基于便捷性與安全性的絕緣操作桿研制

魏 震 李翔宇 朱鵬飛 曹夢茹 盧曉光

（1.國網河南省電力公司直流中心，河南 鄭州 450000；2.河南許繼儀表有限公司，河南 許昌 461000）

0 引言

絕緣桿是電網檢修中使用最頻繁的工具之一[1-2]，設計便捷安全的絕緣桿可以起到雙減電力檢修工作者勞動量及危險性的效果。特高壓主通流回路中電氣設備進行斷復引檢修工作后，需對斷復引接頭進行回路電阻測量，以檢查接頭處電氣連接質量。若電氣連接不良，回路電阻值會表現偏大，在大電流的作用下易引起接頭處過熱，進而導致電氣設備燒壞甚至斷線，嚴重威脅人身安全和電網的穩定運行[3-4]。

回路電阻測量現場使用絕緣操作桿來測量接線，無須升降車平臺[5-6]，也無須登高作業，可以節省部分人力、物力。但利用現有絕緣操作桿進行回路電阻測量時需采用4個夾線鉗和4根絕緣操作桿，將測量電流的兩個夾線鉗分別夾在兩根絕緣操作桿金屬頭上，將測量電壓的兩個夾線鉗分別夾在另外兩根絕緣桿金屬頭上，然后將絕緣操作桿的金屬頭掛在被測試品兩端。此種測量方式需要使用的絕緣操作桿和夾線鉗數量多，所需物力也比較多，同時在測量現場，由于被測試品距離地面較高，絕緣操作桿較長且重量較大，利用絕緣操作桿進行接線時，需由至少3人完成，使用4根絕緣操作桿時工作量較大，接線時間較長，致使檢修工期延長，工作效率低。

基于以上需求，有必要研制一種新型絕緣桿，能保證絕緣操作的安全性，同時滿足操作便利性，在回路電阻測量時易于接線，達到有效減少現場工作量，縮短檢修工期，提高工作效率的目的。

1 便捷絕緣操作桿結構設計

結構設計需求場景為高壓試驗用新型絕緣操作桿，結構設計重點區域為絕緣操作桿金屬頭，需解決的問題為現有技術中利用絕緣操作桿測量回路電阻時，所需人力、物力較多，工作量大，接線時間長，工作效率低。試驗場地及試驗指導為靈寶換流站研究人員負責策劃指導，提供現場技術數據，同時也負責開發研究，將所需功能集成至現場設備上，最后對現場進行試驗操作，檢查效果。

改進絕緣操作桿金屬頭結構如圖1所示。

圖1 改進絕緣操作桿金屬頭結構示意圖

改進絕緣操作桿金屬頭包括絕緣墊塊和結構相同的兩個金屬頭掛鉤，絕緣墊塊位于兩個金屬頭掛鉤中間，兩個金屬頭掛鉤通過絕緣螺栓與絕緣墊塊固定連接，絕緣墊塊的一端設有轉向節。

改進絕緣桿金屬頭在具備現有絕緣桿金屬頭功能的前提下，與傳統絕緣桿金屬頭相比，在回路電阻測量時節省了兩個夾線鉗，減少了兩根絕緣操作桿的使用，節省了一半的人力，減少了一半的接線工作量，縮短了檢修工期，提高了工作效率，解決了回路電阻測量時接線時間長、所需人力多的問題。

圖2為利用現有絕緣操作桿進行回路電阻測量示意圖。

圖2 現有絕緣桿回路電阻測量示意圖

利用改進后的高壓試驗用新型絕緣操作桿金屬頭進行回路電阻測量示意圖如圖3所示。

圖3 新型絕緣桿金屬頭回路電阻測量示意圖

由圖2、圖3可知，采用改進后的高壓試驗用新型絕緣操作桿進行回路電阻測量時與使用現有絕緣操作桿相比，節省了兩根絕緣操作桿、兩個夾線鉗，節省了一半接線工作量。

下面對絕緣金屬桿在高電壓作用下與操作者之間構成的導電模型進行分析，為設計材料選取提供依據。

2 絕緣桿操作人體導電模型計算

絕緣桿操作人員可以用地電位法構建人體導電模型，即認為作業人員和大地電位相同，作業人員用絕緣桿進行帶電作業，構成了“高壓帶電線路—絕緣桿—人體—大地”這一電壓傳遞線路，如圖4所示。

圖4 絕緣桿作業示意圖

由圖4可得等值電路圖如圖5所示。

圖5 等值電路圖

帶電作業的關鍵點是確保操作人員安全，首先是安全距離的確定和絕緣材料可靠性的保證。現以220 kV絕緣桿為例，進行一次操作人員安全參數計算。

絕緣桿絕緣電阻記為Rm；操作人員對導線的空間電容記為C1，自身鞋底與大地的電容記為C2，絕緣桿泄漏電流記為Ir，其中絕緣桿手握點到帶電體的電阻一般滿足Rm≥9×1010Ω。對于220 kV絕緣桿，人體處于安全距離的電容約為4.4～22 pF，記C1=4.4×10-12F。

此時可計算帶電體與操作者間的容抗為：

式中：f為電網頻率。

操作者與大地間的電容C2一般可達350 pF左右，與鞋面絕緣程度有關，此時可估算操作者對地容抗為：

可知，XC2容抗在107Ω附近。

XC1和Rm構成并聯關系，然后與XC2及Rr串聯構成回路。從計算可知，XC1和Rm構成并聯后，仍然比XC2和Rr串聯大一個數量級以上（Rr可忽略）。故此，對人體安全影響最大的仍然是絕緣桿的絕緣性和距高壓設備的距離。

現計算220 kV絕緣桿對操作者的泄漏電流，此處對地相電壓為127 000 V。

通過絕緣桿泄漏電流：

式中：Uo為圖5中絕緣桿兩端電壓差，因安全性計算，適當放大，可用對地相電壓替代。

通過等效電容C1泄漏電流：

現即使忽略C2的容抗，記為0，通過操作者的總電流也小于Ic+Ir，即通過操作者的總電流不會超過180 μA。但由于C2的存在，在強電場作業中會存在與大地之間的懸浮電壓差，記為U2，U2是需要關注的，特別是其對儀器測量精度的影響。U2的粗略計算為：

3 絕緣材料參數設計

絕緣桿制造材料選取要符合電氣性能指標，主要由絕緣電阻、介質損耗、絕緣強度三項指標確定[7-8]。

根據絕緣桿人體導電模型的計算，可確定絕緣桿絕緣電阻用材需求、絕緣桿長度需求等。絕緣操作桿不同材料的性能指標如表1所示。

表1 材料主要性能指標

由以上數據可知，新型玻璃纖維材質相對3640卷材密度提升50%以上，吸水性在其1/10左右，抗彎強度提升100%以上，電阻率直線提升，濕態下電阻率也優于干態卷制管。電氣性能和機械強度提升效果明顯，因此絕緣桿選材首選玻璃纖維材質。

現對玻璃纖維材質電力桿進行彎曲破壞性試驗，試驗品直徑32 mm，桿長2.5 m，破壞值為3 740 N，殘余變形1.1 mm，通過IEC 60855標準規定。對其進行電氣試驗，干態漏電電流5.24 μA，受潮168 h漏電電流7.5 μA，均通過IEC 60855標準規定。4 000次疲勞機電試驗均能滿足標準規定值。由此可知，選擇玻璃纖維材質做絕緣桿材料可滿足要求，且各項試驗指標均高于標準要求。

由分析可知，高壓作業時除絕緣桿自身材料電阻率外，有效保持作業距離也是增加絕緣桿電阻及空氣電抗的有效手段。故此，絕緣桿操作長度就顯得尤為重要。根據相關標準要求及計算，不同操作電壓要求的最小絕緣桿安全長度如表2所示。

表2 不同操作電壓的絕緣桿長度需求

由表2可知，10 kV架空線路用絕緣操作桿絕緣長度加握手長度之和至少大于1.3 m。過長的長度意味著操作者體力的增加，綜合考慮到10 kV線路排列緊湊，橫擔長度較短（0.70 m），因此首選絕緣桿桿長為1.5 m，用于制作絕緣操作間接工具。

根據中國南方電網有限責任公司企業標準《安全工器具技術規范（絕緣操作桿部分）》指導，絕緣桿外徑分30 mm以下管材和32～70 mm管材。兩類管材試品工頻耐壓試驗中，在試品電極間距300 mm和100 kV下1 min工頻耐壓試驗條件下泄漏電流準許值分別為：30 mm以下受潮前不大于10 μA，受潮后不大于30 μA；32～70 mm管材受潮前不大于15 μA，受潮后不大于40 μA。由此可知，外徑差異在工頻耐壓試驗中表現為泄漏電流的差異，根據本絕緣桿的應用場景，試驗操作一般不會選擇天氣條件惡劣時，可保證試驗處于干燥的工作場景中，故此設計時只考慮干燥環境下的泄漏電流值，30 mm外徑的絕緣桿可滿足應用條件。故此絕緣桿設計為長度1.5 m±20 mm，外徑30 mm即可。

新型絕緣桿試制后在河南靈寶站進行試用，試用期間研制效果得以驗證。

4 結論

通過改進絕緣桿金屬接頭的設計結構，完成了兩次掛桿任務的單次合并操作，達到了有效減少現場工作量，縮短檢修工期的目的。為此，本文進行了絕緣桿操作人體導電模型的搭建及分析，獲取了絕緣桿安全設計的指導參數；在此基礎上，進行了新型絕緣桿材料選擇及參數設計，根據應用場景確定了絕緣桿整體設計參數，完成了新型絕緣桿的最終設計任務，并通過試驗證明了新型絕緣桿能夠很好地配合復引接頭電阻測量工作。