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

國網(wǎng)揚州供電公司 劉驍揚 劉遠偉

1 復(fù)合絕緣橫擔技術(shù)的主要特點

降低風偏閃絡(luò)事故的風險。在超高壓架空輸電線路的運行過程中，在結(jié)構(gòu)布局設(shè)計等相關(guān)因素的制約下，外界環(huán)境對輸電線路路運行的影響較為明顯。風偏閃絡(luò)事故主要指由強風引發(fā)的線路震蕩造成的一種輸電線路故障。此故障不僅會引發(fā)斷線，同時還可能導(dǎo)致短路。而與此同時受到復(fù)合絕緣橫擔物理性能特征的影響，使架空線路桿塔可采取長度較短的連接聯(lián)板與導(dǎo)線，有效強化桿塔結(jié)構(gòu)對強風與線路震蕩的適應(yīng)能力，減少風偏閃絡(luò)事故的發(fā)生，確保500kV 超高壓架空輸電線路的安全運行[1]。

實現(xiàn)對走廊寬度的有效控制。相較于傳統(tǒng)的橫擔設(shè)計，采用復(fù)合絕緣橫擔技術(shù)對架空線路桿塔進行建設(shè)，能夠?qū)崿F(xiàn)對線路走廊寬度的有效控制，減少超高壓線路運行過程中對走廊空間的依賴，減少超高壓線路建設(shè)過程當中對周邊環(huán)境的影響，強化超高壓輸電線路建設(shè)運行過程中的社會效益與環(huán)境效益。

節(jié)約輸電桿塔的建設(shè)成本。在超高壓輸電線路的建設(shè)和使用過程中，其建設(shè)成本已成為項目投資支出中的重要組成部分。而基于復(fù)合絕緣橫擔技術(shù)進行現(xiàn)場施工，能夠?qū)崿F(xiàn)對輸電線路桿塔高度的有效控制，降低桿塔建設(shè)時對鋼材混凝土的依賴，顯著節(jié)約輸電桿塔的建設(shè)成本，提升了輸電桿塔環(huán)境適應(yīng)能力。自然環(huán)境當中的溫度變化、降水等因素都會導(dǎo)致桿塔結(jié)構(gòu)受到腐蝕，影響其正常運行。復(fù)合絕緣橫擔技術(shù)能顯著加強桿塔結(jié)構(gòu)對惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力，更好地滿足500kV 超高壓輸電線路建設(shè)目標及建設(shè)要求。

2 復(fù)合絕緣橫擔技術(shù)在500kV 架空輸電線當中的應(yīng)用

2.1 復(fù)合橫擔結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1.1 材料選用

一是纖維材料，作為直接影響桿塔橫擔結(jié)構(gòu)強度的關(guān)鍵所在，合理選擇復(fù)合纖維材料對提升橫擔結(jié)構(gòu)的絕緣性能、強度與協(xié)調(diào)性有重要作用。在電氣工程建設(shè)過程中，常用的纖維材料類別主要包括玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、陶瓷纖維、硼纖維等。其中，E-玻纖在性能表現(xiàn)、使用成本、維護便捷性等層面達成了相對的平衡，在實踐使用過程中能夠達成較好的效果。

二是樹脂基體材料，作為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的重要組成部分，樹脂基體起著重要的載荷傳遞與保護作用。在電氣工業(yè)生產(chǎn)實踐過程中，常用的樹脂基體材料主要包括環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂，以及酚醛樹脂等。在上述幾種樹脂材料中，環(huán)氧樹脂的性能參數(shù)較為突出，其拉伸強度能夠達到98～210MPa，延伸率能夠達到4%，剪切強度可達60～70MPa，壓縮強度可達210～60MPa，彎曲強度可達140～210MPa。此外，從樹脂基體材料的使用成本來看，環(huán)氧樹脂略高于酚醛樹脂與乙烯基樹脂，但幅度不明顯，綜合考量材料性能與使用支出，可采用環(huán)氧樹脂作為復(fù)合橫擔的樹脂基體[2]。

三是傘裙材料，在復(fù)合絕緣橫擔傘裙生產(chǎn)制作和使用過程當中，需要該類材料具備較好的防水性能與耐腐蝕性能，現(xiàn)階段常用的復(fù)合絕緣傘裙材料主要為硅橡膠，其最低污閃電壓為140kV，抗腐蝕周期能夠達到1000h，因此可應(yīng)用于500kV 超高壓架空輸電線路的桿塔橫擔中。

2.1.2 截面形式

在復(fù)合絕緣橫擔的設(shè)計過程中，除了材料的選擇外，其截面形式的相關(guān)參數(shù)指標同樣與其承載能力息息相關(guān)，因此在方案設(shè)計，相關(guān)技術(shù)團隊應(yīng)當綜合考量500kV 超高壓架空線路的運行特性及其穩(wěn)定性需求，從而更好地確定復(fù)合絕緣橫擔的結(jié)構(gòu)特點。其中，鋼材料/復(fù)合材料的不同構(gòu)件長細比閾值如下：受壓主材150/80、受壓材200/100、輔助材250/150、受拉材400/300。一般常見的橫擔截面形式主要有L形、方形和圓形三種類別，其中圓形截面的力學(xué)性能最佳，加工最為便捷，在施工安裝與連接工作的開展過程當中同樣也表現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢，因此可選用圓形截面作為復(fù)合絕緣橫擔的主要截面形式。

要切實參考項目實際建設(shè)要求以及線路使用標準要求，完成對復(fù)合橫擔用柱式絕緣子截面規(guī)格的設(shè)計。以筆者參建的某500kV 超高壓架空線路復(fù)合絕緣橫擔窄基塔施工項目為例，該塔位于A 村，地處平原，海拔約98m；塔基礎(chǔ)根開2913mm×2918mm，呼高約36m。項目所使用的復(fù)合橫擔用柱式絕緣子部分技術(shù)參數(shù)設(shè)定如下：上橫擔總長4921mm，絕緣距離3545mm，公稱爬距16092mm，軸向彎曲強度不超過800MPa，使用環(huán)境溫度在-40℃至80℃的范圍內(nèi)。中橫擔總長6900mm，絕緣距離5564mm，公稱爬距24157mm，軸向彎曲強度不超過800MPa，使用環(huán)境溫度在-40℃至80℃的范圍內(nèi)。下橫擔總長5045mm，絕緣距離3599mm，公稱爬距16146mm，軸向彎曲強度不超過800MPa，使用環(huán)境溫度在-40℃至80℃的范圍內(nèi)。

相較來說，該復(fù)合橫擔用柱式絕緣子的中橫擔總長更長，超出上橫擔與下橫擔總長均約2000mm。這樣的尺寸設(shè)計原因在于，本項目所搭建的基復(fù)合橫擔塔屬于雙回路同塔并架塔，為確保上中下這三相線路可以實現(xiàn)有序排列，并能夠切實滿足在距離方面的要求，在設(shè)計階段重點針對中橫擔總長實施了加長處理。此時中橫擔的絕緣距離也隨之增大。在安裝階段，中橫擔所使用的金具與上橫擔、下橫擔所使用的金具不盡相同，但是均能夠滿足本項目建設(shè)及線路運行標準要求。

2.1.3 結(jié)構(gòu)分析

常見的復(fù)合材料橫擔結(jié)構(gòu)形態(tài)主要包括單橫擔結(jié)構(gòu)、單橫擔+單拉桿結(jié)構(gòu)、雙橫擔V 形結(jié)構(gòu)、三橫擔組合結(jié)構(gòu)、兩橫擔+兩拉桿組合結(jié)構(gòu)，以及單橫擔+三拉桿組合結(jié)構(gòu)等幾種不同類別。在500kV超高壓架空線路桿塔設(shè)計與施工過程中，主要選用兩橫擔+兩拉桿組合結(jié)構(gòu)或單橫擔+三拉桿組合結(jié)構(gòu)。為保障最終結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定可靠，現(xiàn)針對兩種絕緣橫擔的結(jié)構(gòu)參數(shù)與表現(xiàn)情況進行對比與分析。其中，將橫擔塔水平載荷設(shè)定為0N，垂直載荷設(shè)定為20522N，縱向線載荷設(shè)定為19274N，不同結(jié)構(gòu)下受力參數(shù)如下。

在兩橫擔+兩拉桿組合結(jié)構(gòu)當中，壓桿直徑設(shè)定為70mm，拉桿直徑設(shè)定為30mm，整體重量為37kg，通過模型導(dǎo)入及參數(shù)指標帶入進行仿真模擬過后可得出結(jié)果，橫擔變形幅度為5.39mm，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為38.3MPa。在單橫擔+三拉桿組合結(jié)構(gòu)當中，壓桿直徑與拉桿直徑取相同值，整體重量為23.5kg，結(jié)構(gòu)變形幅度為12.5mm，最大應(yīng)力為64.8MPa。

由此可見，在對超高壓桿塔復(fù)合絕緣橫擔進行設(shè)計、安裝和施工的過程中，可選用兩橫擔+兩拉桿組合結(jié)構(gòu)作為其主要結(jié)構(gòu)形態(tài)，一方面能夠使橫擔在結(jié)構(gòu)受力變形的情況得到有效控制，另一方面還能有效提升方案設(shè)計與規(guī)劃效率，使橫擔符合設(shè)計要求。

2.2 復(fù)合橫擔電氣設(shè)計

2.2.1 塔頭設(shè)計

第一，在對復(fù)合絕緣橫擔方案進行設(shè)計之前，需要明確導(dǎo)線之間的距離?！?10～500kV 架空送電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，桿塔地線間距離應(yīng)小于等于地線與導(dǎo)線垂直距離的5倍，而地線與導(dǎo)線間距計算公式為：

S ≥0.012L+1

其中，S 為導(dǎo)線與地線之間的距離（m），L 為檔距（m）。

第二，需要針對塔頭尺寸進行合理設(shè)計，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)當考慮到復(fù)合橫擔結(jié)構(gòu)兩側(cè)金屬壓接構(gòu)件對尺寸設(shè)計產(chǎn)生的相關(guān)影響，在500kV 超高壓輸電線路桿塔橫擔塔頭進行設(shè)計的過程中，可將上橫擔長度設(shè)為1300mm，中橫擔長度設(shè)為1800m，下橫擔長度設(shè)為1300mm，與此同時，針對橫擔之間產(chǎn)生的偏移量情況進行監(jiān)測，確保最終結(jié)果與塔頭設(shè)計規(guī)定相吻合；最后，需要分別針對防雷保護角度及間隙圓進行設(shè)計，其中，500kV 桿塔復(fù)合絕緣橫擔防雷保護角可設(shè)為10°～15°，間隙圓帶電距離設(shè)定為1200mm。

2.2.2 絕緣配合

在超高壓架空線路桿塔復(fù)合橫擔的設(shè)計與建設(shè)過程中，為滿足其電氣絕緣要求，強化輸電系統(tǒng)運行性能，需要針對現(xiàn)場的絕緣配合情況進行計算。

第一，需要針對絕緣爬距進行計算，具體公式為：

mL0≥λUⅢ/Ke

其中，m 為超高壓輸電桿塔當中單位絕緣子片數(shù)數(shù)值，λ 為桿塔不同工況條件下的爬電數(shù)值，Um為系統(tǒng)內(nèi)部電壓狀況，K0為絕緣子爬電距離系數(shù)，L0為實際測出的單位絕緣子爬電距離參數(shù)?；谏鲜龉接嬎愫蟮贸?，500kV 超高壓架空輸電線桿塔橫擔絕緣爬距為207.9cm。

第二，需針對按操作過電壓閾值進行計算，具體公式為：

US≥K1Ue

其中，Ue為相對地統(tǒng)計操作過電壓，K1為絕緣子串操作過電壓統(tǒng)計配合系數(shù)，取值1.17。計算后，按操作過電壓閾值為118.4kV；然后對按雷電過電壓閾值進行計算，相關(guān)技術(shù)人員需要綜合考量橫擔材料絕緣水平通過現(xiàn)場測試對相關(guān)閾值進行測算。

實踐中，要求及時展開電氣試驗，以此檢驗絕緣性能是否滿足現(xiàn)實需要。以前文所述的項目為例。該項目中使用了由兩個斜向上的V 形絕緣子串構(gòu)成拉桿絕緣子，所設(shè)定的主要技術(shù)參數(shù)為：上橫擔總長為4803mm，最小爬距為16010mm，工作荷載為150kN，破壞荷載不超過420kN。中橫擔總長為6991mm，最小爬距為16010mm，工作荷載為150kN，破壞荷載不超過420kN。下橫擔總長為5272mm，最小爬距為16010mm，工作荷載為150kN，破壞荷載不超過420kN。展開電氣試驗后，得到的絕緣橫擔的濕操作沖擊耐受電壓為+1150V；工頻1min 濕耐受電壓為740V；干雷電沖擊耐受電壓為+1950V，滿足線路實際使用需要。

2.2.3 繞擊率計算

繞擊率是評估并分析超高壓架空線路對雷電現(xiàn)象抵御能力的重要指標參數(shù)。相關(guān)人員可結(jié)合線路桿塔分布位置對繞擊率進行計算，其中平原環(huán)境下的線路與山區(qū)環(huán)境當中的線路繞擊率存在一定的差異，因此在計算過程當中，還應(yīng)當考慮到地線保護角的大小，確保最終結(jié)果準確可靠。

2.3 復(fù)合橫擔安裝與施工

在復(fù)合橫擔技術(shù)的應(yīng)用過程中，除了整體方案的設(shè)計規(guī)劃工作外，現(xiàn)場安裝與施工同樣具有至關(guān)重要的作用。第一，施工團隊應(yīng)當做好復(fù)合絕緣橫擔的安裝準備工作，明確地面安裝位置，并合理放置導(dǎo)向滑車，使傘裙結(jié)構(gòu)得到充分有效地保護；第二，分別通過螺栓將掛線板、鐵塔、絕緣子、長度調(diào)節(jié)金具等相關(guān)構(gòu)件進行連接，同時對調(diào)節(jié)金具進行限位，使其使用壽命得到充分延長，性能得到有效發(fā)揮；第三，為了盡可能保障施工安裝現(xiàn)場的安全，避免在安裝過程當中出現(xiàn)風險問題，技術(shù)人員及現(xiàn)場安裝施工人員應(yīng)當盡可能采取坐姿進行安裝作業(yè)，減少安裝過程當中橫擔受損的情況發(fā)生。

3 復(fù)合絕緣橫擔塔運維工作注意事項

明確復(fù)合橫擔塔運維與檢測標準。為進一步保障復(fù)合絕緣橫擔塔運行使用性能達到預(yù)期要求，相關(guān)單位及管理團隊應(yīng)當結(jié)合其運行特性與設(shè)計特性明確復(fù)合橫擔塔運維與檢測標準，并且在針對超高壓桿塔復(fù)合絕緣橫擔進行運維檢測的同時，還應(yīng)當針對各時段周期的橫擔狀態(tài)進行記錄，并進行綜合比對，明確復(fù)合絕緣橫擔的性能變化綜合狀態(tài)，有效提升運維檢測針對性。

及時組織力量進行運行狀態(tài)巡視。為了更加及時直觀地掌握500kV 超高壓桿塔復(fù)合絕緣橫擔的運行狀態(tài)，有效規(guī)避其運行和使用過程當中面臨的問題和風險，有關(guān)管理部門應(yīng)當及時組織力量進行狀態(tài)巡視工作。第一，應(yīng)當明確桿塔橫擔巡視周期，一般可定為一個月，其中夏冬兩季可適當對周期進行縮短；第二，應(yīng)合理選定桿塔橫擔巡視策略及巡視方法，一般來說，管理部門可采取無人機巡視與地面巡查相結(jié)合的手段，當發(fā)現(xiàn)異常時，要登塔做進一步查驗；第三，在特殊時段或極端氣候來臨時，還應(yīng)當強化巡視密度，提升巡查效果。