配網(wǎng)帶電作業(yè)復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)，廣泛應用于動力、能源等各個領域。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)定安全的方式服務大眾［1］。近年來，隨著高壓傳輸技術的成熟，我國開始廣泛應用高壓電纜，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用的短板，所以，對配網(wǎng)帶電作業(yè)復合材料多功能絕緣橫擔的相關研究是十分有意義的［7］。

1 橫擔的材料與設計

1.1 橫擔的結(jié)構選擇

在電氣設備服務社會的過程中，絕緣材料無疑是至關重要的一環(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備常見的絕緣材料。常見的有機絕緣材料有鏈式結(jié)構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)氧樹脂應用于電氣設備不僅在于它優(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 橫擔支撐相關計算

在橫擔進行老化測試之前，需要對橫擔的相關力學性能進行計算，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。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)構出現(xiàn)重新排列，優(yōu)化了材料內(nèi)部的凝聚態(tài)結(jié)構，消除本身的空位等缺陷，化學成分反應徹底，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)構有關，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，加快有機絕緣材料的失效。為驗證復合絕緣橫擔產(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，方管復合絕緣橫擔的 50% 干雷電閃絡電壓需要達到 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。