徐欣，程冬，謝佐鵬，楊元春

(1.蘇州供電公司，江蘇省蘇州市，215004;2.常熟風(fēng)范電力設(shè)備股份有限公司，江蘇省常熟市，215554)

0 引言

隨著我國電網(wǎng)技術(shù)水平的提高，輸電線路呈現(xiàn)長距離、規(guī)?；?、大型化的發(fā)展趨勢［1］。目前，我國輸電線路都是沿用傳統(tǒng)的鐵塔、鋼管桿、混凝土桿配置鋼質(zhì)橫擔(dān)，懸掛絕緣子串的形式運行。為了滿足相應(yīng)的絕緣距離和爬電距離的需要，鋼質(zhì)橫擔(dān)必須配置很長的絕緣子串，在大風(fēng)、雨雪等惡劣天氣下經(jīng)常出現(xiàn)因?qū)Ь€舞動而引起的風(fēng)偏閃絡(luò)、雷電閃絡(luò)、覆冰閃絡(luò)、污穢閃絡(luò)等故障，嚴(yán)重威脅著輸電線路的安全運行。輸電線路電壓等級越高，與之相對應(yīng)的絕緣子串也就越長，這樣勢必增加了鐵塔的高度，加大了鐵塔鋼材用量，給輸電線路的日常運行和檢修工作增加了工作量。同時，為了避免因?qū)Ь€舞動而引起跳閘，必須增加線間距離，勢必增加輸電走廊的占地面積，在目前土地資源緊缺的情況下，給輸電線路的投資建設(shè)帶來了不小的麻煩。因此，尋找新型、環(huán)保的輕質(zhì)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材是解決上述問題的一個途徑。

在此研究領(lǐng)域內(nèi)，國內(nèi)已經(jīng)開發(fā)出了多種產(chǎn)品，如硅橡膠橫擔(dān)、瓷橫擔(dān)，即在一定長度的復(fù)合材料芯棒上設(shè)置硅橡膠或陶瓷傘裙，增加絕緣距離，組成一個完整的絕緣橫擔(dān)。但這2種絕緣橫擔(dān)都有不足，硅橡膠絕緣橫擔(dān)具有傘裙機械強度低，無法站人，易受蟲鳥侵?jǐn)_等缺點;陶瓷絕緣橫擔(dān)具有機械強度低，易損壞或斷裂的缺點。

隨著復(fù)合材料的開發(fā)和應(yīng)用，復(fù)合材料在輸電設(shè)備中的用途越來越廣，特別是纖維增強聚合物(fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP)以良好的絕緣性能和機械性能被廣泛地運用在輸電線路絕緣橫擔(dān)上。隨著工藝技術(shù)、樹脂配方、纖維性能、防護措施的改進，復(fù)合材料老化性能與經(jīng)濟性也得到了提高［2-5］。

針對上述問題，本文通過選用更加合理的絕緣材料，試圖直接將絕緣橫擔(dān)改進成具有一定強度和良好功能的傘裙結(jié)構(gòu)，既避免使用輸電線路常用絕緣子，減少輸電走廊寬度，大幅降低鐵塔高度，又能提高線路耐污閃性能，防止蟲鳥侵?jǐn)_，提高輸電線路的安全性。同時，在采用不掛絕緣子的復(fù)合橫擔(dān)后，能大大減輕輸電線路日常檢修維護工作量，產(chǎn)生較大的社會和經(jīng)濟效益［6-13］。

1 實驗部分

1.1 橫擔(dān)的制作

如圖1所示，橫擔(dān)由內(nèi)芯、芯棒、傘裙及表面涂層和金屬連接件5個部分組成。

圖1 110 kV絕緣橫擔(dān)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of 110 kV insulator cross arm

內(nèi)芯采用聚氨酯發(fā)泡材料，用泡沫填充芯棒內(nèi)部，既防止內(nèi)部滲水，提高內(nèi)絕緣水平，又不增加橫擔(dān)整體質(zhì)量;采用傳統(tǒng)的手工發(fā)泡工藝。

芯棒是整根橫擔(dān)主要的承力部件，因此對材料機械性能要求較高。采用強度較高的雙酚A環(huán)氧作為樹脂基體，E玻纖作為增強材料可以滿足強度要求;型材的成型工藝為拉擠－纏繞工藝。拉擠成型能夠連續(xù)生產(chǎn)界面復(fù)雜的型材，同時能保證型材中有較高的纖維含量;纏繞成型則能增加材料的抗彎、抗扭及抗開裂性能。

傘裙的主要作用是增加爬距，保證橫擔(dān)的外絕緣水平，從而達到替代絕緣子的功能要求。傘裙材料選用HUNTSMAN公司的HCEP系列樹脂。該樹脂具有良好的電性能、機械性能、耐候性及憎水性。采用自動壓力凝膠(automatic pressure gelation，APG)成型工藝。APG技術(shù)能夠縮短固化周期，由常規(guī)的5～6 h縮短至20～30 min，還能使環(huán)氧樹脂的固化收縮率從1%～3%降低至0.25%～0.45%，大大提高成品結(jié)構(gòu)的致密性，提高其絕緣性能、機械強度等。

表面涂層的作用是進一步增加橫擔(dān)表面憎水、耐候等功能。本項目中采用的表面涂層為憎水性、耐候性及絕緣性能等綜合性能都較好的氟碳涂料。

兩端金屬連接件作用為分別連接塔身和掛線金具，為常規(guī)鍍鋅件。

1.2 材料物理性能試驗

材料的物理性能委托上海玻璃鋼研究院測試。依照 EN 13706 －2—2002、GB/T 33541—999、GB/T 3356—1999、GB/T 14482—005、GB/T 33541—999、GB/T 1463—2005、GB/T 2577—2005、GB/T 2576—2005、GB/T 773—2010等測試標(biāo)準(zhǔn)從D型管材的直角面上取樣，進行相應(yīng)的物理性能檢測。

1.3 材料老化性能試驗

根據(jù)項目要求，對復(fù)合絕緣橫擔(dān)進行了材料老化試驗，以驗證其使用壽命。老化試驗項目及試驗條件見表1。

表1 老化試驗項目及試驗條件Tab.1 Aging tests and corresponding test conditions

經(jīng)480～3000 h連續(xù)老化，對材料的彎曲強度、缺口沖擊強度、拉伸強度、泄漏電流及外觀分別測試，比較其與原始值的差異。主要試驗設(shè)備或儀器有AG-IC 20KN型電子拉力機L0065、Q-Sun Xe-3HS氙燈人工耐候試驗機 L3025、Q-FOG鹽霧試驗箱L3072、MHU-408NR可程式恒溫恒濕試驗機L3023、Haier DW-86L288立式超低溫保存箱L0053。

1.4 橫擔(dān)強度試驗

橫擔(dān)試驗應(yīng)在萬能基礎(chǔ)或?qū)ｉT設(shè)計的剛性基礎(chǔ)上進行。最好采用液壓傳動裝置加荷;當(dāng)采用機械加載裝置時，應(yīng)保持加載平穩(wěn)，避免出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象;荷載測量采用電子傳感器，并應(yīng)具有屏幕顯示功能，便于觀測和控制。加荷鋼絲繩應(yīng)平直柔軟，并具有防捻特性。在橫擔(dān)的端部，3/4、1/2、1/4長度處和根部位置應(yīng)設(shè)置位移測量裝置，一般可采用百分表。每次加載后應(yīng)保持穩(wěn)定1 min，并記錄相應(yīng)的荷載和位移。在加荷至200%時，應(yīng)保持穩(wěn)定5 min。試驗方案如圖2所示。

圖2 110 kV絕緣橫擔(dān)強度試驗布置方案Fig.2 Strength test scheme of 110 kV insulator cross arm

本次橫擔(dān)試驗包括斷線、安裝和縱向不平衡張力等3個工況。90o大風(fēng)、0o大風(fēng)、45o大風(fēng)以及覆冰的荷載均小于上述3個工況，因此不予考慮?？紤]到復(fù)合材料的老化問題，試驗時加載到荷載設(shè)計值的200%。試驗工況荷載如表2～4所示。表中的T、L、V分別為橫向、縱向和豎直向荷載。

表2 斷線工況加載Tab.2 Loading table of broken wire condition

表3 二倍起吊工況加載Tab.3 Loading table of double lifting condition

1.5 橫擔(dān)電氣試驗

橫擔(dān)的電氣試驗在中國電力科學(xué)研究院完成。按照GB/T 16927—2011《高電壓試驗技術(shù)第1部分:一般定義及試驗要求》標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定及委托方的要求，電力設(shè)備及儀表質(zhì)量檢測中心(電力絕緣子避雷器質(zhì)檢站)對本項目的復(fù)合材料絕緣橫擔(dān)進行了干雷電沖擊耐受電壓試驗、干工頻干耐受電壓試驗和浸泡試驗。

表4 縱向不平衡工況加載Tab.4 Loading table of longitudinal unbalanced tension condition

1.5.1 干雷電沖擊耐受電壓試驗

復(fù)合橫擔(dān)2支，編號No.1、No.2，進行干雷電全波沖擊耐受電壓試驗。

1.5.2 干工頻閃絡(luò)電壓試驗

復(fù)合橫擔(dān)2支，編號No.1、No.2，進行干工頻閃絡(luò)電壓試驗。

1.5.3 浸水試驗

將橫擔(dān)浸于水中，室溫下浸泡168 h后取出，輕刷洗漂表面后用干毛巾擦干表面，室內(nèi)空氣條件下繼續(xù)放置24 h后進行干工頻閃絡(luò)電壓試驗、30 min工頻干耐受電壓試驗。取項目B中的閃絡(luò)電壓值為基準(zhǔn)，其干閃絡(luò)電壓應(yīng)不低于基準(zhǔn)值的90%。干耐受電壓試驗中，試品不應(yīng)產(chǎn)生擊穿，試驗后立即測量試品傘套的溫度，其桿體溫度相對于加壓前之差小于20 K。

需要說明的是，浸泡試驗是在水中浸泡168 h這樣的苛刻條件下進行的，如果能夠通過浸泡試驗測試，那么也必然通過濕工頻閃絡(luò)電壓試驗。因此，沒有進行濕工頻閃絡(luò)電壓試驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料物理性能

通過上海玻璃鋼研究院的測試，得到如表5所示的承力部件的材料性能參數(shù)。

2.2 老化性能

經(jīng)過480～2000 h各類連續(xù)老化試驗之后，首先對材料的物化性能進行了測試。光老化(氙燈)、耐中性鹽霧、濕熱老化、耐水、高低溫循環(huán)和超低溫試驗后的強度性能見圖3，圖中Ph為彎曲強度，Pz為沖擊強度，P1為拉伸強度。從圖中可以看到，600 h的老化過程之后，F(xiàn)RP材料的機械性能下降很小，保持率均在90%以上，甚至有略微提高。繼續(xù)老化，達到1200 h，材料的強度略有下降，除彎曲強度外，沖擊強度和拉伸強度均保持在90%以上，而彎曲強度也只下降到85%左右，滿足設(shè)計要求。

表5 FRP材料性能參數(shù)Tab.5 Properties of FRP material

圖3 光老化、耐中性鹽霧、濕熱老化、耐水、高低溫循環(huán)和超低溫試驗后的FRP材料強度值和強度保持率Fig.3 Strength value and retention of FRP material after light aging test(a)，anti-salt spray test(b)，hydrothermal aging test(c)，waterproof test(d)，high-low temperature cycle test(e)and ultra-low temperature test(f)

泄漏電流和外觀的測試結(jié)果見表6。480～3000 h的各類老化試驗均使泄漏電流變小，意味著在老化條件下，材料的電性能反而變好了。

與此類似的情況在前面的600 h老化結(jié)果中也可以部分發(fā)現(xiàn)。初步分析原因，可以歸結(jié)為在老化初始，部分老化條件能促使材料進一步固化，或者因熱作用而使材料內(nèi)部凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如發(fā)生分子鏈重排、相分離、再交聯(lián)等，消除部分缺陷，從而提高了材料的性能。進一步論證有待更詳細深入的研究。

表6 各類老化試驗后的泄漏電流測試結(jié)果與外觀變化Tab.6 Leakage current and appearance of FRP material after aging test

2.3 橫擔(dān)強度試驗結(jié)果

2013年5月30～31日，對2個絕緣橫擔(dān)試樣進行了橫擔(dān)強度試驗，試驗期間天氣良好，風(fēng)速小于4 m/s。2個橫擔(dān)通過了3個工況的150%荷載測試。當(dāng)3個工況超載至200%時，橫擔(dān)各部件未見異常。試驗中橫擔(dān)端部觀測點的橫向、縱向、垂直向位移見表7。

表7 強度試驗結(jié)果Tab.7 Results of strength test

2.4 橫擔(dān)電氣試驗結(jié)果

橫擔(dān)的電氣試驗在中國電力科學(xué)研究院的特高壓實驗基地中進行。整體橫擔(dān)通過了干雷電沖擊耐受電壓試驗、干工頻閃絡(luò)電壓試驗。干雷電沖擊耐受電壓試驗和工頻閃絡(luò)電壓試驗結(jié)果見表8、9。

表8 干雷電沖擊耐受電壓試驗結(jié)果Tab.8 Test results of dry lighting impulse withstand voltage

橫擔(dān)還通過了浸水試驗，測試結(jié)果見表10。

2.5 掛網(wǎng)運行

按項目的目標(biāo)要求，研制成功的帶傘裙絕緣橫擔(dān)應(yīng)既能在雙回路鋼管塔上使用，也可以在單回路鋼管塔上使用。根據(jù)電網(wǎng)的運行情況和停電計劃，首先使用帶傘群絕緣橫擔(dān)的是單回路鋼管塔。圖4展示的是2013年6月1日，絕緣橫擔(dān)在1222南姚線單回路鋼管塔上的安裝和運行情況。

表9 干工頻閃絡(luò)電壓試驗結(jié)果Tab.9 Test results of flashover voltage with dry power frequency

表10 浸水后干工頻耐受電壓試驗結(jié)果Tab.10 Test results of dry line frequency withstand voltage after dipping water

圖4 塔頭及橫擔(dān)吊裝過程和掛線運行Fig.4 Lifting and online running of tower head，cross arm

目前，該線路在經(jīng)過幾次大風(fēng)和大雨的考驗后仍能安全運行，說明該橫擔(dān)具備運行可靠性。

3 結(jié)論

基于對本項目的研究，完成了110 kV不掛絕緣子復(fù)合材料絕緣橫擔(dān)的設(shè)計和制造工作，并實現(xiàn)安全掛網(wǎng)運行。該橫擔(dān)從設(shè)計、選材以及制造工藝3個方面進行了創(chuàng)新，改變了傳統(tǒng)橫擔(dān)需要懸掛絕緣子的特性，降低了風(fēng)偏閃絡(luò)的風(fēng)險;改善了硅橡膠傘裙絕緣橫擔(dān)不可走人，易受蟲鳥侵蝕的缺點;同時又不像瓷絕緣橫擔(dān)那樣容易脆裂受損。因此，這種專門針對輸電線路獨桿塔設(shè)計的復(fù)合橫擔(dān)是一種更具有研究前景的新型橫擔(dān)。

(1)采用脂環(huán)族戶外環(huán)氧作為傘裙的樹脂材料，能夠滿足使復(fù)合橫擔(dān)不帶傘裙的電氣絕緣要求，并且滿足傘裙可走人的強度要求。

(2)采用拉擠－纏繞工藝，再聯(lián)合APG澆注工藝，是制備出這類硬質(zhì)傘群復(fù)合橫擔(dān)較為合適的工藝。

(3)本項目制造的復(fù)合橫擔(dān)總質(zhì)量約125 kg，除去兩端金屬連接件的質(zhì)量則僅65 kg，和傳統(tǒng)鋼橫擔(dān)(300～400 kg)相比，具有輕質(zhì)的特點。

(4)采用不掛絕緣子的絕緣橫擔(dān)，其懸垂金具串的長度僅僅為0.3 m，而采用鋼橫擔(dān)的絕緣子長度為1.5～1.8 m，因此桿塔高度可降低1.0 m左右。

(5)與相同規(guī)模的110 kV鋼橫擔(dān)雙回路鋼管桿相比，采用不掛絕緣子的絕緣橫擔(dān)鋼管桿的線間距離可減少約3 m。

(6)復(fù)合橫擔(dān)經(jīng)強度試驗，證明能夠承受3.5 t以上縱向或豎向拉力，且形變保持在5%左右，滿足各種運行工況要求。

(7)經(jīng)電氣試驗驗證，復(fù)合橫擔(dān)滿足電氣性能要求，值得一提的是，本復(fù)合橫擔(dān)還通過了168 h浸水后的230 kV、30 min工頻耐壓測試。

(8)綜合光老化、中性鹽霧老化、濕熱老化、水浸泡、高低溫循環(huán)試驗、超低溫試驗結(jié)果，證明本復(fù)合橫擔(dān)具有較好的耐老化性能。

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