10kV同杆多回线路特殊相导线提线工具研制

苏梓铭，刘 凯，刘 庭，肖 宾，彭 勇，唐 盼，吴 田

（中国电力科学研究院，湖北 武汉 430074）

随着国民经济的快速发展和电网建设步伐的加快，在人口稠密、经济发达地区，土地资源日趋紧缺，部分地区甚至已无新辟线路走廊的可能。为解决线路走廊与地方土地利用之间的矛盾，必须集约化利用土地资源，提高线路走廊单位面积的传输容量，多回线路同杆并架技术是解决此问题的有效途径［1-4］。10kV线路是电力系统的重要组成部分，在线路走廊紧张的城市配电线路中，为使线路走廊得到充分利用，10kV同塔并架多回线路将成为城市配电线路建设的发展趋势。

由于10kV同塔多回线路塔型结构和导线布置与单回线路有一定的区别，对于10kV同杆多回线路，靠近杆塔的中间回路与周围其他回路以及杆塔间距较小，对中间回路的维护采用常规的作业方式不能满足安全要求。当多回导线同杆架设线路的这些特殊回路需要消缺时，依照现有的技术水平及工器具不能满足带电作业要求，作业时需要将其他几回线路同时停电，这就直接影响了城市的供电可靠性［5］。

笔者对10kV同塔多回线路特殊相导线带电作业技术进行研究。针对10kV同塔多回线路特点，首先仿真计算得出多回线路发生短路时产生的过电压，明确带电作业工具性能要求；然后采用理论分析与试验研究相结合的方法，研制10kV同塔多回线路特殊相导线提线工具。

1 同塔多回线路作业难点及方法分析

以中国广州地区广泛使用的同塔四回路杆塔为例进行作业方法的研究，如图1所示。

1.1 作业难点

配电线路带电作业技术导则（GB／T 18857）规定，在10kV配网带电作业中，人体与带电体的最小安全距离不得小于0.4m（绝缘杆作业法），且不允许绝缘斗内作业人员在不满足安全距离的情况下穿越外侧导线对内侧导线进行操作。

由图1同塔四回路杆塔结构可知，中间特殊相导线的作业难点在于：①外侧上相—中相导线构成的作业窗口过小，绝缘斗内作业人员无法在中间特殊相导线上直接操作；②在更换内侧中间特殊相导线绝缘子时，受杆塔导线排列紧密的影响，无法对该相导线进行提升。

图1 同塔四回路杆塔Figure 1 4-circuit lines on the same tower

1.2 作业方法

针对作业难点，提出绝缘斗内作业人员绝缘手套直接操作与绝缘杆间接操作相结合的作业方法，搭配特殊相导线带电作业工具，完成更换同塔多回线路内侧中间相导线绝缘子更换等难度较大的作业项目。利用这种方法操作时，先使用提线工具提吊导线、扩大操作窗口，再使用间接工具在操作窗口中进行操作，以确保作业人员安全。提线工具初步设计示意如图2所示。

10kV同杆多回线路特殊相导线带电作业方法如下：

1）作业人员乘坐绝缘斗臂车，使用绝缘操作杆对电杆上的绝缘子瓷瓶70、导线90进行遮蔽；

2）绝缘遮蔽完成后，将绝缘斗臂车升至杆塔上方，使同杆多回线路中间相导线提线工具悬挂在横担上，即将［M1］横担卡具31，32，33分别卡在上、中、下3个横担上；

3）调整好紧线器41，42的位置，使紧线器下方导线金属钩51，52钩住导线；

4）作业人员使用绝缘扳手转动螺母314，将横担卡具收紧，重复上述步骤，直至3个横担卡具的螺母均收紧；

5）将绝缘斗臂车降至杆塔横担下方，安装吊杆抱箍62，使之紧固；

6）确保多回线路中间相导线提线工具安装牢固后，将绝缘斗臂车上升至杆塔上方，作业人员用绝缘操作杆操作紧线器41，42，提升导线；

7）使用绝缘杆间接工具如绝缘杆匝线剪、绝缘取瓶器、绝缘三齿耙等开展中相导线的带电检修工作。

该方法的关键点在于：计算10kV线路带电作业时，在考虑可能遭遇的短路故障引起的过电压基础上，研制操作安全、使用方便的特殊相导线提线工具，以满足在紧凑导线环境下提吊特殊相导线的需要。

图2 提线工具初步设计示意Figure 2 Preliminary schematic design of the hanging special conductor tools

2 10kV同杆多回线路过电压及工具荷载理论计算

2.1 故障接地过电压计算

采用ATP-EMTP仿真计算软件，按照调研获取的广州地区典型同塔四回线路杆塔图纸进行导线布置，设置相关线路参数，建立10kV同杆多回架空线路电磁暂态模型如图3所示，对线路短路过电压进行计算分析［6］。相序排列及空间布置采取典型同塔四回线路排列方式，模型中四回线路排列方式如图4所示，即单回线路中上、中、下相依次纵向排列，四回线水平排列。

仿真计算时，导线平均高度约为11m，同一侧两回线路离中心线距离分别为0.57和1.57m。进行多变量对比仿真，考虑线路末端负荷情况、线路短路位置、短路时刻相角这3个因素对系统发生故障短路时过电压影响［7-9］。经计算得出，最大过电压发生在空载线路末端短路位置，且短路时刻相角为180°，后续仿真计算均按照该种工况进行设置。

图3 同塔四回线路过电压计算模型Figure 3 Over-voltage calculation model of 4-circuit lines on the same tower

图4 同塔四回线路排列方式Figure 4 Line arrangement of 4-circuit lines on the same tower

2.1.1 单相稳定接地过电压

当线路末端发生单相稳定接地故障时，作业点相地过电压如图5所示。需要讨论弧道电阻和线路长度对线路操作过电压的影响。

图5 单相稳定接地过电压波形Figure 5 Over-voltage waveform of single-phase grounding

1）线路长度。

分别取线路长度为10，20，30，和40km，弧道电阻取10Ω，计算不同线路长度下单相接地过电压水平。计算结果如图6所示，可知随着线路长度增大，单相接地过电压随之增大，线路长度小于20km时，线路长度变量对过电压影响较大；线路长度大于20km时，线路长度变量对过电压影响较小。

2）弧道电阻。

仿真计算中，线路长度取20km，在线路末端发生短路故障，燃弧相位取180°，此时单相接地过电压倍数达到最大，弧道电阻取0～20Ω。弧道电阻与单相接地过电压水平关系如表1所示，分析可得，单相接地过电压水平随弧道电阻的增大而减小。

配网中常见的接地故障还有高阻接地［10］，为进一步研究高阻接地对过电压水平的影响，设定电阻值变化为20Ω～2kΩ，仿真数据如图7所示，可知高阻接地对过电压水平有明显的抑制作用。单相接地过电压水平随着接地电阻的增大而降低，当发生单相高阻接地时，过电压水平不高，对带电作业人员和工具影响不大。

图6 线路长度与单相稳定接地过电压水平关系Figure 6 The relationship between line length and singlephase stable grounding over-voltage level

表1 弧道电阻与单相接地过电压水平关系Table 1 Relationship between arc track resistance and single-phase stable grounding over-voltage level

图7 接地电阻与单相稳定接地过电压水平关系Figure 7 Relationship between ground resistance and single-phase stable grounding over-voltage level

2.1.2 弧光接地过电压

弧光接地过电压也是配电网中典型的故障过电压，有必要对该类型过电压进行分析研究［11］。在产生单相间歇式电弧过电压的过程中，电弧的熄灭和重燃时间是决定最大过电压的重要因素，以工频振荡电流第1次过零时熄弧为前提条件进行分析：在工频电压峰值（10ms处）A相发生对地燃弧，系统发生振荡，过渡过程结束后，B，C相将稳定按线电压规律运行，经过半个周期后，在20ms处A相接地电流过零熄弧，即发生第1次工频熄弧；然后，每隔半个工频周期依次发生重燃和熄弧的过程。

考虑发生了3次重燃、2次工频熄弧的最严重情况，取线路长度为20km，弧道电阻为10Ω。依据工频熄弧理论仿真得到的三相电压典型波形如图8所示，工频熄弧过电压如表2所示，可得中性点不接地系统在发生弧光接地故障时产生了可达4倍的弧光接地过电压。

通过10kV同杆多回线路故障接地过电压计算，单相稳定接地过电压随着线路长度的增大而小幅增加，随着弧道电阻的增大而减小，当线路长度为

图8 弧光接地过电压波形Figure 8 Overvoltage waveform of arc grounding over-voltage

表2 工频熄弧过电压Table 2 Over-voltage of frequency arc extinction

20km、弧道电阻为10Ω时，弧光接地过电压峰值为23.30kV；弧光接地过电压随着重燃次数的增加而叠加上升，当线路长度为20km、弧道电阻为10Ω时，3次重燃峰值为34.91kV。

依据DL／T 976—2005《带电作业工具、装置和设备预防性试验规程》，10kV带电作业工具应能承受电极间隙0.4m的45kV／1min工频耐压试验，因此，10kV多回线路带电作业工具只要能够通过DL／T 976—2005规定的试验内容，即可以满足安全作业要求。

2.2 特殊相导线提线工具额定载荷计算

特殊相导线提线工具额定载荷依据GB／T 18037—2008《带电作业工具基本要求与设计导则》进行计算。

2.2.1 气象条件

《带电作业工具基本要求与设计导则》规定带电作业工具机械设计组合气象条件有3类，如表3所示。由于广州地区所属中国典型气象区第四气象区，并考虑到带电作业现场对气象条件的要求，选用II类气象，即t=-15℃，v=10m／s，b=0（覆冰厚度）作为工具的机械强度设计气象条件。

表3 带电作业条件下的气象组合Table 3 Meteorological combination under live working conditions

2.2.2 线路参数

10kV架空线路常用导线的机械物理性能如表4所示。依据10kV配网线路典型设计参数，10kV线路档距均小于200m。为严格保证工具承力能力，在计算中设定10kV线路杆塔单个垂直档距为150m，2个垂直档距为300m。

表4 常用导线机械物理性能Table 4 Mechanical and physical properties of common wire

2.2.3 额定荷重

当风速为10m／s时，导线所承受的风压荷重为

式中 g3为风压比载，N／（m·mm2）；A为架空线截面积，mm2；Lc为线路的垂直档距。

考虑到整个档距上的风速通常不一致，架空线的迎风面积形状（体型）对空气流动的影响，以及风向与线路走向间常存在一定的角度，无冰时的风压比载为

式中 α为风速不均匀系数，如图5所示，可取表5中数值；v为设计风速，m／s；C为风载体形系数，当导线直径d＜17mm时，C=1.2；d≥17mm时，C=1.1；d为导线外径，mm。

表5 风速不均匀系数Table 5 Uniformity coefficient of wind velocity

根据式（1），计算得到垂直档距为300m的10kV LGJ-240线路的风压荷重为1 728N。计算不同型号线路的导线自重荷载：

式中 g1为导线每千米重力，N。LGJ-240／30、LGJ-240／40、LGJ-240／50导线自重荷载分别为0.3×922.2×10=2.77，0.3×964.3×10=2.89，0.3×1 108×10=3.32kN。

提线工具需要承受导线的自重荷载以及水平风压荷载，因此，其受到的应力为

根据式（4），计算得到不同线路带电作业时的综合应力：LGJ-240／30，LGJ-240／40，LGJ-240／50导 线 应力分别为3.264，3.367，3.742kN。

该次开发的工具预期通用范围应当能够满足80%以上的线段，10kV线路2个垂直档距内提升导线所需承受的最大荷载为3.742kN，同时考虑提线工具最多可同时提升2根导线。因此，设计其最大工作负荷为7.5kN。

3 10kV同杆多回线路特殊相导线提线工具研制

3.1 现场实测与工具改进

对10kV同杆多回线路进行实地考察及相关数据的测量。目前，10kV同杆多回线路在横担上均设计有横担支撑结构以保证横担和提线工具的牢固稳定性。由于初步设计图2中的电杆抱箍61主要用于维持工具稳定性，与现有线路上的横担支撑结构功能重复，故电杆抱箍可以取消。同时做出改进，以满足现场需要，即

1）对上端吊臂横向部分进行加长，并且在吊臂上设计多个紧线器悬挂点；

2）将紧线器下方金属钩改制为绝缘钩；

3）减小立杆长度，将原本上、下相横担的两相间横担固定方式改为相邻横担固定，从而在保证同杆多回线路中间相导线提线工具安装牢固的同时，缩小工具尺寸，降低重量。

最终具体设计如图9所示，改进后的提线工具所用材质与原设计方案相同，其主要由上端吊臂11、立杆21、上、下端卡具32及紧线器挂点41～48组成。上、下端卡具31，32及上端吊臂11分别通过不锈钢套，用穿芯螺丝固定在立杆21上。在使用时，上端卡具卡在上相横担上，下端卡具卡在中相的横担上。上、下端卡具31，32与原设计方案相同，仅改变了其间距。

图9 10kV多回线路特殊相导线提线工具Figure 9 Hanging special conductor tools for liveworking on 10kV multi-circuit lines

上端吊臂设计基本与原设计方案相同，上方横向结构进行了加长，现长为1 300mm、宽80mm；紧线器挂点材质及固定方式不变，由原先的2个挂点增加至8个挂点，最外侧的挂点41，45中心距离边缘40mm，挂点42，46与挂点41，45的间距为80mm，挂点43，47与挂点42，46的间距为80mm，挂点44，48与挂点43，47的间距为80mm。

3.2 特殊相导线带电作业方式确定

确定10kV多回线路特殊相导线最终带电作业方式：

1）作业人员乘坐绝缘斗臂车，使用绝缘操作杆对电杆上的绝缘子瓷瓶70、导线90进行遮蔽；

2）绝缘遮蔽完成后，将绝缘斗臂车升至杆塔上方，使同杆多回线路中间相导线提线工具悬挂在横担上，即将横担卡具31，32分别卡在上、中2个横担上；

3）根据作业需求选择紧线器挂点，然后调整紧线器的位置，使紧线器下方导线绝缘勾51，52钩住导线；

4）作业人员使用绝缘扳手转动螺母315，使上端卡具收紧，再使用绝缘扳手转动螺母324，使下端卡具收紧；

5）确保多回线路中间相导线提线工具安装牢固后，将绝缘斗臂车上升至杆塔上方，作业人员用绝缘操作杆，操作紧线器，提升导线；

6）开展中间相导线的带电检修工作。

3.3 特殊相导线提线工具试验

依据DL／T 409和DL／T 976的要求，对研发的10kV多回线路特殊相导线提线工具进行电气和机械性能试验。

3.3.1 电气试验

为验证提线工具绝缘性能的有效性，依据DL／T 976中的试验方法对绝缘提线工具进行工频耐压试验，试验结果如表6所示，试验布置如图10所示。

3.3.2 机械试验

提线工具的设计额定荷载为7.5kN，根据DL／T 409的要求对其进行静荷和动荷重试验，试验如图11所示。试验结果符合要求。

表6 电气耐压试验结果Table 6 Testing results of electric pressure test

图10 特殊相导线提线工具电气耐压试验Figure 10 Electric pressure testing of the hanging special conductor tools

4 结语

笔者对10kV同塔多回线路特殊相导线带电作业方法进行了研究，在计算和试验基础上研制了10kV同塔多回线路特殊相导线提线工具。研制出的10kV多回线路特殊相导线提线工具有以下特点：

图11 特殊相导线提线工具机械试验Figure 11 Mechanical testing of the hanging special conductor tools

1）便于携带。提线工具采用模块化组装，由支撑固定和提吊导线两大部分组成，便于携带和组装。

2）通用性强。提线工具在满足额定载荷的基础上设置了多个通用挂点，以满足不同塔头尺寸线路提吊导线的需要。

3）操作安全。在电磁暂态仿真的基础上，通过电气和机械试验验证了提线工具操作的安全性，配合绝缘杆间接操作工具，可以安全开展同塔多回线路特殊相导线的检修工作。

10kV同塔多回线路特殊相导线提线工具的研制克服了以往带电作业安全距离不够的难点，为开展10kV多回线路特殊相导线带电作业提供了硬件支撑。

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