠的意外防脱性能；理论分析计算表明该防坠装置能够提供有效的抗弯强度，同时通过冲击载荷和静载荷的模拟试验证明了该防坠装置具有良好的安全性和可靠性。综上所述，该防坠装置具有质量轻、刚性好、拆装方便、适用范围广等有点，能有效保障高处作业人员的人身安全，具有很好的应用推广价值。

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