500 kV絕緣桿實(shí)用型操作頭的設(shè)計(jì)及制作

孫紅梅，張　凱

(1. 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司檢修分公司，遼寧　沈陽　110003；2. 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧　沈陽　110006)

1　絕緣桿使用概述

近些年，東北電網(wǎng)500 kV主網(wǎng)架已經(jīng)覆蓋了東北地區(qū)的絕大部分電源基地和負(fù)荷中心[1]，隨著電網(wǎng)大力發(fā)展，相應(yīng)電壓等級(jí)的一次設(shè)備得到廣泛使用。由于該電壓等級(jí)下設(shè)備體積大、高度較高，綁梯困難，有時(shí)斗車無法開進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)，而絕緣桿由于其伸縮自如、重量適中、維護(hù)方便等特點(diǎn)，在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用[2]。且在生產(chǎn)實(shí)踐中，對(duì)于500 kV高壓設(shè)備，試驗(yàn)多采用不拆引線試驗(yàn)方法[3-4]，該試驗(yàn)方法使絕緣桿成為了試驗(yàn)中不可或缺的安全工器具。同時(shí)，由于500 kV高壓設(shè)備較220 kV及以下電壓等級(jí)的電網(wǎng)設(shè)備有很大差異，對(duì)其進(jìn)行相關(guān)檢修測(cè)試時(shí)，對(duì)絕緣桿的要求也不同，市場(chǎng)常見絕緣桿更適合于220 kV以下的配電網(wǎng)設(shè)備檢修測(cè)試工作。

絕緣桿是對(duì)500 kV設(shè)備進(jìn)行電氣試驗(yàn)作業(yè)時(shí)使用的最主要的絕緣安全工器具，作業(yè)中要求絕緣桿應(yīng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和電氣絕緣強(qiáng)度。常見的絕緣桿桿體多采用環(huán)氧樹脂、高強(qiáng)玻璃纖維制成[5]，絕緣水平、硬度、韌性等各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足生產(chǎn)實(shí)際需求。

經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，絕緣桿的使用能夠避免試驗(yàn)作業(yè)人員攀爬高壓設(shè)備，防止高空墜落發(fā)生，有助于提高工作效率，降低了試驗(yàn)的危險(xiǎn)性。絕緣桿已成為試驗(yàn)專業(yè)必不可少的工器具。但在長(zhǎng)期的使用過程中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有試驗(yàn)桿在進(jìn)行500 kV設(shè)備試驗(yàn)過程中存在接觸不良、不牢固等問題，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，引起問題的主要原因是絕緣桿的操作頭結(jié)構(gòu)和材質(zhì)。

常見絕緣桿端部金屬操作頭為鍍鉻件或鋁合金材質(zhì)，與絕緣桿采用內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)連接(見圖1)。但操作頭為鍍絡(luò)件時(shí)，由于其重量較重，當(dāng)絕緣桿伸長(zhǎng)到8 m時(shí)，操作頭重量將使得絕緣桿發(fā)生彎曲變形、搖擺，導(dǎo)致試驗(yàn)接線困難，且這些操作頭的結(jié)構(gòu)不適用于500 kV一次設(shè)備相關(guān)電氣試驗(yàn)接線及測(cè)試項(xiàng)目。

圖1　常見絕緣桿金屬操作頭

高壓試驗(yàn)使用絕緣桿的頻率高，且對(duì)絕緣桿操作頭的結(jié)構(gòu)有獨(dú)特要求，為了能夠安全高效地完成試驗(yàn)任務(wù)，結(jié)合自身工作經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)和制作了符合電氣試驗(yàn)專業(yè)現(xiàn)場(chǎng)需求的絕緣桿操作頭。

2　設(shè)計(jì)與制作

查詢并對(duì)比了其他500 kV作業(yè)班組或單位的絕緣桿操作頭結(jié)構(gòu)情況，發(fā)現(xiàn)各班組均使用了自制絕緣桿操作頭進(jìn)行高壓試驗(yàn)，但是操作頭結(jié)構(gòu)各不相同，包括了“問號(hào)”形、倒“人”字形等，這些結(jié)構(gòu)在進(jìn)行直流1 mA電壓試驗(yàn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)接觸不穩(wěn)定進(jìn)而需要工作人員手扶持，使得工作人員面臨接觸到高電壓的風(fēng)險(xiǎn)(見圖2)。

(a)側(cè)視圖(b)俯視圖圖2　其他班組自制接頭

為了提高試驗(yàn)專業(yè)的工作效率，順利完成試驗(yàn)任務(wù)，結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，從操作頭的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和制作等幾個(gè)方面著手，設(shè)計(jì)及制作出具有自身特點(diǎn)的絕緣桿操作頭。絕緣桿操作頭的設(shè)計(jì)及制作主要從操作頭的選材、制作及與絕緣桿端部連接幾個(gè)方面入手。

2.1　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1操作頭端部設(shè)計(jì)

在高壓試驗(yàn)中絕緣桿主要用于連接在橫梁或螺紋處，故在操作頭端部設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮到在這些結(jié)構(gòu)處連接良好。經(jīng)過反復(fù)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)對(duì)于橫梁連接處，可采用掛鉤連接較為牢靠，在螺紋連接處采用環(huán)形鉤掛方法更為合理。總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(a)側(cè)視圖(b)俯視圖圖3　本設(shè)計(jì)自制接頭

考慮到方便保存和使用，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)橫梁及螺紋的尺寸，最終將操作頭的尺寸確定為較大掛鉤為曲率半徑約R100～R120橢圓形，環(huán)形鉤掛為R10～R20的圓環(huán)形，兩個(gè)環(huán)形結(jié)構(gòu)位于同一水平面，該水平面與絕緣桿本體成90°～135°夾角，并與本體相距15～20 cm，方便使用者靈活操作。

2.1.2連接部位設(shè)計(jì)

在連接部位設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮了該部位所要承受的拉力、連接的穩(wěn)定性及制作成本。絕緣桿整體重量約3 kg，考慮到室外作業(yè)經(jīng)常有大風(fēng)，故連接部位應(yīng)能夠承受至少30 N的拉力。內(nèi)嵌式連接方式制作復(fù)雜，成本高，為了保證連接穩(wěn)定可靠，且成本控制在能接受的范圍內(nèi)，故采用點(diǎn)連接與面連接相結(jié)合的方式將操作頭與絕緣桿本體相連。點(diǎn)連接是指通過橫向貫穿桿體進(jìn)行連接，面連接是指用螺旋纏繞的方式進(jìn)行連接。點(diǎn)連接可提高絕緣桿的縱向抗拉能力，面連接結(jié)構(gòu)在輔助縱向拉力的前提下，保證操作頭的橫向穩(wěn)定性。

市場(chǎng)所售絕緣桿操作頭采用內(nèi)嵌式連接方法，是在端部打孔后用螺栓連接內(nèi)嵌金屬部件，這種連接方法的力學(xué)性能經(jīng)測(cè)試是滿足相關(guān)要求的，內(nèi)嵌式操作頭的金屬延伸長(zhǎng)度超過打孔部位3～5 cm，測(cè)試時(shí)其電氣性能滿足要求。為了保證連接部位設(shè)計(jì)的合理性，絕緣桿端部橫穿孔的部位及大小均與廠家進(jìn)行了研究探討，綜合分析后決定在相同部位打孔連接自制絕緣桿操作頭，其力學(xué)性能滿足要求。該自制絕緣桿操作頭連接方法使得金屬長(zhǎng)度截止到打孔部位，相比較與內(nèi)嵌式連接方法，有助于絕緣桿本體的有效絕緣長(zhǎng)度增加3～5 cm，電氣性能得到提高。

2.2　制作

2.2.1選定原料

a. 操作頭材料(見表1)

根據(jù)高壓試驗(yàn)中絕緣桿的應(yīng)用情況，選定操作頭的材質(zhì)。絕緣桿頭部在試驗(yàn)中需要承受較大的重量，故其應(yīng)具備足夠的硬度和抗拉強(qiáng)度，承受30 N的力，不應(yīng)在工作中變形斷裂，且應(yīng)具有較高的導(dǎo)電性和抗氧化性，本身不應(yīng)有太大重量。在充分考慮到制作成本及操作的可行性后，最終選擇半徑0.3 cm圓形截面低碳鋼熱鍍鋅鐵絲即10號(hào)鋼絲(GB/T699—1999)。

表1　操作頭材料技術(shù)指標(biāo)

b. 輔助材料(見表2)

為了保證端頭的穩(wěn)定性，并且減少操作頭在施加電壓時(shí)的尖端局部放電，降低泄漏電流的大小，在本操作接頭的連接部位必須使用到PVC電工電線絕緣阻燃塑料膠帶。

表2　輔助材料技術(shù)指標(biāo)

2.2.2制作及安裝

根據(jù)操作頭設(shè)計(jì)情況，截取約160 cm長(zhǎng)的10號(hào)鋼絲，將2端分別打磨成半球狀界面，然后將所選鋼絲一端繞制成R20的封閉小圓環(huán)，然后在同一端制成R100的大環(huán)狀結(jié)構(gòu)，開口約30°，小圓環(huán)嵌套在大圓環(huán)內(nèi)，2個(gè)圓環(huán)位于同一個(gè)水平面內(nèi)。

為了操作頭與絕緣桿端部接觸牢固，且能承受足夠的重量，選擇距離絕緣桿端部5～7 cm處用電鉆打孔。電鉆鉆孔時(shí)進(jìn)度要緩慢，防止在絕緣桿端部產(chǎn)生沖擊裂紋后，承重時(shí)發(fā)生斷裂。打出穿孔后，將10號(hào)鋼絲穿過孔，使得操作頭的大圓環(huán)距離絕緣桿本體約15～20 cm，然后將剩余的鋼絲進(jìn)行鉸接且緊密規(guī)則的纏繞在絕緣桿預(yù)留的5～7 cm端部。

此時(shí)的操作頭仍然不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生輕微晃動(dòng)，為了徹底固定操作頭，必須使用PVC絕緣密封膠帶進(jìn)行多層緊密纏繞對(duì)其進(jìn)行緊固處理。同時(shí)，纏繞絕緣膠帶可以避免端部尖端放電，保證操作頭與手柄的有效絕緣長(zhǎng)度，減少泄漏電流。自制絕緣桿操作頭見圖4。

圖4　自制絕緣桿操作頭

2.3　應(yīng)用情況

2.3.1性能測(cè)試

為了絕緣桿的各項(xiàng)性能是否復(fù)合規(guī)程[6-7]要求，將制作的絕緣桿送至有資質(zhì)的單位進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3、表4所示。

表3　絕緣桿絕緣電阻測(cè)試結(jié)果

表4　絕緣桿泄漏電流測(cè)試結(jié)果

結(jié)果顯示，使用了本文設(shè)計(jì)操作頭的絕緣桿，其絕緣電阻率及泄漏電流檢測(cè)結(jié)果合格。

2.3.2實(shí)際應(yīng)用

為了延長(zhǎng)絕緣桿操作頭的使用壽命，在使用時(shí)先將測(cè)試線夾在絕緣桿操作頭部位，再將測(cè)試線接近絕緣桿端頭部分用絕緣膠帶綁定在絕緣桿處，如圖5所示，減少高壓線對(duì)操作頭的橫向拉力。

圖5　絕緣桿接線方法

該絕緣桿操作頭制作完成后，可用其進(jìn)行多種試驗(yàn)項(xiàng)目，例如500 kV避雷器直流1 mA電壓、0.75U1mA電壓下泄漏電流、絕緣電阻測(cè)試，500 kV電壓互感器介損、電容量及絕緣電阻等諸多試驗(yàn)項(xiàng)目。現(xiàn)場(chǎng)利用自制絕緣桿測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)與原測(cè)試方法所得一組結(jié)果相比較，如表5所示。

從表5可發(fā)現(xiàn)，自制絕緣桿在進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試項(xiàng)目時(shí)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)無影響。在進(jìn)行避雷器、互感器上節(jié)進(jìn)行測(cè)試時(shí)絕緣桿能夠牢固接觸且加壓，不用

表5　直流1 mA電壓試驗(yàn)數(shù)值　V

作業(yè)人員肢體接觸絕緣桿，提升了作業(yè)人員的安全性。

3　結(jié)論

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用情況的分析，發(fā)現(xiàn)自制絕緣桿操作頭的設(shè)計(jì)及制作，均充分考慮了超高壓設(shè)備試驗(yàn)的特點(diǎn)。在實(shí)際使用中，不僅提高了試驗(yàn)的效率，使得試驗(yàn)接線效率大幅提高，而且避免了人員接觸高電壓的危險(xiǎn)。該自制絕緣桿操作頭具有下幾個(gè)特點(diǎn)。

a. 絕緣桿操作頭結(jié)構(gòu)新穎，該結(jié)構(gòu)解決了測(cè)試中接觸可靠性、牢固性問題。

b. 所設(shè)計(jì)操作頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，且容易制作安裝。

c. 所設(shè)計(jì)操作頭能有效降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，適合在500 kV作業(yè)單位推廣使用。

自制絕緣桿操作頭，不僅節(jié)約了工器具采買、制作的費(fèi)用，且提高了試驗(yàn)接線的可操作性和安全性，同時(shí)考慮到作業(yè)人員在200 kV直流高壓環(huán)境中的潛在危險(xiǎn)，成功解決了無工作人員支撐時(shí)絕緣桿操作頭的可靠連接。