110 kV输电线路不挂绝缘子复合材料绝缘横担的研制与应用

2014-08-09徐欣程冬谢佐鹏杨元春

电力建设 2014年7期

徐欣，程冬，谢佐鹏，杨元春

(1.苏州供电公司，江苏省苏州市，215004;2.常熟风范电力设备股份有限公司，江苏省常熟市，215554)

0 引言

随着我国电网技术水平的提高，输电线路呈现长距离、规模化、大型化的发展趋势［1］。目前，我国输电线路都是沿用传统的铁塔、钢管杆、混凝土杆配置钢质横担，悬挂绝缘子串的形式运行。为了满足相应的绝缘距离和爬电距离的需要，钢质横担必须配置很长的绝缘子串，在大风、雨雪等恶劣天气下经常出现因导线舞动而引起的风偏闪络、雷电闪络、覆冰闪络、污秽闪络等故障，严重威胁着输电线路的安全运行。输电线路电压等级越高，与之相对应的绝缘子串也就越长，这样势必增加了铁塔的高度，加大了铁塔钢材用量，给输电线路的日常运行和检修工作增加了工作量。同时，为了避免因导线舞动而引起跳闸，必须增加线间距离，势必增加输电走廊的占地面积，在目前土地资源紧缺的情况下，给输电线路的投资建设带来了不小的麻烦。因此，寻找新型、环保的轻质材料代替传统钢材是解决上述问题的一个途径。

在此研究领域内，国内已经开发出了多种产品，如硅橡胶横担、瓷横担，即在一定长度的复合材料芯棒上设置硅橡胶或陶瓷伞裙，增加绝缘距离，组成一个完整的绝缘横担。但这2种绝缘横担都有不足，硅橡胶绝缘横担具有伞裙机械强度低，无法站人，易受虫鸟侵扰等缺点;陶瓷绝缘横担具有机械强度低，易损坏或断裂的缺点。

随着复合材料的开发和应用，复合材料在输电设备中的用途越来越广，特别是纤维增强聚合物(fiber reinforced polymer，FRP)以良好的绝缘性能和机械性能被广泛地运用在输电线路绝缘横担上。随着工艺技术、树脂配方、纤维性能、防护措施的改进，复合材料老化性能与经济性也得到了提高［2-5］。

针对上述问题，本文通过选用更加合理的绝缘材料，试图直接将绝缘横担改进成具有一定强度和良好功能的伞裙结构，既避免使用输电线路常用绝缘子，减少输电走廊宽度，大幅降低铁塔高度，又能提高线路耐污闪性能，防止虫鸟侵扰，提高输电线路的安全性。同时，在采用不挂绝缘子的复合横担后，能大大减轻输电线路日常检修维护工作量，产生较大的社会和经济效益［6-13］。

1 实验部分

1.1 横担的制作

如图1所示，横担由内芯、芯棒、伞裙及表面涂层和金属连接件5个部分组成。

图1 110 kV绝缘横担结构Fig.1 Structure of 110 kV insulator cross arm

内芯采用聚氨酯发泡材料，用泡沫填充芯棒内部，既防止内部渗水，提高内绝缘水平，又不增加横担整体质量;采用传统的手工发泡工艺。

芯棒是整根横担主要的承力部件，因此对材料机械性能要求较高。采用强度较高的双酚A环氧作为树脂基体，E玻纤作为增强材料可以满足强度要求;型材的成型工艺为拉挤－缠绕工艺。拉挤成型能够连续生产界面复杂的型材，同时能保证型材中有较高的纤维含量;缠绕成型则能增加材料的抗弯、抗扭及抗开裂性能。

伞裙的主要作用是增加爬距，保证横担的外绝缘水平，从而达到替代绝缘子的功能要求。伞裙材料选用HUNTSMAN公司的HCEP系列树脂。该树脂具有良好的电性能、机械性能、耐候性及憎水性。采用自动压力凝胶(automatic pressure gelation，APG)成型工艺。APG技术能够缩短固化周期，由常规的5～6 h缩短至20～30 min，还能使环氧树脂的固化收缩率从1%～3%降低至0.25%～0.45%，大大提高成品结构的致密性，提高其绝缘性能、机械强度等。

表面涂层的作用是进一步增加横担表面憎水、耐候等功能。本项目中采用的表面涂层为憎水性、耐候性及绝缘性能等综合性能都较好的氟碳涂料。

两端金属连接件作用为分别连接塔身和挂线金具，为常规镀锌件。

1.2 材料物理性能试验

材料的物理性能委托上海玻璃钢研究院测试。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等测试标准从D型管材的直角面上取样，进行相应的物理性能检测。

1.3 材料老化性能试验

根据项目要求，对复合绝缘横担进行了材料老化试验，以验证其使用寿命。老化试验项目及试验条件见表1。

表1 老化试验项目及试验条件Tab.1 Aging tests and corresponding test conditions

经480～3000 h连续老化，对材料的弯曲强度、缺口冲击强度、拉伸强度、泄漏电流及外观分别测试，比较其与原始值的差异。主要试验设备或仪器有AG-IC 20KN型电子拉力机L0065、Q-Sun Xe-3HS氙灯人工耐候试验机 L3025、Q-FOG盐雾试验箱L3072、MHU-408NR可程式恒温恒湿试验机L3023、Haier DW-86L288立式超低温保存箱L0053。

1.4 横担强度试验

横担试验应在万能基础或专门设计的刚性基础上进行。最好采用液压传动装置加荷;当采用机械加载装置时，应保持加载平稳，避免出现冲击现象;荷载测量采用电子传感器，并应具有屏幕显示功能，便于观测和控制。加荷钢丝绳应平直柔软，并具有防捻特性。在横担的端部，3/4、1/2、1/4长度处和根部位置应设置位移测量装置，一般可采用百分表。每次加载后应保持稳定1 min，并记录相应的荷载和位移。在加荷至200%时，应保持稳定5 min。试验方案如图2所示。

图2 110 kV绝缘横担强度试验布置方案Fig.2 Strength test scheme of 110 kV insulator cross arm

本次横担试验包括断线、安装和纵向不平衡张力等3个工况。90o大风、0o大风、45o大风以及覆冰的荷载均小于上述3个工况，因此不予考虑。考虑到复合材料的老化问题，试验时加载到荷载设计值的200%。试验工况荷载如表2～4所示。表中的T、L、V分别为横向、纵向和竖直向荷载。

表2 断线工况加载Tab.2 Loading table of broken wire condition

表3 二倍起吊工况加载Tab.3 Loading table of double lifting condition

1.5 横担电气试验

横担的电气试验在中国电力科学研究院完成。按照GB/T 16927—2011《高电压试验技术第1部分:一般定义及试验要求》标准的规定及委托方的要求，电力设备及仪表质量检测中心(电力绝缘子避雷器质检站)对本项目的复合材料绝缘横担进行了干雷电冲击耐受电压试验、干工频干耐受电压试验和浸泡试验。

表4 纵向不平衡工况加载Tab.4 Loading table of longitudinal unbalanced tension condition

1.5.1 干雷电冲击耐受电压试验

复合横担2支，编号No.1、No.2，进行干雷电全波冲击耐受电压试验。

1.5.2 干工频闪络电压试验

复合横担2支，编号No.1、No.2，进行干工频闪络电压试验。

1.5.3 浸水试验

将横担浸于水中，室温下浸泡168 h后取出，轻刷洗漂表面后用干毛巾擦干表面，室内空气条件下继续放置24 h后进行干工频闪络电压试验、30 min工频干耐受电压试验。取项目B中的闪络电压值为基准，其干闪络电压应不低于基准值的90%。干耐受电压试验中，试品不应产生击穿，试验后立即测量试品伞套的温度，其杆体温度相对于加压前之差小于20 K。

需要说明的是，浸泡试验是在水中浸泡168 h这样的苛刻条件下进行的，如果能够通过浸泡试验测试，那么也必然通过湿工频闪络电压试验。因此，没有进行湿工频闪络电压试验。

2 结果与讨论

2.1 材料物理性能

通过上海玻璃钢研究院的测试，得到如表5所示的承力部件的材料性能参数。

2.2 老化性能

经过480～2000 h各类连续老化试验之后，首先对材料的物化性能进行了测试。光老化(氙灯)、耐中性盐雾、湿热老化、耐水、高低温循环和超低温试验后的强度性能见图3，图中Ph为弯曲强度，Pz为冲击强度，P1为拉伸强度。从图中可以看到，600 h的老化过程之后，FRP材料的机械性能下降很小，保持率均在90%以上，甚至有略微提高。继续老化，达到1200 h，材料的强度略有下降，除弯曲强度外，冲击强度和拉伸强度均保持在90%以上，而弯曲强度也只下降到85%左右，满足设计要求。

表5 FRP材料性能参数Tab.5 Properties of FRP material

图3 光老化、耐中性盐雾、湿热老化、耐水、高低温循环和超低温试验后的FRP材料强度值和强度保持率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)

泄漏电流和外观的测试结果见表6。480～3000 h的各类老化试验均使泄漏电流变小，意味着在老化条件下，材料的电性能反而变好了。

与此类似的情况在前面的600 h老化结果中也可以部分发现。初步分析原因，可以归结为在老化初始，部分老化条件能促使材料进一步固化，或者因热作用而使材料内部凝聚态结构优化，如发生分子链重排、相分离、再交联等，消除部分缺陷，从而提高了材料的性能。进一步论证有待更详细深入的研究。

表6 各类老化试验后的泄漏电流测试结果与外观变化Tab.6 Leakage current and appearance of FRP material after aging test

2.3 横担强度试验结果

2013年5月30～31日，对2个绝缘横担试样进行了横担强度试验，试验期间天气良好，风速小于4 m/s。2个横担通过了3个工况的150%荷载测试。当3个工况超载至200%时，横担各部件未见异常。试验中横担端部观测点的横向、纵向、垂直向位移见表7。

表7 强度试验结果Tab.7 Results of strength test

2.4 横担电气试验结果

横担的电气试验在中国电力科学研究院的特高压实验基地中进行。整体横担通过了干雷电冲击耐受电压试验、干工频闪络电压试验。干雷电冲击耐受电压试验和工频闪络电压试验结果见表8、9。

表8 干雷电冲击耐受电压试验结果Tab.8 Test results of dry lighting impulse withstand voltage

横担还通过了浸水试验，测试结果见表10。

2.5 挂网运行

按项目的目标要求，研制成功的带伞裙绝缘横担应既能在双回路钢管塔上使用，也可以在单回路钢管塔上使用。根据电网的运行情况和停电计划，首先使用带伞群绝缘横担的是单回路钢管塔。图4展示的是2013年6月1日，绝缘横担在1222南姚线单回路钢管塔上的安装和运行情况。

表9 干工频闪络电压试验结果Tab.9 Test results of flashover voltage with dry power frequency

表10 浸水后干工频耐受电压试验结果Tab.10 Test results of dry line frequency withstand voltage after dipping water

图4 塔头及横担吊装过程和挂线运行Fig.4 Lifting and online running of tower head，cross arm

目前，该线路在经过几次大风和大雨的考验后仍能安全运行，说明该横担具备运行可靠性。

3 结论

基于对本项目的研究，完成了110 kV不挂绝缘子复合材料绝缘横担的设计和制造工作，并实现安全挂网运行。该横担从设计、选材以及制造工艺3个方面进行了创新，改变了传统横担需要悬挂绝缘子的特性，降低了风偏闪络的风险;改善了硅橡胶伞裙绝缘横担不可走人，易受虫鸟侵蚀的缺点;同时又不像瓷绝缘横担那样容易脆裂受损。因此，这种专门针对输电线路独杆塔设计的复合横担是一种更具有研究前景的新型横担。

(1)采用脂环族户外环氧作为伞裙的树脂材料，能够满足使复合横担不带伞裙的电气绝缘要求，并且满足伞裙可走人的强度要求。

(2)采用拉挤－缠绕工艺，再联合APG浇注工艺，是制备出这类硬质伞群复合横担较为合适的工艺。

(3)本项目制造的复合横担总质量约125 kg，除去两端金属连接件的质量则仅65 kg，和传统钢横担(300～400 kg)相比，具有轻质的特点。

(4)采用不挂绝缘子的绝缘横担，其悬垂金具串的长度仅仅为0.3 m，而采用钢横担的绝缘子长度为1.5～1.8 m，因此杆塔高度可降低1.0 m左右。

(5)与相同规模的110 kV钢横担双回路钢管杆相比，采用不挂绝缘子的绝缘横担钢管杆的线间距离可减少约3 m。

(6)复合横担经强度试验，证明能够承受3.5 t以上纵向或竖向拉力，且形变保持在5%左右，满足各种运行工况要求。

(7)经电气试验验证，复合横担满足电气性能要求，值得一提的是，本复合横担还通过了168 h浸水后的230 kV、30 min工频耐压测试。

(8)综合光老化、中性盐雾老化、湿热老化、水浸泡、高低温循环试验、超低温试验结果，证明本复合横担具有较好的耐老化性能。

［1］夏开全.复合材料在输电杆塔中的研究与应用［J］.高科技纤维与应用，2005，30(5):19-23.

［2］张平，龙玉成，孙清，等.输电杆塔玻璃钢纤维增强复合材料抗老化性试验研究［J］.电力建设，2012，33(9):67-71.

［3］GB 50545—2010110 kV～750 kV架空输电线路设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2010.

［4］Q/DG 2-T02—2011架空输电线路复合材料杆塔结构设计导则［S］.