研制定位导向型10kV电缆穿刺器(佛山南海供电局工程建设部-劲能公司QC小组)

/2018年基建QC成果报告研制定位导向型研制定位导向型10kV电缆穿刺器参赛单位：佛山南海供电局计划建设部、佛山市劲能电力工程有限公司佛山南海供电局工程建设部佛山市劲能电力工程有限公司配网项目部目录一、前言 -1-1.1课题背景简介 -1-1.2名词解释 -1-1.3小组简介 -1-二、课题选择 -3-2.1课题背景 -3-2.2课题选定 -7-三、目标设定及可行性分析 -7-3.1目标设定 -7-3.2目标可行性分析 -7-四、提出方案并确定最佳方案 -8-4.1设备要点分析 -8-4.2提出研发方案 -9-4.3确定最佳方案 -10-五、制定对策表 -16-六、对策实施 -18-6.1对策实施 -18-6.2对策实施结果汇总 -33-七、效果检查 -34-7.1操作性能检查 -34-7.2穿刺效果检查 -37-7.3经济效益评估 -38-八、标准化 -38-8.1编写相关操作细则 -38-8.2设置检验年限 -39-8.3开展使用培训 -39-九、总结及下一步计划 -40-9.1推广应用 -40-9.2申报专利 -40-9.3总结及下一步计划 -41-一、前言1.1课题背景简介随着经济的高速发展，城镇电缆化率日益升高，电力网架结构日益复杂。由于地铁建设的加快和网公司基建、业扩项目的增多，10kV电缆施工类项目数量呈快速上升态势，其中改接类电缆项目是电缆施工类项目中所占比例最大部分。随着改接类电缆项目数量的迅速增长，工程量剧增，在现有资源不变的条件下，难以满足网公司对停电时长的需求。而改接类电缆项目施工流程中含打钉接地作业，由于“打钉接地”步骤电缆穿刺命中率低，导致施工耗时长。因此，提高电缆穿刺命中率是满足停电时长需求的关键。1.2名词解释10kV电缆穿刺器：用于10kV电缆切断施工前，对目标电缆进行打钉接地工作，为保证施工人员安全快捷地对电缆打钉接地的辅助工具。吹矢：其组成包括一支吹管及管子里所装的木竹质地或金属质地的短而细的箭，其原理是靠口腔从后部瞬间向吹管内增压，压力推进箭矢射出，利用吹管作固定和导向，从而准确命中目标。1.3小组简介小组名称佛山南海供电局工程建设部-劲能公司QC小组课题名称一种定位导向型10kV电缆穿刺器课题类型创新型小组注册时间2018年3月推进者叶伯颖课题注册时间2018年3月注册号小组人数10人组长任雄活动时间2018年3月～2018年9月活动次数88出勤率100%姓名文化程度职务/职称组内分工

任雄硕士工程建设部副主任项目负责人陈浩彬本科

副总经理项目副负责人叶伯颖

本科

配网工程专责技术负责人刘乃桓本科质量专责技术负责人徐立成

本科生产运营部经理技术副负责人

陈志聪

本科质量管理工程师质量负责人杨嘉辉

本科

生产运营部副经理财务（技经）负责人

郑永恒

本科

生产运营部项目经理

安全及资料负责人

霍振鹏本科生产运营部项目经理试验负责人马帅飞硕士生产运营部项目经理试验助理二、课题选择2.1课题背景2.1.1需求分析随着经济的高速发展，城镇电缆化率日益升高，电力网架结构日益复杂。由于地铁建设的加快和网公司基建、业扩项目的增多，10kV电缆施工任务日益增多，施工难度逐渐增大。表2-1劲能公司承接电缆施工类项目统计表（2016~2017）年度2016年（全年）2017年（全年）电缆施工类项目总数83项159项项目种类改接类项目其他类项目改接类项目其他类项目项目数（项）48359861占比（%）（施工任务/总项目数）57.8%42.2%61.6%38.4%制表人：陈浩彬日期：2018年03月09日图2-1劲能公司承接电缆施工类项目统计图（2016~2017）制图人：陈浩彬日期：2018年03月09日2016年度和2017年度劲能公司承接电缆施工类项目统计结果如表2-1所示，在电缆施工类项目总数中，2016年改接类项目共48项，占比为57.8%，2017年改接类项目共98项，占比为61.6%。由图2-1可知，近两年来电缆改接类项目呈快速上升态势，2017年比2016年任务量提升了104.2%，预计2018年仍将呈快速上升趋势，在现有资源不变的情况下，施工作业压力剧增，同时电缆改接类项目还涉及停电时长问题，缩短有效施工作业时间成为电缆改接类项目的迫切需求。为满足停电时长要求，缩短作业时间，QC小组从电缆改接类项目入手，主动挖潜。电缆改接类项目作业流程如下：结束工作票切断并改接目标电缆切断目标电缆前，对其打钉接地判别目标电缆结束工作票切断并改接目标电缆切断目标电缆前，对其打钉接地判别目标电缆批准工作票电缆改接类项目作业流程调研表明，“批准工作票”和“结束工作票”两个步骤需用户、调度、运维班、施工班组等多方配合，自我提升对整体影响不大，可挖潜力不高；而“判别目标电缆”和“切断并改接电缆”为有效作业实施时间，对停电时长影响最大，应重点保障其作业时间，同时以上两个步骤均已采用了一批先进的设备和工具，施工人员均为持证的熟练技工，因此可挖潜力也不大。“切断电缆前，对其打钉接地”这一步骤，由于传统打钉接地作业耗时较长，单次打钉接地作业平均耗时23分钟，随着电缆改接类项目工程量的增加，不能满足停电时长需求。因此，缩短该步骤作业时间是满足停电时长的关键。2.1.2目前措施对比表2-4电缆穿刺方式对比表序号现有做法人工穿刺方式遥控穿刺方式1使用方式操作人员穿绝缘鞋带绝缘手套，两人配合，一人抓接地铁钎，一人打锤的方式，使用简单的接地极打入目标电缆。操作人员通过遥控打钉设备，采用子弹爆破方式将钢钉打进目标电缆，达到对目标电缆进行打钉的目的。2人员要求2名普通高压电工1名专业技术员3经济性500元，无消耗品15000元，爆破子弹为消耗品，消耗品价格较高4平时单次实施时间23分钟28分钟5优缺点分析优点：1、成本低，2、对操作人员要求不高。缺点：1、电缆穿刺有效命中率低，2、安全系数较低，3、施工耗时长。优点：1、安全性高。缺点：1、对操作人员要求较高，2、拆装耗时较长，3、设备昂贵，难以推广。制表人：杨嘉辉日期：2018年03月15日图2-3现常用人工穿刺施工图电缆穿刺方式调研结果如表2-4所示，人工穿刺方式经济性好，对操作人员要求不高，因此现施工队伍基本选择人工穿刺方式，但该作业方式存在以下问题：（1）需要施工人员直面电缆，安全系数较低，（2）由于多次穿刺才能实现有效穿刺电缆，而且穿刺时容易在电缆表面滑走，穿刺有效命中率低，（3）由于电缆内部材料的阻力，穿刺命中后钢钎难以拔出，延长作业时间。图2-4遥控穿刺设备图遥控式穿刺设备存在以下问题：（1）设备价格高昂，而且其“爆破子弹”为消耗品，消耗品的价格较高，一般施工企业不愿意采用，难以推广，（2）设备使用对操作人员要求较高，操作方式较为复杂，.拆装耗时长。2.1.3寻找有效工具为了提高电缆穿刺命中率，通过国家专利局官方网站检索，检索结果表明没有符合我们需求的电缆穿刺器。图2-5专利检索图制图人：杨嘉辉日期：2018年03月15日2.1.3灵感来源围绕核心需求“缩短打钉接地作业时间，满足停电时长需求”开展问题分析，现存在主要问题：（1）穿刺时打钉设备难以固定，（2）穿刺有效命中率低，（3）穿刺命中后钢钎难以拔出。,“吹矢”组成包括一支吹管及管子里所装的木竹质地或金属质地的短而细的箭，其原理是靠口腔从后部瞬间向吹管内增压，压力推进箭矢射出，利用吹管作固定和导向，从而准确命中目标。图2-6“吹矢”简介图影响“吹矢”命中率的主要因素为飞行过程中遇到的气流、障碍物等，“矢”受到其他方向的力致使飞行方向改变，命中率降低。将目标直接抵近吹管的出口端，能够排除影响飞行方向的因素，即可保证“矢”100%命中目标。结合实际情况，将目标电缆作为需“攻击”的对象，以钢钉作为“攻击武器”，以导向管作为固定和瞄准装置，对目标电缆展开“攻击”，提高命中率，减少重复穿刺电缆本体次数，缩短打钉接地作业时间。2.2课题选定电缆改接类项目数量呈迅速增长趋势，而打钉接地作业缺乏高效、规范的电缆穿刺工具和方法。经工程建设部联合施工单位研究，需研制穿刺命中率高、穿刺准确率高、施工效率高、安全系数高、实用性强、经济性好、容易推广的新型电缆穿刺器。综上所述，确定本次QC课题为：研制定位导向型10kV电缆穿刺器！三、目标设定及可行性分析3.1目标设定基于研制定位导向型10kV电缆穿刺器的需求，电缆穿刺有效命中电缆三相铜芯才能实现可靠接地，QC小组确定本次QC课题的目标为：对目标电缆三相铜芯一次穿刺有效命中率为100%。3.2目标可行性分析表3-1电缆穿刺单次命中统计表打钉方式统计次数(次)一次命中次数（次）一次穿刺有效命中率传统人工打钉方式301963.3%遥控打钉方式3030100%制表人：徐立成日期：2018年03月19日2017年7月至8月部分电缆穿刺单次命中统计结果如表3-1所示，由于电缆呈圆柱体，而且其表面较为光滑，采用传统人工打钉方式时，因钢钎仅靠人工固定，打击穿刺时，钢钎经常会滑走或移位，导致一次穿刺命中率只有63.3%；而采用遥控打钉方式时，穿刺器提前固定在电缆上的，且其穿刺方向可调，使得该作业方式的首次穿刺命中率大幅提升至100%。由此可见，（1）使用可靠的固定方式固定电缆，（2）合理安排穿刺点的位置定位铜芯，（3）将目标置于吹管出口处100%命中，目标可行。四、提出方案并确定最佳方案4.1设备要点分析在符合《南网安规》要求的条件下，为实现对目标电缆三相铜芯一次穿刺有效命中率为100%的目标，同时考虑市场推广等因素，定位导向型10kV电缆穿刺器需满足以下要点。表4-1设备要点分析表序号要点目标效果要点依据1导向管能可靠固定在电缆正上方穿刺器可靠固定在目标电缆，穿刺时设备与电缆相对位移少于1mm根据提高命中率和安全性的要求2带穿刺限位保护穿刺时钢钎带限位保护功能，穿刺后不能超过底座高度施工点一般存在多条同沟电缆，穿刺过深容易误伤其他电缆3目标电缆三相铜芯穿刺后对地接地电阻少于4Ω能刺穿电缆各层材料，并100%命中电缆三相铜导体，穿刺后对地接地电阻少于4Ω根据目标电缆达到有效接地放电效果要求4配置带电显示器带电显示器启动电压值不低于15%额定电压，不高于40%额定电压，0.5秒内能有效提醒操作人员停止作业有效显示被刺入的电缆是否带电，提高安全系数5适用于狭窄空间可适用于30cm宽的狭窄空间设计规范中最小的电缆通道为30mm宽6操作简单，实施效率高不需要操作电源，只需一人操作，单次实施时间少于10分钟根据减少现场临时用电和缩短作业时间需求7设备各部件有足够的刚性强度整套设备可承受3000N冲击力；钢钎能穿透电缆多层不同材料而不变形根据锤击最大力试验统计调查和提高命中率要求8移动方便，便于携带整套装置重量≦15kg根据设备实用性和可操性要求9成本可控，可复制推广性高整套设备生产费用≦1000元根据设备市场可推广性要求制表人：任雄日期：2018年03月20日4.2提出研发方案4.2.1难点分析（1）目标电缆不易固定。由于电缆呈圆柱体状，且其表面较为光滑，若无可靠固定装置，在打击时钢钎容易发生位移。（2）穿刺有效命中率低。在打钉接地作业过程中，不能有效确定电缆内三相铜芯的位置，导致穿刺有效命中率降低。（3）难以将钢钎从目标电缆中拔出。当钢钎刺入电缆后，由于铜芯、绝缘层、填充物等的阻力作用，钢钎会难以拔出，延长施工时间。4.2.2适用范围确定如表4-2所示，各型号电缆使用频率调查结果表明，现工程中所用的电缆标称截面主要为3x50mm²-3x400mm²，由于城区中标称截面为3x50mm²-3x95mm²的电缆使用频率较低，因此将定位导向型电缆穿刺器适用范围设定为：标称截面为3x120mm²-3x400mm²的电缆。表4-2各型号电缆使用频率统计表标称截面（mm²）型号使用数量（段）使用频率占比（%）3x50ZYJV-8.7/10kV5765.93x70ZYJV-8.7/10kV2162.23x95ZYJV-8.7/10kV003x120ZYJV-8.7/10kV178918.33x150ZYJV-8.7/10kV7677.83x185ZYJV-8.7/10kV003x240ZYJV-8.7/10kV211821.73x300ZYJV-8.7/10kV236624.23x400ZYJV-8.7/10kV194319.9制表人：任雄日期：2018年03月21日4.2.3提出方案为实现定位导向型10kV电缆穿刺器要点需求，破解得出的研发难点，我们确定了定位导向型10kV电缆穿刺器的研发方向分为：固定及导向部分、穿刺部分、带电显示及接地连接三大部分，适用范围为标称截面在3x120mm²-3x400mm²的电缆。其中“固定及导向部分”细分为固定防护底座、固定组件、定向导管三个组件，“穿刺部分”设定为限位式钢钎，“带电显示及接地连接部分”分为带电显示器和接地铜线两个组件。定位导向型电缆穿刺器研发方向如图4-1所示。图4-1定位导向型电缆穿刺器研发方案图制图人：叶伯颖日期：2018年03月26日4.3确定最佳方案4.3.1固定防护底座底座主要有两个作用：（1）有效将导向管固定在目标电缆上；（2）保证在电缆打钉接地过程中，就算此处发生带电电缆短路接地，可将电流通过底座主体引至接地极，避免产生电弧伤人，保证施工人员安全。为此我们QC小组提出两种管材形状进行比较。（1）半方管状基于适用最大外径电缆（3x400mm²）的需求，并留有一定裕度空间，方管状底座内径选取100mm，在半方管状防护底座顶面几何中心位置开孔，孔直径与铁钎直径相匹配，并在管的两端加装垫片，满足电缆摆放位置需求，分别对3x120mm²和3x400mm²电缆进行刺扎试验，并统计电缆刺扎铜芯命中率。为排除其他干扰因素，试验由同一个人，在相同条件和环境下进行。如表4-2所示，在3x120mm²电缆穿刺试验中，方管状底座命中率较低，其原因主要是3x120mm²电缆外径较小，电缆更容易往两边偏移。表4-2定位导向型电缆穿刺器半方管状底座试验统计表3x120mm²电缆电缆摆放位置居中偏左偏右试验次数505050刺中次数452526命中率90%50%52%3x400mm²电缆电缆摆放位置居中偏左偏左偏右试验次数505050刺中次数505050命中率100%100%100%制表人：霍振鹏日期：2018年03月27日（2）半圆管状同理，因为要适用最大外径的3x400mm²电缆，并留有一定裕度空间，半圆管状底座内径选取100mm，在半圆管状防护底座顶面几何中心位置开孔，孔直径与铁钎直径相匹配，并在管的两端加装垫片，满足电缆摆放位置需求，分别对3x120mm²和3x400mm²电缆进行刺扎试验，并统计电缆刺扎铜芯命中率。表4-3定位导向型电缆穿刺器半圆管状底座试验统计表3x120mm²电缆摆放位置居中偏左偏右试验次数505050刺中次数504342命中率100%86%84%3x400mm²电缆摆放位置居中偏左偏左偏右偏右试验次数505050刺中次数505050命中率100%100%100%制表人：霍振鹏日期：2018年03月27日如表4-3所示，圆管状不仅可以符合电缆外形，又可紧贴在电缆上，与电缆内切面大。由于两圆内切，切点与圆心在同一直线上，只要保持切点是最高点，即可将电缆固定于其中点上。数据分析表明，在电缆穿刺试验中，采用半圆管状底座比半方管状底座的命中率高，因此确定底座形状为半圆管状。4.3.2固定组件为将目标电缆固定在定位导向型电缆穿刺器底座上，因此需选择合适的固定组件，为此我们小组提出了三种设计方案。为测试不同固定组件的牢固性，防止紧固组件产生水平位移，确保切点与电缆圆心在同一直线上，我们开展以下试验以选择最佳紧固组件。在底座上加装三种紧固组件，分别对三种紧固组件施加水平方向的力，记录20次电缆偏离中心线的平均水平位移。表4-4位移量统计表位移量（mm）位移量（mm）施加力固定方式50N100N200N300N400N500N绳索式000.91.51.71.8铁扣式000000螺栓式000000制表人：陈志聪日期：2018年03月28日图4-2位移趋势统计图制图人：陈志聪日期：2018年03月28日如图4-2所示，螺栓式与铁扣式固定组件的水平位移量始终为0，当水平方向的力为200N时，绳索式固定组件产生水平位移，随着水平方向的力增大，其水平位移先增加后趋于稳定，因此螺栓式与铁扣式的紧固性优于绳索式。同时螺栓式紧固组件的可调性优于铁扣式、绳索式。综上所述，通过对比螺栓式、铁扣式、绳索式紧固组件的牢固性及可调性，QC小组选用T型螺栓式作为固定组件。4.3.3定位导向管根据材料力学，钢钎通过导向管钉入电缆，导线管受垂直向下的正应力，当所用钢管材质、质量、截面积相同时，钢管截面的抗弯强度与其截面形状有关，截面的抗弯强度与抗弯截面系数成正比。抗弯截面系数（截面抵抗矩，抗弯模量）是用于描述零件截面形状对零件受弯矩影响的物理量，一般截面系数的符号为W，单位为毫米的三次方。空心方截面的抗弯截面系数：W空心圆截面的抗弯截面系数：W空心方截面面积：S空心圆截面面积：S联立上式可得W圆环>W4.3.4限位式钢钎钢钎主要作用是钉入铜芯放电，保障施工人员的安全，根据现有经验，设计了一体式和分体式两种设计方案。为了验证设计方案能否符合设计性能目标，我们对此进行试验。试验设置：钢钉钉入电缆后，记录回收钢钎主体所用时间，统计每项30次的平均用时；记录钢钎钉入电缆的平均深度。试验由同一人、同一环境条件下进行。如表4-6所示，一体式和分体式钢钎均能达到较好刺扎效果要求。而在拆除时间方面，由于分体式打钉时把钢钉留在电缆本体中，留待切割电缆后才回收钢钉，这大大减少因钢钎钉入电缆后再拔出来的时间，因此限位式钢钎应采用分体式钢钎。表4-6钢钎试验数据统计表项项目试验数据电缆型一体式分体式回收时间（秒）穿刺深度（mm）回收时间（秒）穿刺深度（mm）3x12026.4527.83.1426.43x24030.8538.84.1537.43x30033.6445.23.8744.73x40034.7948.84.2446.8制表人：郑永恒日期：2018年03月28日4.3.5带电显示器带电显示器的作用是穿刺带电电缆报警，现市面上主要有声音型、闪光型、声光型三种报警方式。QC小组考虑到本次研制的定位导向型电缆穿刺器主要用于10kV电缆上，10kV为高电压等级，当施工人员进行穿刺操作时，若穿刺电缆带电，需在0.5秒内发现并停止作业。因此我们设计了一个模拟试验，详见下表的情景模拟。表4-7警报方式选定试验汇总表情景模拟一：白天10点，天气晴；地点：繁华马路边；测试人数：电缆班组全部共计10人；测试人模拟打钉时的挥锤动作，在测试人正前方1米地面上分别放置声音型警报器、闪光型警报器和声光型警报器，观察测试人能否在每种警报器单独动作后0.5秒内发现并停止挥锤。项目测试效果声音型警报方式10人中9人能及时发现并停止挥锤闪光型警报方式10人中6人能及时发现并停止挥锤声光型警报方式10人全部能及时发现并停止挥锤情景模拟二：晚上9点，天气晴；地点：繁华马路边；测试人数：电缆班组全部共计10人；测试人模拟打钉时的挥锤动作，在测试人正前方1米地面上分别放置声音型警报器、闪光型警报器和声光型警报器，观察测试人能否在每种警报器单独动作后0.5秒内发现并停止挥锤；项目测试效果声音型警报方式10人中8人能及时发现并停止挥锤闪光型警报方式10人全部能及时发现并停止挥锤声光型警报方式10人全部能及时发现并停止挥锤制表人：郑永恒日期：2018年03月28日测试结果表明，只有“声光型警报方式”全天候均能发挥报警作用，因此我们选用声光型报警带电显示器，通过声音快速警告，以闪光作为后备，确保施工人员能知悉目标电缆是否带电。4.3.6接地铜线我们查阅《中国南方电网有限责任公司电力安全工作规程》（Q/CGS-510001-2015），其中第7.4条例对接地线要求：“接地线应由有透明护套的多股软铜线和专用线夹组成”。因此我们选用透明护套多股软铜线作为接地连接。4.3.7最佳方案确定经上述多个试验验证后，我们确定了多个不同部件的最佳选用方案，并将最佳方案结果汇总成系统图，如图4-3所示。图4-3最佳方案选定图制图人：叶伯颖日期：2018年04月01日五、制定对策表确定了研发方向后，我们根据需求要点要求，进一步细化定位导向型电缆穿刺器各部分项目的实施步骤，并根据需求目标制定了具体的实施措施，详情见表5-1。表5-1实施对策表序号实施对策目标措施负责人地点时间1选定设备制造材料1.设备制造材料总价≦1000元2.可承受3000N以内冲击力1.对设备制作材料进行调研，对比材料总价、导电性、抗压性，确定设备制造材料。杨嘉辉钢材市场2018.04.132确定半圆管底座的参数1.适用于标称截面在3x120mm²-3x400mm²的电缆；2.可承受3000N以内冲击力1.根据常用10kV电缆标称直径确定半圆状底座的直径和高度；2.根据其可承受冲击力计算半圆状底座的厚度。陈志聪办公室2018.04.163确定T型螺栓固定组件的参数1.旋进深度最大值不超过50mm，2.适用于30cm宽的狭窄空间1.根据半圆管底座直径及电缆直径范围确定T型螺栓固件可旋进深度；2.根据设备使用环境设计T型螺栓固件长度。陈志聪办公室2018.04.204确定分体式钢钎的参数1.设备整体高度符合人机工效原则，2.拥有足够强度，能刺穿电缆内部各层材料；3.钢钉刺入深度满足命中电缆需求，4.防止钢钎误伤其他电缆；1.对锤击高度进行试验，选取设备整体最佳高度；2.通过其可承受冲击力计算分体式钢钎推进段直径；3.根据目标电缆直径，确定钢钉刺入电缆深度；4.按平衡理论，确定推进段和锤击段长度。徐立成办公室2018.04.265确定圆柱型导向管的参数1.可承受3000N以内冲击力；2.对目标电缆三相铜芯一次穿刺有效命中率为100%1.将圆柱管状导向管内径与高度应与钢钎推进段匹配，并通过理论计算确定圆柱型导向管壁厚；2.通过理论计算确定圆柱型导向管分布位置，使其对目标电缆三相铜芯一次穿刺有效命中率为100%，试验设备穿刺有效命中率。徐立成办公室2018.05.136确定声光型带电警示器参数1.选择合适带电显示器警报启动电压值，2.声级有较大警醒作用，但不会刺耳，3.闪光有明确警醒停止含义，辨识度高1.根据安规标准根据确定带电显示器警报启动电压；2.通过声级感知试验确定声光型带电显示器警示声音等级；3.通过查阅国家警示颜色标准选择声光型带电显示器警示闪光颜色。郑永恒试验室2018.05.257确定透明护套多股软铜接地线参数1.可承受10kV电压直接接地电流1.查阅安规要求，并考虑留有余量，确定接地线线径。郑永恒办公室及试验室2018.05.288制作并组装各部件1.可承受3000N以内冲击力；2.整套设备对地接地电阻少于4Ω3.整套装置重量≦15kg1.将各部件稳固连接并组装；2.试验组装后的整套设备受力性能、绝缘值和重量。霍振鹏施工现场2017.06.01制表人：任雄日期：2018年04月03日六、对策实施6.1对策实施对策实施一：选定设备制作材料根据实际需求，通过对市面上的制作材料进行调研，选取合适的材料。表6-1材料对比表选材比较项目合金钢铝合金硅铁合金材质质量密度5.62g/cm³2.72g/cm³6.14g/cm³导电性能优异一般优异材料费用36.00元/千克14．00元/千克74元/千克加工费用20.00元/千克26.00元/千克32.00元/千克材料总价850元600元1600元制表人：杨嘉辉日期：2018年04月13日根据市场调研，初步认定符合我们需求的材料有合金钢、铝合金、硅铁合金三种，结合电缆穿刺器对材料的要点需求，整套设备生产费用≦1000元。铝合金导电性能较差，硅铁合金经济性较差，综合考量材料的导电性及经济性，我们小组决定选取合金钢作为主要材料。通过进一步深入研究，发现合金钢有不同种型号，各种型号之间也有差异。电缆穿刺器主要考虑的是承受大锤的冲击能力，为保证结构的承载能力，并防止在一定条件下出现脆性破坏，应根据设备结构的荷载特征、结构形式、应力状态、连接方法、钢材厚度和工作环境等因素综合考虑，选用合适的型号。表6-2钢材的强度设计值（N/mm2）表钢材抗拉、抗压和抗弯f抗剪fv端面承压（刨平顶紧）fce牌号厚度或直径（mm）Q235钢≤16215125325＞16~40205120＞40~60200115＞60~100190110Q345钢≤16310180400＞16~35295170＞35~50265155＞50~100250145Q390钢≤16350205415＞16~35335190＞35~50315180＞50~100295170Q420钢≤16380220440＞16~35360210＞35~50340195＞50~100325185制表人：杨嘉辉日期：2015年04月15日基于承冲击结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢，其质量应分别符合现行国家标准《碳素结构钢》GB/T700和《低合金高强度结构钢》GB/T1591的规定。当采用其他牌号的钢材时，尚应符合相应有关标准的规定和要求。承冲击结构的钢材应具有抗压强度、伸长率、屈服强度的合格保证。如表6-2所示，通过对比不同型号钢材的参数，为了延长电缆穿刺器的寿命，保证其不易弯曲、报废。最终我们选取了Q420合金钢作为我们定位导向型电缆穿刺器的制作材料。对策实施二：确定半圆管状底座参数（1）QC小组对圆弧支撑面进行了初步设计。通过查询并统计分析3x120mm²-3x400mm²的电缆外径，以进一步确定定位导向型穿刺器的底座内径尺寸。表6-3各型号电缆外径数据表标称截面（mm²）型号外径（mm）载流量（A）3x120ZYJV-8.7/10kV69.42903x150ZYJV-8.7/10kV73.33303x185ZYJV-8.7/10kV77.13753x240ZYJV-8.7/10kV83.64353x300ZYJV-8.7/10kV88.84953x400ZYJV-8.7/10kV95.0585制表人：叶伯颖日期：2018年14月16日从上表分析可得出，我们本次设计的定位导向型电缆穿刺器适用范围要对应外径69.4mm-95.0mm。为防止电缆被卡情况，设计时底座留有活动余量，因此设计其内径时取值为100mm。（2）为确保半圆管状底座可承受3000N以内冲击力，需确定半圆管状底座壁厚。力矩：M空心圆截面抗弯截面系数应力：σ联立上式代入数据得，半圆管状底座壁厚大于5mm，可满足承受力需求，为充分留有余量，选择壁厚为8mm。（3）根据表6-3中数据，电缆穿刺器适用范围对应的电缆外径为69.4mm-95.0mm，为实现对目标电缆上方、左侧、右侧三个方向有效防护覆盖，设计其底座高度为50mm。图6-1固定防护底座设计图厚度制图人：徐立成日期：2018年04月17日对策实施三：确定T型螺栓固定组件参数（1）由于底座内径为100mm，因此其中间点为50mm，于是我们设定两边的T型螺栓可旋进深度最大值为50mm。（2）同时考虑增加底座的整体稳定性，螺栓外部（包括把手）长度增加50mm，整体长度为100mm。6-2固定组件设计图制图人：徐立成日期：2018年04月20日对策实施四：确定分体式限位钢钎参数为了设计电缆穿刺器最优高度，我们设计了以下试验，不同身高的10个人，分别对3个不同高度的桩锤击，并进行人机工效及挥锤高度统计分析。国务院新闻办2015年6月30日发布《中国居民营养与慢性病状况报告》，报告显示2012年我国18岁及以上成年男性平均身高为167.1cm。如表6-6所示，基于以上报告，我们随机抽取了不同身高的10名现场施工人员，模拟传统的扶钎锤击作业，并对不同锤击高度进行了人机工效调查，以确定设备最优整体高度。表6-6捶击高度人机工效表身高（cm）试验高度165165.5167.5169170171173.5175178180膝盖位置√√√√√√√√●●腰部位置╳╳╳╳╳╳╳╳●●腰部以上╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳备注：“√”表示锤击高度舒适，“●”表示两种方式均可的，“X”表示锤击高度不舒适制表人：霍振鹏日期：2018年04月26日表6-7铁锤抡起高度统计表身高（cm）试验高度165165.5167.5169170171173.5175178180膝盖位置齐眉齐眉齐眉齐眉齐眉齐眉齐眉齐胸齐胸齐胸腰部位置头顶头顶头顶头顶头顶头顶头顶头顶头顶头顶腰部以上脑后脑后脑后脑后脑后脑后脑后脑后头顶头顶制表人：霍振鹏日期：2018年04月26日当抡锤高度位于头顶或者脑后时，铁锤有滑落击中头部的风险，因此抡锤的高度以不超过眉毛为宜。如表6-7所示，锤击人模拟传统扶钎锤击作业时将铁锤抡起的最高高度，以发现可能存在的危险因素。研究结果表明，设计打锤高度为膝盖位置更符合人机功效和安全要求。通过查阅中国的成年男性身体平均数据，得出男性膝盖位置的高度平均约为42cm，因此将穿刺器高度设计为420mm。钢钎截面应可承受3000N以内冲击力，当钢钎直径取10mm时，钢钎截面应力约为38.2N/mm2，Q420型钢的抗压强度为380N/mm2，满足钢钎截面应力需求，因此我们选取钢钎推进段内径为10mm。基于穿刺器高度为420mm，底座高为108mm，取钢钎整体高度为312mm，钢钎分为限位段和推进段两部分，推进段过短不利于钢钎的固定，推进段过长不利于钢钎的放入，因此设计钢钎推进段长168mm，限位段长152mm。为增加锤击命中率，将钢钎限位段设计为顶端较大，取直径为36mm，底端直径与导向管外径匹配，起到限位作用。为防止钢钎击穿电缆后损伤下方电缆，钢钉长度应小于目标电缆的最小外径，3x120mm2型电缆外径最小，其外径为69.4mm。为保证钢钉能100%命中电缆，需满足L切点与铜芯最大距离<R电缆半径+L电缆圆心到电缆铜芯的距离<L钢钉长度，电缆为3x400mm2型时，L切点与铜芯最大距离取最大值，图6-7分体式限位钢钎设计图制图人：徐立成日期：2018年05月07日对策实施五：确定圆柱管状导向管参数和位置（1）为了使圆柱管状导向管与钢钎推进段匹配，圆柱管状导向管内径取10mm，减少钢钎偏移误差。（2）圆柱管状导向管壁厚应满足其承受力3000N的要求。圆柱管状导向管最小截面积：空心圆截面面积：S联立上式代入数据得，圆柱管状导向管壁厚大于5mm可满足承受力需求，为充分留有余量，取圆柱管状导向管壁厚为6mm。图6-8导向管设计图制图人：徐立成日期：2018年05月13日（3）为了引导钢钎能准确打入指定点，根据城区现时使用的10kV电缆型号统计数据，其绝大部分采用的是三芯电缆，其内部结构如下图所示：图6-3三芯电缆内部结构图制图人：陈浩彬日期：2018年05月15日图6-4三芯电缆外部结构图制图人：陈浩彬日期：2018年05月15日由于三芯电缆的线芯是旋转向前的缠绕结构，且互为120°，为保证三条铜芯都能被接地钢钉接触从而放电，需采用多个不同位置对电缆进行打钉穿刺。图6-5三芯电缆模型图流程图制图人：郑永恒日期：2018年05月15日根据模型观察可见，铜芯距离电缆圆心的水平距离为单芯半径长度。单芯半径长度约等于铜芯半径＋绝缘厚度＋护套厚度。表6-4电缆圆心距离说明表电缆型号铜芯面积（mm2）铜芯半径R铜芯（mm）绝缘厚度R绝缘（mm)单芯半径R单芯（mm)3x1201206.1819544253.49.53x1501506.9116351643.410.33x1851857.6757538693.411.075753873x2402408.7426037893.412.13x3003009.7745281873.413.13x40040011.286652963.414.6制表人：郑永恒日期：2018年05月16日为保证三条铜芯都能被接地钢钉接触从而放电，我们小组开展圆柱管状导向管位置分布研究。在施工现场中，常用的打击铁锤为8磅和10磅的，考虑到锤面大小，为防止同时敲中两支钢钎，我们把三支导向管错开摆放，横向间隔为60mm。图6-6铁锤示意图制表人：郑永恒日期：2018年05月17日表6-5铁锤规格表规格总长手柄长手柄宽锤头长锤头宽重量14磅88cm81cm3.7cm19.5cm7cm7.20kg12磅88cm81cm3.7cm18cm6.5cm6.32kg10磅87.5cm81cm3.7cm17cm6cm5.46kg8磅87.5cm81cm3.7cm16.5cm6cm4.58kg6磅86.5cm81cm3.7cm15cm5.5cm3.64kg制表人：郑永恒日期：2018年05月17日（4）为确保三相铜芯均能100%被接地钢钉命中，我们使用三根钢钉进行穿刺。为防止发生相间短路伤人事件和电缆侧位移较大，采用1号钢钉先钉侧面，2号钢钉钉在电缆中心线上，3号钢钉另一侧，且L1号钢钉与2其中L电缆横截面中心点到铜芯外边缘的最小距离=R铜芯+33R单芯。由于3号钢钉与1号钢钉对称，即L1号钢钉与2号钢钉的水平距离=L2号钢钉与3号钢钉的距离，同理可证，3号钢钉100%命中铜芯。为保证1号钢钉、3号钢钉命中不同电缆铜芯，需满足R铜芯<L1号钢钉与2号钢钉的水平距离，即2R铜芯<L1号钢钉与3号钢钉的水平距离，1号钢钉与3号钢钉的水平距离大于铜芯直径，1号钢钉、3号钢钉命中电缆铜芯肯定不同。电缆型号为3x120mm²-3x400mm2时，由于R铜芯<L1号钢钉与2号钢钉的水平距离<L电缆中心点到铜芯外边缘的最小距离<2R铜芯，因此图6-7导向管纵向间距设计图制图人：马帅飞日期：2018年05月18日DBA（5）基于以上结论，为方便说明三个导向管的位置分布依据，如下图6-7所示，我们将电缆穿刺器的俯视图中三个导向管以及接地线连接板分别标记为A、B、C、D四点。DBAC图6-8导向管分布示意图C制图人：徐立成日期：2018年05月20日接地线连接板对防护底座D点施加垂直向下的力，D点附近会有应力集中区，应力集中会引起脆性材料断裂，使物体产生疲劳裂纹，在D点附近打孔容易损伤防护底座，A点、D点均位于底座中轴线上，横向距离相同时，相较于B点、C点，A点距D点距离最小，因此将A点置于距D点横向距离最远处。B点、C点间距离位于防护底座同一侧时比异侧短，应力集中易发生防护底座破损，因此将B点、C点置于半圆状防护底座中轴线的两侧。图6-9导向管设计说明图制图人：徐立成日期：2018年05月21日（6）按照图6-7组装电缆穿刺器，为验证理论计算的可靠性，对常用不同型号10kV电缆进行穿刺试验，试验结果表明如表6-6所示，常用不同型号10kV电缆的单次穿刺有效命中率均为100%。表6-6单次穿刺有效命中率统计表序号电缆标称截面（mm²）次数单次穿刺有效命中率13x12030100%23x15030100%33x24030100%43x30030100%53x40030100%制表人：郑永恒日期：2018年05月23日实施六：声光型带电显示器选择（1）方案设计中我们选定声光型警报方式作为带电显示器，为进一步确定声压等级和闪光颜色。为此，我们针对警示声压设计了声级感知试验。表6-7声压测试统计表项目0-20dB20-40dB40-60dB60-70dB70-90dB90-100dB很静、几乎感觉不到安静、犹如轻声语一般普通室内谈话吵闹，不适宜谈话很吵、刺激神经吵闹加剧、听力受损测试效果10人中1人听见10人中3人听见10人中9人听见全部听见全部听见，但需要捂耳全部听见，但感到不适测试结论没有警醒作用没有警醒作用警醒作用不够大有较大警醒作用，但不觉得刺耳声音太大，头部不适有短时耳鸣现象制表人：霍振鹏日期：2018年05月25日试验结果表明，60-70分贝声压等级有较大警醒作用，且不会引起不适反应，因此我们选择60-70分贝作为警示声级。（2）通过查阅国家警示颜色标准，可选闪光颜色有红、黄、蓝、绿四种，其中默认红色含义为禁止、停止，因此将警示灯闪光颜色设计为红色。最终选定的声光型带电显示器如下图所示。图6-10声光型带电显示器图实施七：透明护套多股软铜接地线通过查阅《中国南方电网有限责任公司电力安全工作规程》（Q/CGS-510001-2015），其中第7.4条例对接地线要求：“接地线截面不应小于25mm2，并应满足装设地点短路电流的要求”。因此，为留有余量，同时匹配钢钎的放电性能，我们选用35mm2透明护套多股软铜线，通过螺栓将穿刺器固定部分、三根钢钎主体连接至临时接地极。实施八：制作并组装各部件根据设计图，本QC小组制作出符合要求的各部件，并将其组装在一起，然后分别试验整套设备的受力性能、绝缘性能和重量等，观察其是否符合我们的要求。6-11组装设计效果图制图人：徐立成日期：2018年06月03日图6-12整体效果图制图人：郑永恒日期：2018年06月10日（1）分别对三根钢钎顶部施加3500N的冲击力，装置整体未产生形变和裂纹，满足可承受3000N以内冲击力的要点要求。（2）把钢钎钉入常用不同型号电缆后，用电子摇表测试电缆穿刺器整套装置对地电阻，记录其30次的平均绝缘，如表6-7所示，电缆穿刺器满足对地接地电阻少于4Ω的要点需求。表6-7电缆穿刺器对地电阻统计表标称截面（mm2）试验次数（次）平均绝缘（欧）3x120200.063x150200.053x240200.053x300200.063x400200.05制表人：霍振鹏日期：2018年06月20日（3）将电缆穿刺器整套装置置于电子秤上，总重量为14.8kg，电缆穿刺器满足整套装置重量≦15kg的要点需求。图6-13设备称重图制表人：郑永恒日期：2018年06月23日6.2对策实施结果汇总综上所述，QC小组对定位导向型10kV电缆穿刺器的实施结果进行汇总，汇总结果如图6-9所示：图6-14定位导向型电缆穿刺器设计汇总图制图人：任雄日期：2018年06月29日七、效果检查7.1操作性能检查为检查该定位导向型10kV电缆穿刺器的操作性能，制定其打钉接地实施步骤如下：（1）将电缆穿刺器装在目标电缆上，调节电缆穿刺器上的紧固螺杆，使电缆穿刺器紧紧固定在目标电缆上。（2）将电缆穿刺器的接地线接好，连接至外接保护接地极上。（3）将三支钢钉分别放进电缆穿刺器的导向管中，将连接接地线的钢钎插进导向管中。（4）用铁锤打击钢钎，将钢钉打进目标电缆中。（5）拔出钢钎，拆除电缆刺穿器，完成电缆穿刺及电缆接地作业。新型电缆穿刺器操作流程简单，整个操作过程仅需一名施工人员，对操作人员的素质要求不高，可操作性高。接下来我们统计并分析了2018年7月至9月该设备使用的耗时情况，调查其完成单次实施穿刺作业是否能控制在10分钟以内。表7-12018年7~9月装置使用耗时统计表序号项目名称次数每次平均耗时（分钟）1佛山禅城供电局2017年中低压配电网业扩配套及紧急项目（第二标段）工程129.72佛山南海供电局2017年中低压配电网业扩配套及紧急项目（第三标段）269.53佛山禅城供电局中低压配电网基建2017年第一批项目89.74佛山禅城供电局中低压配电网基建2017年第二批项目109.65佛山禅城供电局2017年中低压配电网基建第三批预安排项目219.56平均耗时9.6制表人：霍振鹏日期：2018年09月28日如表7-1所示，定位导向型10kV电缆穿刺器实施过程综合平均耗时为9.6分钟，不超过10分钟。与原来的实施过程综合平均耗时23分钟相比，单次打钉接地作业时间大大减少。7.2穿刺效果检查为检查定位导向型10kV电缆穿刺器内部三相的命中率是否为100%，我们对已进行穿刺作业的目标电缆开展解剖分析，其解剖过程如图7-1所示。2018年7月至9月，我们对使用定位导向型1