架空線路柱式絕緣子綁扎金具研制分析

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司大理供電局 陳 余 陳 晨 殷咸生 楊本學(xué) 郭俊輝 謝玉強(qiáng) 王友明 孫 敏

絕緣子是電力系統(tǒng)的重要組成部分，其直接影響著電力能源在線路中的傳輸效果，保證其安全性及可靠性是保證電力企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)。柱式絕緣子綁扎采用鋁線頂槽“十字綁扎法”，綁扎法對(duì)施工工藝要求很高，且要保證綁扎線不受額外的機(jī)械力。隨著用電負(fù)載的增加，中壓線路設(shè)計(jì)的導(dǎo)線線徑越來(lái)越粗，導(dǎo)線自身會(huì)隨風(fēng)發(fā)生振動(dòng)，加之扎線在運(yùn)行過(guò)程中受地勢(shì)起伏引起的上下拉力，大檔距引起的前后拉力等，絕緣子在大風(fēng)、覆冰等氣候易引起扎線飛脫故障。

柱式絕緣子的綁扎金具直接決定柱式絕緣子能夠充分發(fā)揮其功能與價(jià)值，就目前情況而言，我國(guó)柱式絕緣子綁扎金具的主要原料為A3鋼、鑄鐵，但該種材料生產(chǎn)的金具自重較大，并不適用于現(xiàn)代柱式絕緣子的綁扎。

1 柱式絕緣子概述

1.1 絕緣子的重要作用

通常情況下，絕緣子是一種用來(lái)支持或懸吊導(dǎo)線、并在桿塔與導(dǎo)線間形成電器絕緣的組件，工作環(huán)境為室外，故而其工作環(huán)境較為復(fù)雜，易到雨水侵蝕，故而要求其具備較強(qiáng)的防腐能力。同時(shí)受大風(fēng)引起導(dǎo)線共振、擺動(dòng)和外力作用使絕緣子綁扎線松動(dòng)，故而對(duì)絕緣子的機(jī)械強(qiáng)度及綁扎工藝要求較為嚴(yán)格。此外，絕緣子受溫度環(huán)境的影響會(huì)導(dǎo)致其工作性能發(fā)生改變，若溫度驟然降低或升高時(shí)，絕緣子無(wú)法適應(yīng)工作溫度則會(huì)導(dǎo)致其承受工作電壓及過(guò)電壓的能力有所降低，甚至?xí)斐山^緣子損壞，因此在進(jìn)行絕緣子選擇時(shí)，也需考慮絕緣子的溫度適應(yīng)能力。此外，絕緣強(qiáng)度與機(jī)械強(qiáng)度同樣也是決定絕緣子工作性能的重要參數(shù)，電力企業(yè)在進(jìn)行絕緣子選擇時(shí)，也需根據(jù)電力系統(tǒng)的實(shí)際需求選擇合適機(jī)械強(qiáng)度與絕緣強(qiáng)度的絕緣子，進(jìn)而才能保證絕緣子能充分發(fā)揮其功能與價(jià)值[1]。

1.2 柱式絕緣子概述

柱式絕緣子是現(xiàn)階段我國(guó)電力領(lǐng)域架空線路常用的絕緣子形式，相比于普通絕緣子絕緣性能更佳、機(jī)械強(qiáng)度更高，故而被廣泛的應(yīng)用于電力領(lǐng)域當(dāng)中。傳統(tǒng)的柱式絕緣子為普通陶瓷絕緣子，由瓷件和鑄鋼組成，為滿(mǎn)足絕緣子在使用過(guò)程中電力系統(tǒng)對(duì)絕緣子的絕緣性能需求，通常情況下均會(huì)在普通絕緣子的瓷件上面涂抹一層釉。同時(shí)普通柱式絕緣子的瓷件與鑄鋼的連接方式為利用水泥膠混合在一起，由于絕緣子長(zhǎng)時(shí)間的在戶(hù)外環(huán)境工作，很容易存在雨水滲入的問(wèn)題，而一旦雨水滲入則會(huì)直接導(dǎo)致絕緣子喪失絕緣功能，因此為提升普通柱式絕緣子的防潮性能通常都會(huì)在膠合處涂抹一層防潮劑，以避免雨水的滲入影響絕緣功能。但由于傳統(tǒng)絕緣子在實(shí)際使用過(guò)程中還存在諸多問(wèn)題，其中最為嚴(yán)重的是普通柱式絕緣子的裂紋問(wèn)題，一旦發(fā)生則很容易導(dǎo)致柱式絕緣子失去其絕緣功能，尤其是在天氣驟然變化時(shí)，絕緣子故障的概率更高，故而需要對(duì)柱式絕緣子進(jìn)行優(yōu)化[2]。

現(xiàn)階段常用的柱式絕緣子為柱式復(fù)合絕緣子，該絕緣子是由環(huán)氧玻璃纖維棒制成芯棒并以硅橡膠為基本絕緣體，絕緣性能優(yōu)于普通柱式絕緣子。同時(shí)還原玻璃纖維材質(zhì)制成的芯棒強(qiáng)度高，不易產(chǎn)生裂紋，不會(huì)產(chǎn)生泄漏電流熱效應(yīng)，且發(fā)生雷擊之后柱式復(fù)合絕緣子表面會(huì)存在明顯的灼燒痕跡，這就能夠促使相關(guān)工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)柱式復(fù)合絕緣子遭受過(guò)雷擊、并及時(shí)進(jìn)行更換，保證柱式絕緣子的使用功能。

2 進(jìn)行柱式絕緣子綁扎金具研制的重要意義

據(jù)統(tǒng)計(jì)2020年某省因扎線飛脫引起10kV中壓故障停電468起。扎線飛脫還會(huì)造成裸導(dǎo)線相間短路、裸導(dǎo)線對(duì)橫擔(dān)放電導(dǎo)致斷線，甚至因?qū)Φ鼐嚯x不足存在巨大的安全隱患。目前我國(guó)柱式絕緣子綁扎金具的原材料主要包括兩種，一種是以鑄鐵為主的磁鐵材料，另一種是以A3鋼為主的合金原材料。

但經(jīng)過(guò)調(diào)查研究顯示，鑄鐵為主的磁鐵材料生產(chǎn)出的綁扎金具在實(shí)際使用過(guò)程中會(huì)影響柱式絕緣子的正常工作，磁鐵原材料會(huì)產(chǎn)生渦流，這就導(dǎo)致柱式絕緣子在實(shí)際工作過(guò)程中很容易受渦流的影響導(dǎo)致其絕緣性能降低，且伴隨著渦流損傷，致使架空線路中的電力能源流失，這不僅會(huì)影響電力系統(tǒng)正常、穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致企業(yè)面臨著經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益是十分不利的；以A3鋼為主的合金原材料自重較大，因此當(dāng)柱式絕緣子對(duì)金具規(guī)格要求較大時(shí)，則不宜使用A3鋼為主的合金原材料的金具，故而并不滿(mǎn)足現(xiàn)代電力企業(yè)的發(fā)展需求。

因此，我國(guó)電力領(lǐng)域需要開(kāi)展對(duì)柱式絕緣子綁扎金具的研制，尋找合適的制作原材料，在保證金具質(zhì)量及使用性能的同時(shí)，提升金具的節(jié)能性能與環(huán)保性能，從而才能在保證電力系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的協(xié)同發(fā)展。由此可見(jiàn)，開(kāi)展柱式絕緣子綁扎工具的研制是現(xiàn)代電力企業(yè)發(fā)展的需求，同時(shí)也是保證電力系統(tǒng)運(yùn)行安全性與可靠性的基本有求，開(kāi)展對(duì)柱式綁扎金具的研究對(duì)于幫助我國(guó)電力企業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3 高強(qiáng)度金具的研制

3.1 金具采用新型材料的可行性分析

A3鋼為主的合金原材料具備生產(chǎn)成本低、含碳量低、延展性高的優(yōu)勢(shì)，故而在以往的柱式絕緣子綁扎電力金具的制備中被廣泛使用，但就目前情況而言，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域也得到了快速的發(fā)展，現(xiàn)階段我國(guó)生產(chǎn)碳素鋼的技術(shù)相對(duì)成熟，故為解決A3鋼金具的問(wèn)題，相關(guān)領(lǐng)域的研究學(xué)者利用碳素鋼制作綁扎金具，并取得較好的研究成果。相比于A3鋼碳素鋼抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度更好，具備良好的機(jī)械性能，且據(jù)筆者調(diào)查研究，碳素鋼的抗拉強(qiáng)度依舊有可開(kāi)發(fā)空間，故而將碳素鋼應(yīng)用于柱式絕緣子綁扎金具的制備中，能實(shí)現(xiàn)降低自重目的。同時(shí)以碳素鋼為原材料生產(chǎn)的綁扎金具具備外觀小巧、安全可靠的優(yōu)勢(shì)，故而非常適用于柱式絕緣子綁扎金具的制作。

3.2 綁扎金具的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

為更好地分析碳素鋼在綁扎金具的制備工藝，本文開(kāi)展了對(duì)綁扎金具的設(shè)計(jì)試驗(yàn)，試驗(yàn)選取14個(gè)以碳素鋼為主要原材料制作的試驗(yàn)綁扎金具樣品，分為7組、每組2個(gè)，分別對(duì)7組綁扎金具不同環(huán)境下的抗拉性能試驗(yàn)。第一組綁扎金具為熱成型原始狀態(tài)，第二組作退火處理，第三組作正火風(fēng)冷卻處理，第四組作正火空氣冷卻處理，第五組作淬火低溫回火處理，第六組作淬火中溫回火處理，第七組作淬火高溫回火處理。

根據(jù)上述要求，分別對(duì)7組綁扎金具進(jìn)行加工處理并分析綁扎金具的抗拉強(qiáng)度，從而確定以碳素鋼為主要原材料的綁扎金具的最佳制備工藝。經(jīng)試驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)淬火加回火處理的綁扎金具相比于退火、正火加冷卻和原始狀態(tài)綁扎金具的抗拉性能高，普遍在650N/mm2以上，其中抗拉強(qiáng)度最高的為經(jīng)過(guò)淬火中溫回火處理的綁扎金具，抗拉強(qiáng)度高達(dá)850N/mm2，故而在實(shí)際制作柱式絕緣材料綁扎金具時(shí)，可選擇淬火加回火處理的制備工藝，并根據(jù)柱式絕緣子對(duì)綁扎金具抗拉強(qiáng)度的實(shí)際需求，合理的利用低溫、中溫或高溫進(jìn)行回火，從而避免了資源浪費(fèi)的問(wèn)題。

將上述制備的7組綁扎金具分別進(jìn)行荷載試驗(yàn)，根據(jù)綁扎金具的實(shí)際荷載極限，分別向7組綁扎金具添加40%、70%、100%的荷載壓力，經(jīng)試驗(yàn)表明，當(dāng)荷載力為40%時(shí)7組綁扎金具均未發(fā)生形變和裂紋；當(dāng)荷載力增加到70%時(shí)7組綁扎金具也未產(chǎn)生形變和裂紋；當(dāng)荷載力增加到100%時(shí)，起初1～4組綁扎金具產(chǎn)生形變但未見(jiàn)裂紋；試驗(yàn)達(dá)到5min時(shí)，5～7組綁扎金具產(chǎn)生形變，7組綁扎金具均未見(jiàn)裂紋，此時(shí)最小形變量為第7組綁扎金具、形變量為2mm，最大形變量為第1組綁扎金具、形變量為4.3mm，對(duì)第7組綁扎金具繼續(xù)增加荷載力、直至綁扎金具斷裂。

經(jīng)試驗(yàn)證明，以碳素鋼為主要原材料制備的綁扎金具荷載性能良好，雖在最大荷載力時(shí)產(chǎn)生了形變但并未發(fā)生裂紋，且形變量最低的第1組綁扎金具在承受419荷載前并未發(fā)生形變，第7組綁扎金具斷裂時(shí)承受的荷載力為516，故能夠滿(mǎn)足柱式絕緣子對(duì)綁扎金具使用性能的需求。

4 高效節(jié)能系列金具的研制

現(xiàn)階段應(yīng)用于柱式絕緣子綁扎金具制備的高效節(jié)能型原材料為PA-G-F-200型改性增強(qiáng)型尼龍材料。為滿(mǎn)足現(xiàn)代電力領(lǐng)域的發(fā)展需求，柱式絕緣子綁扎金具也需要具備節(jié)能減排、低碳環(huán)保的功能，而PA-G-F-200型改性增強(qiáng)型尼龍材料是由廢棄塑料經(jīng)過(guò)改性加工得來(lái)的金具原材料，具備良好的資源節(jié)約性能，且廢棄塑料的回收也能減輕我國(guó)的環(huán)境壓力，實(shí)現(xiàn)廢棄資源的合理利用，故而現(xiàn)階段深受我國(guó)廣大電力企業(yè)的喜愛(ài)。

同時(shí)，經(jīng)相關(guān)試驗(yàn)表明，以PA-G-F-200型改性增強(qiáng)型尼龍材料為原材料的柱式絕緣子綁扎金具具備良好的力學(xué)性能、抗腐蝕性能及抗老化性能，且該種材料為非金屬材質(zhì)，質(zhì)地輕，故而生產(chǎn)出來(lái)的金具自重較輕，能滿(mǎn)足柱式絕緣子對(duì)綁扎工具的基本需求。同時(shí)該種材質(zhì)的綁扎金具具備良好的抗干擾能力，能夠防止紫外線、空氣中雜質(zhì)對(duì)金具產(chǎn)生影響，故而其具備良好的發(fā)展前景。現(xiàn)階段利用PA-G-F-200型改性增強(qiáng)型尼龍材料生產(chǎn)出的綁扎金具材料主要包括懸垂線夾、螺栓型耐張線夾及高分子輕質(zhì)間隔棒。

柱式絕緣子是電力系統(tǒng)的重要組成部分，其直接影響著電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性，而若想柱式絕緣子能夠良好的發(fā)揮其功能，就須合理進(jìn)行綁扎金具的制作，以確保柱式絕緣子能夠正常、穩(wěn)定的進(jìn)行工作。高效節(jié)能系列金具的研制不僅能在環(huán)保、廢利的前提下實(shí)現(xiàn)節(jié)能、降耗，還能降低電力企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本，同時(shí)，高效節(jié)能系列金具的自主研制已取得階段性的研究成果，完全符合電力金具國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，故而其具備良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

綜上，現(xiàn)階段，常用的新型柱式絕緣子綁扎金具為以碳素鋼為主要原材料和以PA-G-F-200型改性增強(qiáng)型尼龍材料為主要原材料的高效節(jié)能系列金具，上述工具不僅具備良好的使用性能，且具備低碳環(huán)保、節(jié)能減排的功能，故而在我國(guó)未來(lái)的電力領(lǐng)域當(dāng)中具有廣闊的發(fā)展前景。