試析復合絕緣橫擔技術在500kV架空輸電線路上的應用

國網揚州供電公司 劉驍揚 劉遠偉

1 復合絕緣橫擔技術的主要特點

降低風偏閃絡事故的風險。在超高壓架空輸電線路的運行過程中，在結構布局設計等相關因素的制約下，外界環境對輸電線路路運行的影響較為明顯。風偏閃絡事故主要指由強風引發的線路震蕩造成的一種輸電線路故障。此故障不僅會引發斷線，同時還可能導致短路。而與此同時受到復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板與導線，有效強化桿塔結構對強風與線路震蕩的適應能力，減少風偏閃絡事故的發生，確保500kV 超高壓架空輸電線路的安全運行[1]。

實現對走廊寬度的有效控制。相較于傳統的橫擔設計，采用復合絕緣橫擔技術對架空線路桿塔進行建設，能夠實現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過程當中對周邊環境的影響，強化超高壓輸電線路建設運行過程中的社會效益與環境效益。

節約輸電桿塔的建設成本。在超高壓輸電線路的建設和使用過程中，其建設成本已成為項目投資支出中的重要組成部分。而基于復合絕緣橫擔技術進行現場施工，能夠實現對輸電線路桿塔高度的有效控制，降低桿塔建設時對鋼材混凝土的依賴，顯著節約輸電桿塔的建設成本，提升了輸電桿塔環境適應能力。自然環境當中的溫度變化、降水等因素都會導致桿塔結構受到腐蝕，影響其正常運行。復合絕緣橫擔技術能顯著加強桿塔結構對惡劣環境的適應能力，更好地滿足500kV 超高壓輸電線路建設目標及建設要求。

2 復合絕緣橫擔技術在500kV 架空輸電線當中的應用

2.1 復合橫擔結構設計

2.1.1 材料選用

一是纖維材料，作為直接影響桿塔橫擔結構強度的關鍵所在，合理選擇復合纖維材料對提升橫擔結構的絕緣性能、強度與協調性有重要作用。在電氣工程建設過程中，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、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，作為復合材料結構內部的重要組成部分，樹脂基體起著重要的載荷傳遞與保護作用。在電氣工業生產實踐過程中，常用的樹脂基體材料主要包括環氧樹脂、乙烯基樹脂，以及酚醛樹脂等。在上述幾種樹脂材料中，環氧樹脂的性能參數較為突出，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，可采用環氧樹脂作為復合橫擔的樹脂基體[2]。

三是傘裙材料，在復合絕緣橫擔傘裙生產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，現階段常用的復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

在復合絕緣橫擔的設計過程中，除了材料的選擇外，其截面形式的相關參數指標同樣與其承載能力息息相關，因此在方案設計，相關技術團隊應當綜合考量500kV 超高壓架空線路的運行特性及其穩定性需求，從而更好地確定復合絕緣橫擔的結構特點。其中，鋼材料/復合材料的不同構件長細比閾值如下：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出了一定的優勢，因此可選用圓形截面作為復合絕緣橫擔的主要截面形式。

要切實參考項目實際建設要求以及線路使用標準要求，完成對復合橫擔用柱式絕緣子截面規格的設計。以筆者參建的某500kV 超高壓架空線路復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；塔基礎根開2913mm×2918mm，呼高約36m。項目所使用的復合橫擔用柱式絕緣子部分技術參數設定如下：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，使用環境溫度在-40℃至80℃的范圍內。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，使用環境溫度在-40℃至80℃的范圍內。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，使用環境溫度在-40℃至80℃的范圍內。

相較來說，該復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。這樣的尺寸設計原因在于，本項目所搭建的基復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有序排列，并能夠切實滿足在距離方面的要求，在設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及線路運行標準要求。

2.1.3 結構分析

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

在兩橫擔+兩拉桿組合結構當中，壓桿直徑設定為70mm，拉桿直徑設定為30mm，整體重量為37kg，通過模型導入及參數指標帶入進行仿真模擬過后可得出結果，橫擔變形幅度為5.39mm，結構最大應力為38.3MPa。在單橫擔+三拉桿組合結構當中，壓桿直徑與拉桿直徑取相同值，整體重量為23.5kg，結構變形幅度為12.5mm，最大應力為64.8MPa。

由此可見，在對超高壓桿塔復合絕緣橫擔進行設計、安裝和施工的過程中，可選用兩橫擔+兩拉桿組合結構作為其主要結構形態，一方面能夠使橫擔在結構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計與規劃效率，使橫擔符合設計要求。

2.2 復合橫擔電氣設計

2.2.1 塔頭設計

第一，在對復合絕緣橫擔方案進行設計之前，需要明確導線之間的距離。《110～500kV 架空送電線路設計技術規程》規定，桿塔地線間距離應小于等于地線與導線垂直距離的5倍，而地線與導線間距計算公式為：

S ≥0.012L+1

其中，S 為導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計，相關技術人員應當考慮到復合橫擔結構兩側金屬壓接構件對尺寸設計產生的相關影響，在500kV 超高壓輸電線路桿塔橫擔塔頭進行設計的過程中，可將上橫擔長度設為1300mm，中橫擔長度設為1800m，下橫擔長度設為1300mm，與此同時，針對橫擔之間產生的偏移量情況進行監測，確保最終結果與塔頭設計規定相吻合；最后，需要分別針對防雷保護角度及間隙圓進行設計，其中，500kV 桿塔復合絕緣橫擔防雷保護角可設為10°～15°，間隙圓帶電距離設定為1200mm。

2.2.2 絕緣配合

在超高壓架空線路桿塔復合橫擔的設計與建設過程中，為滿足其電氣絕緣要求，強化輸電系統運行性能，需要針對現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數值，λ 為桿塔不同工況條件下的爬電數值，Um為系統內部電壓狀況，K0為絕緣子爬電距離系數，L0為實際測出的單位絕緣子爬電距離參數。基于上述公式計算后得出，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為相對地統計操作過電壓，K1為絕緣子串操作過電壓統計配合系數，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，相關技術人員需要綜合考量橫擔材料絕緣水平通過現場測試對相關閾值進行測算。

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 形絕緣子串構成拉桿絕緣子，所設定的主要技術參數為：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象抵御能力的重要指標參數。相關人員可結合線路桿塔分布位置對繞擊率進行計算，其中平原環境下的線路與山區環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，還應當考慮到地線保護角的大小，確保最終結果準確可靠。

2.3 復合橫擔安裝與施工

在復合橫擔技術的應用過程中，除了整體方案的設計規劃工作外，現場安裝與施工同樣具有至關重要的作用。第一，施工團隊應當做好復合絕緣橫擔的安裝準備工作，明確地面安裝位置，并合理放置導向滑車，使傘裙結構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、長度調節金具等相關構件進行連接，同時對調節金具進行限位，使其使用壽命得到充分延長，性能得到有效發揮；第三，為了盡可能保障施工安裝現場的安全，避免在安裝過程當中出現風險問題，技術人員及現場安裝施工人員應當盡可能采取坐姿進行安裝作業，減少安裝過程當中橫擔受損的情況發生。

3 復合絕緣橫擔塔運維工作注意事項

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

及時組織力量進行運行狀態巡視。為了更加及時直觀地掌握500kV 超高壓桿塔復合絕緣橫擔的運行狀態，有效規避其運行和使用過程當中面臨的問題和風險，有關管理部門應當及時組織力量進行狀態巡視工作。第一，應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合的手段，當發現異常時，要登塔做進一步查驗；第三，在特殊時段或極端氣候來臨時，還應當強化巡視密度，提升巡查效果。