復(fù)合絕緣橫擔(dān)技術(shù)在500 kV 架空輸電線路上的應(yīng)用

李俊游，周志文，侯子龍，薛思雨，邢延超

（國網(wǎng)冀北檢修公司，北京 102488）

0 引言

復(fù)合絕緣橫擔(dān)技術(shù)能夠有效節(jié)約架空走廊距離，近年來在110 kV 和220 kV 等電壓等級的架空輸電線路中頻繁應(yīng)用，然而，在更高的500 kV電壓等級中，尤其是在同塔并架的窄基塔塔型上，由于其各項要求更加嚴(yán)格，始終未在實際線路中應(yīng)用。本文就國內(nèi)首基500 kV 復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔在運(yùn)行近一年半以來的運(yùn)行情況，結(jié)合基塔驗收、運(yùn)維期間所做各項數(shù)據(jù)測量及對于該復(fù)合橫擔(dān)塔的運(yùn)維規(guī)程制定，對該基塔在運(yùn)行過程中的表現(xiàn)進(jìn)行總結(jié)，并對存在問題進(jìn)行梳理，以便復(fù)合絕緣橫擔(dān)技術(shù)在500 kV 架空輸電線路上的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

1 復(fù)合絕緣橫擔(dān)技術(shù)介紹

絕緣桿塔是指采用具有良好絕緣性能的復(fù)合絕緣材料制成的采用一定的桿塔結(jié)構(gòu)型式[1]，在電氣性能、機(jī)械性能以及流體力學(xué)性能等方面達(dá)到輸電線路桿塔的要求，且其穩(wěn)定性、安全性以及經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于普通桿塔的一種架空輸電線路桿塔[3]。絕緣橫擔(dān)桿塔是絕緣桿塔的一種，是指將桿塔塔頭部分的普通橫擔(dān)替換為具有良好絕緣性能橫擔(dān)的輸電桿塔。

中國復(fù)合材料的研究始于1958 年，當(dāng)時的材料性能和制造工藝不能滿足輸電桿塔所要求的性能指標(biāo)，這一問題未能得到重視[7]。近年來，隨著技術(shù)研發(fā)的突破,國內(nèi)外已經(jīng)對復(fù)合絕緣橫擔(dān)的硅橡膠護(hù)套和芯棒以及芯棒與芯棒內(nèi)部填充物的界面問題進(jìn)行了大量卓有成效的研究[8]。電壓等級在110 kV 及以下線路桿塔的絕緣橫擔(dān)研究已經(jīng)逐步成熟，解決了環(huán)境復(fù)雜、居民密集地區(qū)桿塔的跨距不足問題。此外，中國相關(guān)企業(yè)也陸續(xù)開展了絕緣桿塔的研究工作，目前，已有部分廠家研制出自主知識產(chǎn)權(quán)的220 kV 及以下電壓等級的絕緣橫擔(dān)塔并掛網(wǎng)試運(yùn)行[9]。

2 500 kV 架空輸電線路復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔

2.1 塔基情況簡介

500 kV 南昌一線0239 號（南昌三線0234 號）塔，是國內(nèi)首基超高壓500 kV 架空線路復(fù)合絕緣橫擔(dān)窄基塔，該塔位于北京市昌平區(qū)崔村鎮(zhèn)真順村，地處平原，屬D 級污區(qū)，海拔98.01 m，由國網(wǎng)冀北檢修公司北京輸電運(yùn)維二班負(fù)責(zé)日常運(yùn)維工作。該塔基礎(chǔ)根開2 913 mm×2 918 mm，呼高36 m。

2.2 復(fù)合絕緣橫擔(dān)構(gòu)成

復(fù)合絕緣橫擔(dān)主要由復(fù)合橫擔(dān)用柱式絕緣子（如圖1、2 中①所示）、拉桿絕緣子（如圖1、2 中②所示）、各類金具等部件組成。由于不需要采用懸式絕緣子，線路寬度可以大幅降低，有效節(jié)約了線路走廊。在復(fù)合絕緣橫擔(dān)安裝時，采用“兩拉兩壓”的安裝結(jié)構(gòu)，總裝圖如圖1、圖2 所示。

圖1 上（下）橫擔(dān)總裝

圖2 中橫擔(dān)總裝

上下橫擔(dān)可以用同一種法蘭金具進(jìn)行裝配，中橫擔(dān)則需要獨(dú)立的法蘭金具進(jìn)行安裝。

每一相的絕緣橫擔(dān)都可以拆解為呈V 字形水平放置的復(fù)合橫擔(dān)用柱式絕緣子和斜向上吊立的拉桿絕緣子部分。

2.2.1 復(fù)合橫擔(dān)用柱式絕緣子

水平放置的為復(fù)合橫擔(dān)用柱式絕緣子。上相、中相、下相的復(fù)合橫擔(dān)用柱式絕緣子部分的技術(shù)參數(shù)如表1 所示，示意圖如圖3 所示。

表1 復(fù)合橫擔(dān)用柱式絕緣子部分技術(shù)參數(shù)

除了表1 中列出的技術(shù)參數(shù)外，在進(jìn)行電氣試驗后，得出復(fù)合橫擔(dān)用柱式絕緣子的干雷電沖擊耐受電壓（kV/cm）≥+100，干工頻耐受電壓試驗（kV）在80%干工頻閃絡(luò)電壓下耐受30 min 后溫升不超過5K，耐受過程中無擊穿、閃絡(luò)，并且交流擊穿強(qiáng)度（kV/cm）≥30，符合500 kV 交流電壓等級標(biāo)準(zhǔn)。此外，對復(fù)合橫擔(dān)用柱式絕緣子的可踩踏部分進(jìn)行機(jī)械試驗，得出其拉伸強(qiáng)度不小于57 MPa，材料邵氏硬度大于90 HA，滿足作業(yè)人員作業(yè)時站在上面的承力標(biāo)準(zhǔn)。

由表1 可以看出，中橫擔(dān)總長為6 900 mm，相較于上、下橫擔(dān)4 921 mm 及5 045 mm 長出近2 000 mm，這是因為該基復(fù)合橫擔(dān)塔為雙回路同塔并架塔，為了使得上、中、下三相線路有序排布且滿足距離要求，從而對中橫擔(dān)長度進(jìn)行了加長。這種加長操作使得中橫擔(dān)的絕緣距離也增加了許多，并且，中橫擔(dān)在安裝中用到的金具也與上、下橫擔(dān)略有不同，但均滿足500 kV 架空輸電線路運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 復(fù)合橫擔(dān)用柱式絕緣子（上橫擔(dān)用）

復(fù)合橫擔(dān)用柱式絕緣子示意圖如圖3 所示，以上橫擔(dān)示意圖為例進(jìn)行介紹。

由圖3 可以看出，復(fù)合橫擔(dān)用柱式絕緣子部分采用了3 種不同大小，2 種不同硬度材質(zhì)的合成傘裙。大傘直徑336 mm，小傘直徑300 mm，材質(zhì)均為硅橡膠；可踩踏部分的硬傘直徑280 mm，材質(zhì)為環(huán)氧樹脂。硅橡膠傘裙和可踩踏部分的硬質(zhì)傘裙排布為：在每560 mm 長的硅橡膠傘裙中間設(shè)計一段長300 mm 的可踩踏硬質(zhì)環(huán)氧傘裙，這樣一段接一段排列設(shè)計，是為了使作業(yè)人員在出串時不傷及硅橡膠。

2.2.2 拉桿絕緣子

拉桿絕緣子每相由兩個斜向上的V 形絕緣子串構(gòu)成，其技術(shù)參數(shù)如表2 所示，示意圖如圖4 所示。

表2 拉桿絕緣子技術(shù)參數(shù)

在進(jìn)行電氣試驗后，得出絕緣橫擔(dān)的干雷電沖擊耐受電壓為+1 950 kV，工頻1 min 濕耐受電壓為740 kV，濕操作沖擊耐受電壓為+1 150 kV。

2.3 復(fù)合絕緣橫擔(dān)的安裝

圖4 拉桿絕緣子

在該基鐵塔的復(fù)合絕緣橫擔(dān)安裝組立過程中，安裝示意圖如圖5 所示，采用在圖中①所示位置地線頂架上放置導(dǎo)向滑車，在地面適當(dāng)位置架設(shè)絞磨，在復(fù)合絕緣子串的硬質(zhì)傘裙部分綁扎牢固后進(jìn)行吊裝的方法保障復(fù)合絕緣橫擔(dān)到達(dá)指定位置且最大程度的不傷及傘裙，施工人員在圖中②、③、④對應(yīng)的上、中、下橫擔(dān)位置進(jìn)行復(fù)合絕緣橫擔(dān)與塔材連接作業(yè)。在安裝時，復(fù)合橫擔(dān)用柱式絕緣子（含中橫擔(dān)法蘭金具）通過M20×90 螺栓與中間掛線板、鐵塔連接；拉桿絕緣子、長度調(diào)節(jié)金具通過M48×230 螺栓與中間掛線板、鐵塔連接；蓋板通過M16×65 螺栓與中間掛線板連接；長度調(diào)節(jié)金具通過螺紋膠及內(nèi)六角錐端緊定螺釘M12×16 限位，保障長期載荷條件下的穩(wěn)定性；均壓（屏蔽）環(huán)通過M10×45 螺栓與復(fù)合橫擔(dān)用柱式絕緣子及拉桿絕緣子連接。

圖5 復(fù)合絕緣橫擔(dān)安裝示意及實際安裝

在施工需要出串作業(yè)時，為保障作業(yè)人員安全、同時盡可能不傷及復(fù)合絕緣橫擔(dān)，施工人員采用了坐姿蹭行的方式進(jìn)行出串，即施工人員坐在復(fù)合橫擔(dān)用柱式絕緣子可踩踏硬質(zhì)傘裙部分，手扶身前的一段可踩踏硬質(zhì)傘裙部分用力將身體向前拉，這樣只需要短暫滑過硅橡膠傘裙，不會影響其絕緣性能，也不會對其造成損傷。采用這種出串方式，施工人員在出串時消耗的體力和精力要數(shù)倍于常規(guī)玻璃絕緣子出串方式，且由于復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔的掛線方式與常規(guī)塔型不同，在施工時的難度也成倍增加。在復(fù)合橫擔(dān)安裝完成后，塔頭照片如圖6 所示。

圖6 復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔塔頭

3 復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔運(yùn)維情況分析

500 kV 復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔于2019 年1 月30日正式投運(yùn)，至今已經(jīng)安全運(yùn)行1 年6 個月，桿塔運(yùn)行以來，經(jīng)過了完整的春夏秋冬四季。桿塔所在塔位行政區(qū)域最低溫度為-11 ℃，最高溫度為39 ℃，線路運(yùn)行以來降雪后覆冰小于5 mm，最高陣風(fēng)達(dá)到8 級以上。在運(yùn)行過程中，未發(fā)生任何危急線路運(yùn)行的隱患及缺陷，因此未進(jìn)行檢修作業(yè)。該基桿塔所在的南昌一線、南昌三線運(yùn)行良好，未有跳閘情況發(fā)生。

3.1 復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn)

為使得國內(nèi)首基500 kV 復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔保障運(yùn)行正常，針對該基塔的特殊性，制定了相應(yīng)的運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)制定時參考了生產(chǎn)廠家提供的《500 kV 可踩踏復(fù)合絕緣橫擔(dān)產(chǎn)品說明書》和GB/T 19519—2014《架空線路絕緣子 標(biāo)稱電壓高于1 000 V 交流系統(tǒng)用懸垂和耐張復(fù)合絕緣子定義、試驗方法及接收準(zhǔn)則》[15]等國家、行業(yè)和企業(yè)相關(guān)規(guī)程規(guī)范，結(jié)合線路實際情況，編制了復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔的運(yùn)維規(guī)程，作為線路運(yùn)行維護(hù)工作依據(jù)。

在制定運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn)時，僅針對復(fù)合絕緣橫擔(dān)部分進(jìn)行了單獨(dú)介紹，塔基的其他部分按照常規(guī)線路段運(yùn)行規(guī)程執(zhí)行。

3.1.1 復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔日常巡視標(biāo)準(zhǔn)

復(fù)合絕緣橫擔(dān)桿塔的巡視應(yīng)作為線路巡視的重要內(nèi)容，應(yīng)及時掌握復(fù)合絕緣橫擔(dān)的運(yùn)行狀況，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷，并為復(fù)合絕緣橫擔(dān)的維護(hù)提供數(shù)據(jù)。巡視標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）常規(guī)日常巡視周期為1 個月。巡視時相關(guān)人員應(yīng)攜帶望遠(yuǎn)鏡或無人機(jī)等必要工具，必須仔細(xì)記錄現(xiàn)場信息。

（2）復(fù)合絕緣橫擔(dān)桿塔的巡視可以地面巡視為基本手段，并輔以帶電登桿塔檢查、視頻在線監(jiān)測、紅外測溫等檢測手段。

（3）復(fù)合絕緣橫擔(dān)桿塔的正常巡視應(yīng)實行立體式巡視，不得出現(xiàn)漏點，巡視內(nèi)容包括對復(fù)合橫擔(dān)本體及運(yùn)行工況的檢查。在投運(yùn)初期宜增加巡視次數(shù)，以熟悉和掌握復(fù)合絕緣橫擔(dān)桿塔的運(yùn)行狀態(tài)，每次巡視后應(yīng)及時進(jìn)行巡視內(nèi)容匯總，以便進(jìn)行縱向?qū)Ρ?，發(fā)現(xiàn)任何異常情況要及時記錄并上報。

（4）在大風(fēng)、大雪、霧凇、覆冰等惡劣天氣和地震、泥石流、洪水等自然災(zāi)害后應(yīng)及時對復(fù)合絕緣橫擔(dān)桿塔進(jìn)行特殊巡視。

重點巡視部位如表3 中所列，無人機(jī)日常巡視視角如圖7 所示。

表3 日常巡視檢查內(nèi)容

圖7 復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔無人機(jī)巡視視角

3.1.2 復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔檢測標(biāo)準(zhǔn)

在日常巡視之余，定期對桿塔進(jìn)行檢測工作也是十分重要的。鑒于該復(fù)合橫擔(dān)塔的特殊性，沒有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)或經(jīng)驗來對檢測結(jié)果進(jìn)行參考，在運(yùn)維時只能進(jìn)行定期的紅外、紫外檢測，以便得到更準(zhǔn)確的運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行更好的運(yùn)維工作。

每個季度或每次經(jīng)歷極端、惡劣天氣后，都會開展一次紅外測溫工作，并將數(shù)據(jù)收集起來建立圖譜庫，以便后期進(jìn)行縱向數(shù)據(jù)對比判斷運(yùn)行工況。在測溫時，主要針對復(fù)合橫擔(dān)傘套及密封和連接金具、附屬部件的連接情況。與此同時，會在相近區(qū)域找一基常規(guī)形式角鋼塔進(jìn)行測量，同樣記錄在案做橫向?qū)Ρ取?/p>

在每個季節(jié)的典型天氣情況出現(xiàn)時，同時安排兩組對同一區(qū)域的復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔與常規(guī)角鋼塔進(jìn)行測溫，測溫結(jié)果如表4 所示。由表4 可以看出，復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔與常規(guī)角鋼塔在正常運(yùn)行時金具溫度相近，與當(dāng)時環(huán)境溫度相差不大，因此判斷復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔在運(yùn)行一年期間未出現(xiàn)金具發(fā)熱情況，塔基運(yùn)行情況良好，復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔的紅外測溫照片如圖8 所示。除利用紅外進(jìn)行測溫之外，還利用紫外成像設(shè)備對復(fù)合絕緣橫擔(dān)部分進(jìn)行測量，以判斷其電暈情況有無異常，復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔的紫外測量照片如圖9 所示。每隔一個月對復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔進(jìn)行一次紫外測量，在照片上可以看出，在紫外成像中并未有很多白點（即電暈異常點），紫外成像結(jié)果顯示電暈情況正常，桿塔帶電運(yùn)行情況良好。

表4 紅外測溫統(tǒng)計 ℃

圖8 復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔紅外測溫

圖9 復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔紫外測量

3.2 復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔運(yùn)維情況小結(jié)

復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔投運(yùn)以來，共進(jìn)行正常巡視18 次，其中無人機(jī)巡視10 次；在正常巡視過程中，未發(fā)現(xiàn)復(fù)合絕緣橫擔(dān)、金具等運(yùn)行出現(xiàn)異常情況。此外，對復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔特殊巡視83 次，測量導(dǎo)、地線弧垂2 次（分別在最低溫度和最高溫度時），弧垂均在正常范圍內(nèi)。運(yùn)行以來，復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔未出現(xiàn)懸掛異物、鳥類筑巢等情況，線路走廊情況良好，未出現(xiàn)樹木、房屋等違建發(fā)生。對絕緣橫擔(dān)關(guān)鍵部位進(jìn)行紅外測溫17 次、紫外檢測4 次，均未發(fā)現(xiàn)缺陷隱患，桿塔運(yùn)行情況良好。

雖然其運(yùn)行一年多以來未發(fā)生任何隱患或事故，但復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔仍然存在諸多問題。首先，在其設(shè)計層面上，如圖6 視角可以看出，其橫擔(dān)絕緣子和拉桿絕緣子為符合500 kV 絕緣距離的規(guī)定，兩種絕緣子間距很大，水平絕緣橫擔(dān)之間的最大距離在下橫擔(dān)處為3 385 mm，絕緣橫擔(dān)與拉桿之間的最大垂直距離在中橫擔(dān)處為3 978 mm。這就使得在出串時作業(yè)人員采取何種姿勢十分為難，無法有效抓住牢固部件即進(jìn)行出串作業(yè)十分危險，而復(fù)合絕緣橫擔(dān)的可踩踏部分是分段分布且每一段長度很小，對作業(yè)人員限制增加，大大增加了作業(yè)人員出串作業(yè)的難度。其次，在春季、秋季等大風(fēng)多發(fā)季節(jié)，線路容易懸掛塑料布、風(fēng)箏等異物，在異物處理過程中需要用到激光清障器，而對于復(fù)合絕緣橫擔(dān)材料來說，某一點連續(xù)被超過80 ℃的激光束進(jìn)行灼燒，會加速老化從而失去作用，而整個絕緣橫擔(dān)塔的某部分復(fù)合絕緣橫擔(dān)材料如出現(xiàn)老化或者裂紋時，需要對整串進(jìn)行更換，更換難度、工作量等都遠(yuǎn)超普通塔。第三，現(xiàn)有該基復(fù)合橫擔(dān)塔位于平原地區(qū)，運(yùn)維工作較好展開，而一旦該塔型規(guī)?；瘧?yīng)用，在運(yùn)維過程中需要特別關(guān)注的問題大量增加，對運(yùn)維人員來說工作量也會大幅增加。最重要的是，復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔隨著使用年限的增長，是否能夠很好的維持絕緣水平和機(jī)械強(qiáng)度，仍需要在后續(xù)運(yùn)維工作中進(jìn)一步驗證。

4 總結(jié)與展望

復(fù)合橫擔(dān)本身集承載與絕緣功能為一體，無需采用懸式絕緣子，應(yīng)用在輸電線路后，可有效降低塔高及線路走廊寬度；并且在一定程度上提高線路的防雷水平；復(fù)合絕緣橫擔(dān)外絕緣采用傘裙結(jié)構(gòu)，根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)、功能設(shè)計將可踩踏傘裙和硅橡膠傘裙（不可踩踏）兩部分用于同一橫擔(dān)制品實現(xiàn)可踩踏的功能，便于人員進(jìn)行檢修維護(hù)；且橫擔(dān)設(shè)計緊湊，結(jié)構(gòu)簡單輕便，安裝相對便捷。

通過采取一系列檢測、日常巡視、特殊巡視等手段，復(fù)合絕緣橫擔(dān)能夠很好的保障500 kV電壓等級的線路安全運(yùn)行。經(jīng)過對復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔的長期運(yùn)維，制定了500 kV 超高壓復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔的運(yùn)維規(guī)程，為未來復(fù)合絕緣橫擔(dān)技術(shù)在500 kV 及以上超、特高壓架空輸電線路上的廣泛應(yīng)用提供了有力的實例支撐。而在檢修方面，班組經(jīng)過臨近帶電實際測量以及無人機(jī)巡視等多視角實測，發(fā)現(xiàn)人員在檢修時，尤其是需要出串在復(fù)合絕緣橫擔(dān)上作業(yè)時，需要新研制一種可伸縮便攜式絕緣梯進(jìn)行輔助，絕緣梯一頭固定在桿塔上，一頭掛于導(dǎo)線掛點處，便于作業(yè)人員腳踩絕緣梯，手扶絕緣橫擔(dān)進(jìn)行出串作業(yè)，這種輔助絕緣梯的研制仍需要多番試驗。未來，500 kV 電壓等級的復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔仍有許多問題亟待解決。