配網(wǎng)帶電作業(yè)復(fù)合材料多功能絕緣橫擔的研制

路 瑤

（邯鄲供電公司，河北邯鄲 056000）

自二次工業(yè)革命以來，電能成為經(jīng)濟實用且可穩(wěn)定控制的能源形態(tài)，廣泛應(yīng)用于動力、能源等各個領(lǐng)域。電能的出現(xiàn)和發(fā)展對社會和科技的發(fā)展推動極大，而隨著社會進步和科學手段的更新，電能更是以一種更為穩(wěn)定安全的方式服務(wù)大眾［1］。近年來，隨著高壓傳輸技術(shù)的成熟，我國開始廣泛應(yīng)用高壓電纜，這也間接導致了各種問題出現(xiàn)在電力傳輸過程中。在一般的電纜線路的使用過程中，常常會發(fā)現(xiàn)因為外部損傷或絕緣問題導致的故障，直接影響到安全生產(chǎn)的電氣單元［2-3］。在針對傳統(tǒng)的電纜出現(xiàn)的故障，研究人員已經(jīng)對其做了許多的防護工作，例如使用疏水類和耐酸堿的材料、加固電纜外部絕緣層等措施，然而，在電纜長時間的負荷運行下，電纜的接頭和絕緣橫擔等容易出現(xiàn)絕緣材料的絕緣性能變低等情況，導致嚴重的工程事故。在電纜出現(xiàn)故障時，旁路作業(yè)法是現(xiàn)在應(yīng)用最為廣泛的方法，擁有有效減少工程量、縮短斷電時間等種種優(yōu)點，保障了現(xiàn)有電纜線路安全穩(wěn)定的服役［4-6］。但是旁路作業(yè)法的缺點也同樣明顯，旁路柔性電纜的固定問題一直懸而未決，成為限制其功能和應(yīng)用的短板，所以，對配網(wǎng)帶電作業(yè)復(fù)合材料多功能絕緣橫擔的相關(guān)研究是十分有意義的［7］。

1 橫擔的材料與設(shè)計

1.1 橫擔的結(jié)構(gòu)選擇

在電氣設(shè)備服務(wù)社會的過程中，絕緣材料無疑是至關(guān)重要的一環(huán)。截至目前，絕緣材料的失效仍然是導致電氣設(shè)備損壞的主要原因，而除去自然老化和機械損傷破壞絕緣完整性外，沖擊電壓的累積也是造成絕緣材料失效的常見原因之一。按照絕緣材料的化學成分，常將絕緣材料分為有機和無機絕緣材料，無機材料常指陶瓷、玻璃、云母粉等金屬或非金屬的氧化物，共價鍵的緊密結(jié)合使得材料不易發(fā)生電子轉(zhuǎn)移達到絕緣的作用，且金屬氧化物常常表現(xiàn)出較好的介電性，是電氣設(shè)備中絕緣材料的優(yōu)選，但無機絕緣材料的制造成本過高，很難被廣泛使用，因而有機絕緣材料是電氣設(shè)備常見的絕緣材料。常見的有機絕緣材料有鏈式結(jié)構(gòu)的高分子聚合物如聚乙烯、聚苯乙烯等典型的熱塑性材料，網(wǎng)狀分子結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等熱固性材料，以及橡膠、纖維等。不同的絕緣材料都有其使用范圍，如橡膠材料常用于電纜，合成纖維用于電機的絕緣槽，而電氣設(shè)備最為常見的絕緣材料則是環(huán)氧樹脂絕緣材料，環(huán)氧樹脂應(yīng)用于電氣設(shè)備不僅在于它優(yōu)良的絕緣效果，更是由于其強度較高，可以一定程度上承擔支撐作用［8］。

絕緣橫擔的內(nèi)芯和芯棒材料需要考慮到比強度和密度兩個參數(shù)?，F(xiàn)在常見的內(nèi)芯材料多選取聚氨酯發(fā)泡材料，既能防止水滴的滲入，也能提高內(nèi)芯的絕緣能力，在短路時也能起到一定的防火能力。對于芯棒部件而言，需要力學性能優(yōu)異的材料承載整個絕緣橫擔的自重，所以有機絕緣材料成為芯棒材料的首選之一，同時，有機材料的芯棒成型工藝也多有考究，以玻纖復(fù)合樹脂絕緣材料為例，拉擠工藝用來保證樹脂基體中的玻璃纖維的占比，加強材料的強度，纏結(jié)則是為了對材料的抗彎、抗扭等力學性能進行加強。傘裙作為增加橫擔爬距和增強橫擔的外絕緣能力的構(gòu)件也是絕緣橫擔必不可少的組成部分之一，同時氟碳涂料等新型涂層工藝也被應(yīng)用到絕緣橫擔當中，對橫擔表面進行改性，增加橫擔的疏水和絕緣能力［9］。金屬連接件則常以鍍鋅件為材料，保證連接的強度以及增強其耐蝕性。

1.2 電桿抱箍的連接方式

電桿抱箍、電纜固定線夾和支撐板是絕緣橫擔最為常見的連接方式之一。電桿抱箍是為了更好地使橫擔與電桿緊密相連，而電纜固定線則是為了解決在旁路作業(yè)法中柔性電纜的固定問題，絕緣橫擔與構(gòu)架的連接如圖1所示，其中支撐板選擇鋁合金材質(zhì)，減輕構(gòu)件自重的同時提供較好的支撐力和防腐蝕性能［10］，尾端開叉，使得橫擔與角鋼之間連接更為堅固，添加鎖死裝置，如圖中的縮緊手柄與縮緊滑塊，通過縮緊手柄來完成橫擔與電桿的固定程度。

圖 1 絕緣橫擔與角鋼的連接方式Fig. 1 Connection mode of insulated cross arm and angle steel

除此之外，還可以直接與圓形電桿連接。主要結(jié)構(gòu)是，以尾端開90°分叉來連接底座。鎖緊滑塊更換為圓桿適配滑塊和軟質(zhì)抱桿鎖緊帶。更換了圓桿適配滑塊的絕緣橫擔能夠很好地貼合圓桿表面，軟質(zhì)抱桿鎖緊帶和收緊器則可以調(diào)節(jié)橫擔與電桿的緊固程度。

1.3 橫擔支撐相關(guān)計算

在橫擔進行老化測試之前，需要對橫擔的相關(guān)力學性能進行計算，以保證橫擔的穩(wěn)定服役過程。根據(jù)截面轉(zhuǎn)動慣矩的計算公式，截面轉(zhuǎn)動慣矩J［11］的數(shù)值是芯棒外徑的四次方與內(nèi)徑四次方差值（D4-d4）的π/64倍。為了保證橫擔的穩(wěn)定性，防止橫擔處于失穩(wěn)狀態(tài)，必須對橫擔芯棒的臨界承載力Fcr0進行計算，橫擔芯棒的臨界承載力Fcr0為芯棒的彈性模量E與截面轉(zhuǎn)動慣矩J乘積的π倍。設(shè)橫擔的不均勻系數(shù)為α，則整個絕緣橫擔的臨界承載力Fcr為芯棒的臨界承載力Fcr0的1/α。絕緣橫擔在使用前必須滿足相關(guān)性能要求。

2 絕緣橫擔的老化試驗

絕緣橫擔的使用壽命一般在五年左右，為了使絕緣橫擔在長時間的服役條件下仍然擁有較穩(wěn)定的電氣性能，需要對絕緣橫擔進行老化試驗，按照相關(guān)標準，常見的老化試驗項目及試驗參數(shù)見表1。

表1 老化試驗項目及參數(shù)Table 1 Aging test items and experimental parameters

經(jīng)過上述參數(shù)的老化試驗后，需要對材料的相關(guān)力學性能和電氣性能進行對比測試，以驗證該材料的穩(wěn)定性。通常而言，在經(jīng)過老化測試之后，芯棒的材料力學性能不能出現(xiàn)較大的降低，平均保持率需要達到80%以上。有文獻表明，在老化實驗的初期，絕緣材料的力學性能甚至會出現(xiàn)小幅度的上升，原因是與絕緣材料的固化過程相關(guān)。在材料的老化過程中，部分老化條件對材料的固化有一定的促進效果，或是在溫度的影響下，材料本身的分子結(jié)構(gòu)出現(xiàn)重新排列，優(yōu)化了材料內(nèi)部的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)，消除本身的空位等缺陷，化學成分反應(yīng)徹底，如發(fā)生分子鏈的重排列和相界的分離和再交聯(lián)，提高了材料的粘合度和強度［12］。

而絕緣材料的電氣性能在老化試驗后反而性能提升，相關(guān)研究證明，在絕緣橫擔類材料中，材料的電氣性能不但不會出現(xiàn)大幅度的退化，反而有著輕微幅度的上升。影響電氣性能的因素有三個，分別是接觸電阻、絕緣電阻和抗電強度。而這三個因素都和材料的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)，在經(jīng)過長時間的電荷加載下，電荷的累積造成材料的實際服役溫度上升，溫度的升高使固化作用更為強烈，而電荷在表面的累積會使得材料的極性分子重排，使得材料接觸電阻、絕緣電阻上升，在實際的結(jié)果表現(xiàn)上就是材料在老化后表現(xiàn)出更為優(yōu)異的電氣性能。

除此之外，對復(fù)合絕緣橫擔進行雷電沖擊、濕工頻及污穢工頻試驗也是很有必要的，絕緣材料在高電壓的服役環(huán)境中，容易產(chǎn)生電子的累積，尤其在雷雨天氣下更是會加速累積效應(yīng)，加快有機絕緣材料的失效。為驗證復(fù)合絕緣橫擔產(chǎn)品優(yōu)異的電氣絕緣性能，保證線路的安全穩(wěn)定運行，提高線路耐雷擊及防污能力，根據(jù)國家電網(wǎng)公司組織編制配電網(wǎng)工程《10kV架空絕緣線路絕緣橫擔典型布置方案》標準，方管復(fù)合絕緣橫擔的 50% 干雷電閃絡(luò)電壓需要達到 388.3kV。

3 結(jié)語

絕緣橫擔的研制需要考慮到多種因素，隨著有機絕緣材料的發(fā)展，絕緣橫擔芯棒的選擇就有著多種選擇。材料的選擇需要進行力學性能和電氣性能的試驗檢測，來驗證絕緣橫擔的穩(wěn)定性。