碳纖維技術在配網帶電作業方面中的應用

滿建越 張建偉 高永強 辛國寶

（國網甘肅省電力公司武威供電公司，甘肅 武威 733000）

1 背景介紹

隨著科技的持續發展，10kV 配網帶電作業檢修水平已經取得了長足的進步，其主要優勢在于：①縮短停電時間：相比于其他檢修作業方式而言，配網帶電作業方法能夠大大縮短停電時間，減小線路檢修工作帶給居民生活以及工業生產的影響。同時，停電時間的縮短，也有助于減少電量的損失，可以節約更多電力能源；②縮短檢修時間：就一般線路的檢修工作而言,落實安全技術措施保障,是實施線路檢修的前提。不論是停電、送電，還是掛、拆接地線，都會耗費很多時間。就拿10kV 配網的檢修工作來說，停電檢修工作所耗費的平均時間大概在4 小時左右，檢修人員大概要5-8 人，需用的作業車至少兩臺。若是采用帶電作業方法進行檢修工作，所耗費的平均時間大概在2 小時左右，檢修人員只需配備3-5 人，需一臺作業車即可。雖然說帶電作業方法在早期的投入成本相對較高，但從長遠角度來說，帶電作業方法比停電作業方法在效率上更高，而且減少了人力物力的支出；③及時進行配網線路消缺：配網帶電作業方法具有方便、快速的特點，在發現設備故障時，作業人員不需要再像以前停電作業方法那般先通知沿線用戶做好停電準備，只需要及時利用絕緣防護工具對線路缺陷進行處理，就可以完成線路檢修工作，這不但提高了配網線路的搶修效率，減少了電量損失，同時還避免了很多不必要的麻煩。

近年來，配網帶電作業方法也呈現出多樣化特點，當前主要有以下四種帶電作業方法，其優劣勢情況也各不相同，具體情況如下：

（1）絕緣桿作業法，是指作業人員與帶電體保持《電業安全工作規程》規定的安全距離，通過絕緣工器具進行作業的方式。絕緣桿作業方法既可在登桿作業中采用，也可在斗臂車的工作斗或其它絕緣平臺上采用。其優勢在于作業絕緣工器具成本造價低、運輸攜帶及操作都較為簡便，而且作業不受地形限制，作業前的準備工作和作業過程中需要的人力較少，所以目前應用最為廣泛；其劣勢在于作業時對作業人員的技能水平要求較高，且需要攀爬登高作業，作業人員勞動強度大，存在一定的安全隱患。

（2）絕緣手套作業法，是指作業人員借助絕緣斗臂車或其它絕緣設施(人字梯、絕緣平臺等)與大地絕緣并直接接近帶電體，作業人員穿戴全套絕緣防護用具，與周圍物體保持絕緣隔離，通過絕緣手套對帶電體進行檢修和維護的作業方法。在配網線路的帶電作業中，不允許作業人員穿戴屏蔽服和導電手套，采用等電位方式進行作業，絕緣手套法也不應混淆為等電位作業法。絕緣手套作業法優勢在于作業人員的勞動強度低，無需爬桿作業；其劣勢在于受地形限制較為嚴重，必須是斗臂車或者絕緣平臺能夠展開搭建的區域，否則無法作業，而且作業前期的準備工作較多，不但作業人員需要穿戴絕緣服，導線也需要使用大量的絕緣毯對導線進行遮蔽包裹，對于安全防護要求較高，所以作業效率一般。

（3）旁路作業法，是指在某段線路出現突發故障需要停電檢修或需要改造時, 使用旁路斷路器和旁路電纜等設備將客戶的負荷轉移之后再進行檢修或者改造工作，整個作業過程可實現“不限客戶一度電”。其優勢在于可以進行復雜故障的檢修，而且作業安全性較高；劣勢在于作業前期準備工作較多，耗費人力物力較多。

（4）絕緣斗臂車機器人作業法，是指采用絕緣斗臂車搭載著智能機器人進行高空帶電作業的方法，其具有升空便利、機動性強、機械強度高、電氣絕緣性能好、作業安全性高等優勢。其劣勢在于受地形限制較為嚴重，必須是斗臂車能夠到達的區域方可進行作業，而且對于作業人員操控設備的技巧要求較高。

以上四種作業方法優劣勢各異，其中尤其以絕緣操作桿作業法應用最為廣泛，接下來我們將著重分析論述操作桿作業法所使用的工器具升級改造方案。

2 產品現狀

通過調研得知，目前廣泛使用的帶電作業工器具，由于結構及制造工藝落后，存在著重量過重、運輸不便、功能單一、操控性及耐久性差等一系列問題，已經無法完全滿足使用要求，所以急需研制一系列輕量化的帶電作業工器具，來有效改善配網帶電作業環境。我們從帶電作業工器具所存在的關鍵問題切入，引入輕質高強的碳纖維復合材料，對帶電作業工器具進行全面的升級改造，引領國內外帶電作業工器具的新一輪革新。

3 碳纖維復合材料應用

碳纖維復合材料具有重量輕（密度一般是1.6-2.1g/cm3，比許多金屬材料要輕，鋁的密度約為2.7g/cm3，鐵的密度約為7.8g/cm3）、強度高（抗拉強度一般在3500MPa 以上，是鋼的7-9倍）、抗紫外、耐磨、耐沖擊、耐腐蝕等特點，是一種可完美替代金屬的高性能復合材料。

3.1 碳纖維工器具研制（典型案例）

3.1.1 導線剝皮工具的改造

導線剝皮器是配網帶電作業中使用最頻繁的一種復雜帶電作業工器具，其重量約為7kg，進口產品最輕的也在5kg 以上。我們通過剖析該產品結構，發現產品重量占比較高的部件是主承力殼體和傳動齒輪，其分別采用鑄鐵和碳鋼材質制作，所以我們使用碳纖維材料對其進行輕量化改造。

（1）剝皮器主承力殼體輕量化：主承力殼體（圖1）是剝皮器核心框架，在進行剝線作業時所產生的力全部作用在該結構上，使用碳纖維復合材料對該結構進行設計重造，在保證結構使用強度的條件下，降低重量75%以上，而且重造后的碳纖維主承力殼體（圖2）還兼有外防護功能，既耐磨又抗沖擊。

圖1 鑄鐵主承力殼體

圖2 碳纖維主承力殼體

（2）錐齒輪傳動機構輕量化：錐齒輪傳動機構（圖3）使用錐齒輪做力的主要傳動裝置，我們使用C-C 復合材料對錐齒輪進行加工重造，所制成的C-C 復合材料齒輪（圖4）在滿足機械強度的同時達到了減重、耐磨的要求，整體重量相比傳統的碳鋼齒輪降低60%以上。

圖3 碳鋼錐齒輪傳動機構

圖4 C-C 復合材料齒輪

3.1.2 碳纖維遮蔽罩工具改造

將原有的玻璃鋼與鋁合金相結合的遮蔽罩安裝工具（圖5），改造為碳纖維一體化工器具，使用碳纖維內負壓發泡模壓成型工藝一體成型，發泡材料密度僅為0.5g/cm3，成品碳纖維遮蔽罩安裝工具（圖6）相比傳統的安裝工具重量降低60%以上。

圖5 玻璃鋼遮蔽罩安裝工具

圖6 碳纖維遮蔽罩安裝工具

3.2 碳纖維快速連接件研制

研制一種操作桿碳纖維連接件（圖7），代替傳統的金屬螺紋連接件（圖8），不但重量輕（降低50%以上）、強度高，而且連接快速、質量可靠。

圖7 碳纖維連接件

圖8 金屬螺紋連接件

3.3 碳纖維通用梅花頭研制

研制一種碳纖維通用梅花連接頭（圖9），實現一桿多用，大幅提升絕緣操作桿利用率，工器具采購成本降低40%以上。

圖9

4 結論

以上所論述的輕量化工器具僅僅是眾多帶電作業工器具的冰山一角，未來我們還將持續對碳纖維復合材料在配網帶電作業方面的應用進行深入的探索與研究，爭取全面實現帶電作業工器具的全復合化，不但可以有效減重，改善工器具在帶電作業時的操作靈活性，降低作業人員勞動強度，提高工作效率；而且還能實現工器具的全絕緣化，進一步提高作業人員的安全性，其研究應用意義重大，在10kV 配網帶電作業中能夠發揮巨大的作用。