國(guó)網(wǎng)揚(yáng)州供電公司 劉驍揚(yáng) 劉遠(yuǎn)偉

1 復(fù)合絕緣橫擔(dān)技術(shù)的主要特點(diǎn)

降低風(fēng)偏閃絡(luò)事故的風(fēng)險(xiǎn)。在超高壓架空輸電線路的運(yùn)行過(guò)程中，在結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)等相關(guān)因素的制約下，外界環(huán)境對(duì)輸電線路路運(yùn)行的影響較為明顯。風(fēng)偏閃絡(luò)事故主要指由強(qiáng)風(fēng)引發(fā)的線路震蕩造成的一種輸電線路故障。此故障不僅會(huì)引發(fā)斷線，同時(shí)還可能導(dǎo)致短路。而與此同時(shí)受到復(fù)合絕緣橫擔(dān)物理性能特征的影響，使架空線路桿塔可采取長(zhǎng)度較短的連接聯(lián)板與導(dǎo)線，有效強(qiáng)化桿塔結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)風(fēng)與線路震蕩的適應(yīng)能力，減少風(fēng)偏閃絡(luò)事故的發(fā)生，確保500kV 超高壓架空輸電線路的安全運(yùn)行[1]。

實(shí)現(xiàn)對(duì)走廊寬度的有效控制。相較于傳統(tǒng)的橫擔(dān)設(shè)計(jì)，采用復(fù)合絕緣橫擔(dān)技術(shù)對(duì)架空線路桿塔進(jìn)行建設(shè)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)線路走廊寬度的有效控制，減少超高壓線路運(yùn)行過(guò)程中對(duì)走廊空間的依賴，減少超高壓線路建設(shè)過(guò)程當(dāng)中對(duì)周邊環(huán)境的影響，強(qiáng)化超高壓輸電線路建設(shè)運(yùn)行過(guò)程中的社會(huì)效益與環(huán)境效益。

節(jié)約輸電桿塔的建設(shè)成本。在超高壓輸電線路的建設(shè)和使用過(guò)程中，其建設(shè)成本已成為項(xiàng)目投資支出中的重要組成部分。而基于復(fù)合絕緣橫擔(dān)技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸電線路桿塔高度的有效控制，降低桿塔建設(shè)時(shí)對(duì)鋼材混凝土的依賴，顯著節(jié)約輸電桿塔的建設(shè)成本，提升了輸電桿塔環(huán)境適應(yīng)能力。自然環(huán)境當(dāng)中的溫度變化、降水等因素都會(huì)導(dǎo)致桿塔結(jié)構(gòu)受到腐蝕，影響其正常運(yùn)行。復(fù)合絕緣橫擔(dān)技術(shù)能顯著加強(qiáng)桿塔結(jié)構(gòu)對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力，更好地滿足500kV 超高壓輸電線路建設(shè)目標(biāo)及建設(shè)要求。

2 復(fù)合絕緣橫擔(dān)技術(shù)在500kV 架空輸電線當(dāng)中的應(yīng)用

2.1 復(fù)合橫擔(dān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 材料選用

一是纖維材料，作為直接影響桿塔橫擔(dān)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的關(guān)鍵所在，合理選擇復(fù)合纖維材料對(duì)提升橫擔(dān)結(jié)構(gòu)的絕緣性能、強(qiáng)度與協(xié)調(diào)性有重要作用。在電氣工程建設(shè)過(guò)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(xiàn)、使用成本、維護(hù)便捷性等層面達(dá)成了相對(duì)的平衡，在實(shí)踐使用過(guò)程中能夠達(dá)成較好的效果。

二是樹(shù)脂基體材料，作為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的重要組成部分，樹(shù)脂基體起著重要的載荷傳遞與保護(hù)作用。在電氣工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中，常用的樹(shù)脂基體材料主要包括環(huán)氧樹(shù)脂、乙烯基樹(shù)脂，以及酚醛樹(shù)脂等。在上述幾種樹(shù)脂材料中，環(huán)氧樹(shù)脂的性能參數(shù)較為突出，其拉伸強(qiáng)度能夠達(dá)到98～210MPa，延伸率能夠達(dá)到4%，剪切強(qiáng)度可達(dá)60～70MPa，壓縮強(qiáng)度可達(dá)210～60MPa，彎曲強(qiáng)度可達(dá)140～210MPa。此外，從樹(shù)脂基體材料的使用成本來(lái)看，環(huán)氧樹(shù)脂略高于酚醛樹(shù)脂與乙烯基樹(shù)脂，但幅度不明顯，綜合考量材料性能與使用支出，可采用環(huán)氧樹(shù)脂作為復(fù)合橫擔(dān)的樹(shù)脂基體[2]。

三是傘裙材料，在復(fù)合絕緣橫擔(dān)傘裙生產(chǎn)制作和使用過(guò)程當(dāng)中，需要該類材料具備較好的防水性能與耐腐蝕性能，現(xiàn)階段常用的復(fù)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(dá)到1000h，因此可應(yīng)用于500kV 超高壓架空輸電線路的桿塔橫擔(dān)中。

2.1.2 截面形式

在復(fù)合絕緣橫擔(dān)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了材料的選擇外，其截面形式的相關(guān)參數(shù)指標(biāo)同樣與其承載能力息息相關(guān)，因此在方案設(shè)計(jì)，相關(guān)技術(shù)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)當(dāng)綜合考量500kV 超高壓架空線路的運(yùn)行特性及其穩(wěn)定性需求，從而更好地確定復(fù)合絕緣橫擔(dān)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。其中，鋼材料/復(fù)合材料的不同構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)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(jiàn)的橫擔(dān)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(xué)性能最佳，加工最為便捷，在施工安裝與連接工作的開(kāi)展過(guò)程當(dāng)中同樣也表現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢(shì)，因此可選用圓形截面作為復(fù)合絕緣橫擔(dān)的主要截面形式。

要切實(shí)參考項(xiàng)目實(shí)際建設(shè)要求以及線路使用標(biāo)準(zhǔn)要求，完成對(duì)復(fù)合橫擔(dān)用柱式絕緣子截面規(guī)格的設(shè)計(jì)。以筆者參建的某500kV 超高壓架空線路復(fù)合絕緣橫擔(dān)窄基塔施工項(xiàng)目為例，該塔位于A 村，地處平原，海拔約98m；塔基礎(chǔ)根開(kāi)2913mm×2918mm，呼高約36m。項(xiàng)目所使用的復(fù)合橫擔(dān)用柱式絕緣子部分技術(shù)參數(shù)設(shè)定如下：上橫擔(dān)總長(zhǎng)4921mm，絕緣距離3545mm，公稱爬距16092mm，軸向彎曲強(qiáng)度不超過(guò)800MPa，使用環(huán)境溫度在-40℃至80℃的范圍內(nèi)。中橫擔(dān)總長(zhǎng)6900mm，絕緣距離5564mm，公稱爬距24157mm，軸向彎曲強(qiáng)度不超過(guò)800MPa，使用環(huán)境溫度在-40℃至80℃的范圍內(nèi)。下橫擔(dān)總長(zhǎng)5045mm，絕緣距離3599mm，公稱爬距16146mm，軸向彎曲強(qiáng)度不超過(guò)800MPa，使用環(huán)境溫度在-40℃至80℃的范圍內(nèi)。

相較來(lái)說(shuō)，該復(fù)合橫擔(dān)用柱式絕緣子的中橫擔(dān)總長(zhǎng)更長(zhǎng)，超出上橫擔(dān)與下橫擔(dān)總長(zhǎng)均約2000mm。這樣的尺寸設(shè)計(jì)原因在于，本項(xiàng)目所搭建的基復(fù)合橫擔(dān)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(shí)現(xiàn)有序排列，并能夠切實(shí)滿足在距離方面的要求，在設(shè)計(jì)階段重點(diǎn)針對(duì)中橫擔(dān)總長(zhǎng)實(shí)施了加長(zhǎng)處理。此時(shí)中橫擔(dān)的絕緣距離也隨之增大。在安裝階段，中橫擔(dān)所使用的金具與上橫擔(dān)、下橫擔(dān)所使用的金具不盡相同，但是均能夠滿足本項(xiàng)目建設(shè)及線路運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.1.3 結(jié)構(gòu)分析

常見(jiàn)的復(fù)合材料橫擔(dān)結(jié)構(gòu)形態(tài)主要包括單橫擔(dān)結(jié)構(gòu)、單橫擔(dān)+單拉桿結(jié)構(gòu)、雙橫擔(dān)V 形結(jié)構(gòu)、三橫擔(dān)組合結(jié)構(gòu)、兩橫擔(dān)+兩拉桿組合結(jié)構(gòu)，以及單橫擔(dān)+三拉桿組合結(jié)構(gòu)等幾種不同類別。在500kV超高壓架空線路桿塔設(shè)計(jì)與施工過(guò)程中，主要選用兩橫擔(dān)+兩拉桿組合結(jié)構(gòu)或單橫擔(dān)+三拉桿組合結(jié)構(gòu)。為保障最終結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定可靠，現(xiàn)針對(duì)兩種絕緣橫擔(dān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與表現(xiàn)情況進(jìn)行對(duì)比與分析。其中，將橫擔(dān)塔水平載荷設(shè)定為0N，垂直載荷設(shè)定為20522N，縱向線載荷設(shè)定為19274N，不同結(jié)構(gòu)下受力參數(shù)如下。

在兩橫擔(dān)+兩拉桿組合結(jié)構(gòu)當(dāng)中，壓桿直徑設(shè)定為70mm，拉桿直徑設(shè)定為30mm，整體重量為37kg，通過(guò)模型導(dǎo)入及參數(shù)指標(biāo)帶入進(jìn)行仿真模擬過(guò)后可得出結(jié)果，橫擔(dān)變形幅度為5.39mm，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為38.3MPa。在單橫擔(dān)+三拉桿組合結(jié)構(gòu)當(dāng)中，壓桿直徑與拉桿直徑取相同值，整體重量為23.5kg，結(jié)構(gòu)變形幅度為12.5mm，最大應(yīng)力為64.8MPa。

由此可見(jiàn)，在對(duì)超高壓桿塔復(fù)合絕緣橫擔(dān)進(jìn)行設(shè)計(jì)、安裝和施工的過(guò)程中，可選用兩橫擔(dān)+兩拉桿組合結(jié)構(gòu)作為其主要結(jié)構(gòu)形態(tài)，一方面能夠使橫擔(dān)在結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)與規(guī)劃效率，使橫擔(dān)符合設(shè)計(jì)要求。

2.2 復(fù)合橫擔(dān)電氣設(shè)計(jì)

2.2.1 塔頭設(shè)計(jì)

第一，在對(duì)復(fù)合絕緣橫擔(dān)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，需要明確導(dǎo)線之間的距離?！?10～500kV 架空送電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，桿塔地線間距離應(yīng)小于等于地線與導(dǎo)線垂直距離的5倍，而地線與導(dǎo)線間距計(jì)算公式為：

S ≥0.012L+1

其中，S 為導(dǎo)線與地線之間的距離（m），L 為檔距（m）。

第二，需要針對(duì)塔頭尺寸進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)考慮到復(fù)合橫擔(dān)結(jié)構(gòu)兩側(cè)金屬壓接構(gòu)件對(duì)尺寸設(shè)計(jì)產(chǎn)生的相關(guān)影響，在500kV 超高壓輸電線路桿塔橫擔(dān)塔頭進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可將上橫擔(dān)長(zhǎng)度設(shè)為1300mm，中橫擔(dān)長(zhǎng)度設(shè)為1800m，下橫擔(dān)長(zhǎng)度設(shè)為1300mm，與此同時(shí)，針對(duì)橫擔(dān)之間產(chǎn)生的偏移量情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保最終結(jié)果與塔頭設(shè)計(jì)規(guī)定相吻合；最后，需要分別針對(duì)防雷保護(hù)角度及間隙圓進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中，500kV 桿塔復(fù)合絕緣橫擔(dān)防雷保護(hù)角可設(shè)為10°～15°，間隙圓帶電距離設(shè)定為1200mm。

2.2.2 絕緣配合

在超高壓架空線路桿塔復(fù)合橫擔(dān)的設(shè)計(jì)與建設(shè)過(guò)程中，為滿足其電氣絕緣要求，強(qiáng)化輸電系統(tǒng)運(yùn)行性能，需要針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的絕緣配合情況進(jìn)行計(jì)算。

第一，需要針對(duì)絕緣爬距進(jìn)行計(jì)算，具體公式為：

mL0≥λUⅢ/Ke

其中，m 為超高壓輸電桿塔當(dāng)中單位絕緣子片數(shù)數(shù)值，λ 為桿塔不同工況條件下的爬電數(shù)值，Um為系統(tǒng)內(nèi)部電壓狀況，K0為絕緣子爬電距離系數(shù)，L0為實(shí)際測(cè)出的單位絕緣子爬電距離參數(shù)?；谏鲜龉接?jì)算后得出，500kV 超高壓架空輸電線桿塔橫擔(dān)絕緣爬距為207.9cm。

第二，需針對(duì)按操作過(guò)電壓閾值進(jìn)行計(jì)算，具體公式為：

US≥K1Ue

其中，Ue為相對(duì)地統(tǒng)計(jì)操作過(guò)電壓，K1為絕緣子串操作過(guò)電壓統(tǒng)計(jì)配合系數(shù)，取值1.17。計(jì)算后，按操作過(guò)電壓閾值為118.4kV；然后對(duì)按雷電過(guò)電壓閾值進(jìn)行計(jì)算，相關(guān)技術(shù)人員需要綜合考量橫擔(dān)材料絕緣水平通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試對(duì)相關(guān)閾值進(jìn)行測(cè)算。

實(shí)踐中，要求及時(shí)展開(kāi)電氣試驗(yàn)，以此檢驗(yàn)絕緣性能是否滿足現(xiàn)實(shí)需要。以前文所述的項(xiàng)目為例。該項(xiàng)目中使用了由兩個(gè)斜向上的V 形絕緣子串構(gòu)成拉桿絕緣子，所設(shè)定的主要技術(shù)參數(shù)為：上橫擔(dān)總長(zhǎng)為4803mm，最小爬距為16010mm，工作荷載為150kN，破壞荷載不超過(guò)420kN。中橫擔(dān)總長(zhǎng)為6991mm，最小爬距為16010mm，工作荷載為150kN，破壞荷載不超過(guò)420kN。下橫擔(dān)總長(zhǎng)為5272mm，最小爬距為16010mm，工作荷載為150kN，破壞荷載不超過(guò)420kN。展開(kāi)電氣試驗(yàn)后，得到的絕緣橫擔(dān)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(shí)際使用需要。

2.2.3 繞擊率計(jì)算

繞擊率是評(píng)估并分析超高壓架空線路對(duì)雷電現(xiàn)象抵御能力的重要指標(biāo)參數(shù)。相關(guān)人員可結(jié)合線路桿塔分布位置對(duì)繞擊率進(jìn)行計(jì)算，其中平原環(huán)境下的線路與山區(qū)環(huán)境當(dāng)中的線路繞擊率存在一定的差異，因此在計(jì)算過(guò)程當(dāng)中，還應(yīng)當(dāng)考慮到地線保護(hù)角的大小，確保最終結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

2.3 復(fù)合橫擔(dān)安裝與施工

在復(fù)合橫擔(dān)技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程中，除了整體方案的設(shè)計(jì)規(guī)劃工作外，現(xiàn)場(chǎng)安裝與施工同樣具有至關(guān)重要的作用。第一，施工團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)當(dāng)做好復(fù)合絕緣橫擔(dān)的安裝準(zhǔn)備工作，明確地面安裝位置，并合理放置導(dǎo)向滑車，使傘裙結(jié)構(gòu)得到充分有效地保護(hù)；第二，分別通過(guò)螺栓將掛線板、鐵塔、絕緣子、長(zhǎng)度調(diào)節(jié)金具等相關(guān)構(gòu)件進(jìn)行連接，同時(shí)對(duì)調(diào)節(jié)金具進(jìn)行限位，使其使用壽命得到充分延長(zhǎng)，性能得到有效發(fā)揮；第三，為了盡可能保障施工安裝現(xiàn)場(chǎng)的安全，避免在安裝過(guò)程當(dāng)中出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，技術(shù)人員及現(xiàn)場(chǎng)安裝施工人員應(yīng)當(dāng)盡可能采取坐姿進(jìn)行安裝作業(yè)，減少安裝過(guò)程當(dāng)中橫擔(dān)受損的情況發(fā)生。

3 復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔運(yùn)維工作注意事項(xiàng)

明確復(fù)合橫擔(dān)塔運(yùn)維與檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。為進(jìn)一步保障復(fù)合絕緣橫擔(dān)塔運(yùn)行使用性能達(dá)到預(yù)期要求，相關(guān)單位及管理團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)當(dāng)結(jié)合其運(yùn)行特性與設(shè)計(jì)特性明確復(fù)合橫擔(dān)塔運(yùn)維與檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，并且在針對(duì)超高壓桿塔復(fù)合絕緣橫擔(dān)進(jìn)行運(yùn)維檢測(cè)的同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)針對(duì)各時(shí)段周期的橫擔(dān)狀態(tài)進(jìn)行記錄，并進(jìn)行綜合比對(duì)，明確復(fù)合絕緣橫擔(dān)的性能變化綜合狀態(tài)，有效提升運(yùn)維檢測(cè)針對(duì)性。

及時(shí)組織力量進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)巡視。為了更加及時(shí)直觀地掌握500kV 超高壓桿塔復(fù)合絕緣橫擔(dān)的運(yùn)行狀態(tài)，有效規(guī)避其運(yùn)行和使用過(guò)程當(dāng)中面臨的問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)，有關(guān)管理部門應(yīng)當(dāng)及時(shí)組織力量進(jìn)行狀態(tài)巡視工作。第一，應(yīng)當(dāng)明確桿塔橫擔(dān)巡視周期，一般可定為一個(gè)月，其中夏冬兩季可適當(dāng)對(duì)周期進(jìn)行縮短；第二，應(yīng)合理選定桿塔橫擔(dān)巡視策略及巡視方法，一般來(lái)說(shuō)，管理部門可采取無(wú)人機(jī)巡視與地面巡查相結(jié)合的手段，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，要登塔做進(jìn)一步查驗(yàn)；第三，在特殊時(shí)段或極端氣候來(lái)臨時(shí)，還應(yīng)當(dāng)強(qiáng)化巡視密度，提升巡查效果。