配网带电作业复合材料多功能绝缘横担的研制

2022-04-26路瑶

合成材料老化与应用 2022年2期

路瑶

（邯郸供电公司，河北邯郸 056000）

自二次工业革命以来，电能成为经济实用且可稳定控制的能源形态，广泛应用于动力、能源等各个领域。电能的出现和发展对社会和科技的发展推动极大，而随着社会进步和科学手段的更新，电能更是以一种更为稳定安全的方式服务大众［1］。近年来，随着高压传输技术的成熟，我国开始广泛应用高压电缆，这也间接导致了各种问题出现在电力传输过程中。在一般的电缆线路的使用过程中，常常会发现因为外部损伤或绝缘问题导致的故障，直接影响到安全生产的电气单元［2-3］。在针对传统的电缆出现的故障，研究人员已经对其做了许多的防护工作，例如使用疏水类和耐酸碱的材料、加固电缆外部绝缘层等措施，然而，在电缆长时间的负荷运行下，电缆的接头和绝缘横担等容易出现绝缘材料的绝缘性能变低等情况，导致严重的工程事故。在电缆出现故障时，旁路作业法是现在应用最为广泛的方法，拥有有效减少工程量、缩短断电时间等种种优点，保障了现有电缆线路安全稳定的服役［4-6］。但是旁路作业法的缺点也同样明显，旁路柔性电缆的固定问题一直悬而未决，成为限制其功能和应用的短板，所以，对配网带电作业复合材料多功能绝缘横担的相关研究是十分有意义的［7］。

1 横担的材料与设计

1.1 横担的结构选择

在电气设备服务社会的过程中，绝缘材料无疑是至关重要的一环。截至目前，绝缘材料的失效仍然是导致电气设备损坏的主要原因，而除去自然老化和机械损伤破坏绝缘完整性外，冲击电压的累积也是造成绝缘材料失效的常见原因之一。按照绝缘材料的化学成分，常将绝缘材料分为有机和无机绝缘材料，无机材料常指陶瓷、玻璃、云母粉等金属或非金属的氧化物，共价键的紧密结合使得材料不易发生电子转移达到绝缘的作用，且金属氧化物常常表现出较好的介电性，是电气设备中绝缘材料的优选，但无机绝缘材料的制造成本过高，很难被广泛使用，因而有机绝缘材料是电气设备常见的绝缘材料。常见的有机绝缘材料有链式结构的高分子聚合物如聚乙烯、聚苯乙烯等典型的热塑性材料，网状分子结构的环氧树脂、酚醛树脂等热固性材料，以及橡胶、纤维等。不同的绝缘材料都有其使用范围，如橡胶材料常用于电缆，合成纤维用于电机的绝缘槽，而电气设备最为常见的绝缘材料则是环氧树脂绝缘材料，环氧树脂应用于电气设备不仅在于它优良的绝缘效果，更是由于其强度较高，可以一定程度上承担支撑作用［8］。

绝缘横担的内芯和芯棒材料需要考虑到比强度和密度两个参数。现在常见的内芯材料多选取聚氨酯发泡材料，既能防止水滴的渗入，也能提高内芯的绝缘能力，在短路时也能起到一定的防火能力。对于芯棒部件而言，需要力学性能优异的材料承载整个绝缘横担的自重，所以有机绝缘材料成为芯棒材料的首选之一，同时，有机材料的芯棒成型工艺也多有考究，以玻纤复合树脂绝缘材料为例，拉挤工艺用来保证树脂基体中的玻璃纤维的占比，加强材料的强度，缠结则是为了对材料的抗弯、抗扭等力学性能进行加强。伞裙作为增加横担爬距和增强横担的外绝缘能力的构件也是绝缘横担必不可少的组成部分之一，同时氟碳涂料等新型涂层工艺也被应用到绝缘横担当中，对横担表面进行改性，增加横担的疏水和绝缘能力［9］。金属连接件则常以镀锌件为材料，保证连接的强度以及增强其耐蚀性。

1.2 电杆抱箍的连接方式

电杆抱箍、电缆固定线夹和支撑板是绝缘横担最为常见的连接方式之一。电杆抱箍是为了更好地使横担与电杆紧密相连，而电缆固定线则是为了解决在旁路作业法中柔性电缆的固定问题，绝缘横担与构架的连接如图1所示，其中支撑板选择铝合金材质，减轻构件自重的同时提供较好的支撑力和防腐蚀性能［10］，尾端开叉，使得横担与角钢之间连接更为坚固，添加锁死装置，如图中的缩紧手柄与缩紧滑块，通过缩紧手柄来完成横担与电杆的固定程度。

图 1 绝缘横担与角钢的连接方式Fig. 1 Connection mode of insulated cross arm and angle steel

除此之外，还可以直接与圆形电杆连接。主要结构是，以尾端开90°分叉来连接底座。锁紧滑块更换为圆杆适配滑块和软质抱杆锁紧带。更换了圆杆适配滑块的绝缘横担能够很好地贴合圆杆表面，软质抱杆锁紧带和收紧器则可以调节横担与电杆的紧固程度。

1.3 横担支撑相关计算

在横担进行老化测试之前，需要对横担的相关力学性能进行计算，以保证横担的稳定服役过程。根据截面转动惯矩的计算公式，截面转动惯矩J［11］的数值是芯棒外径的四次方与内径四次方差值（D4-d4）的π/64倍。为了保证横担的稳定性，防止横担处于失稳状态，必须对横担芯棒的临界承载力Fcr0进行计算，横担芯棒的临界承载力Fcr0为芯棒的弹性模量E与截面转动惯矩J乘积的π倍。设横担的不均匀系数为α，则整个绝缘横担的临界承载力Fcr为芯棒的临界承载力Fcr0的1/α。绝缘横担在使用前必须满足相关性能要求。

2 绝缘横担的老化试验

绝缘横担的使用寿命一般在五年左右，为了使绝缘横担在长时间的服役条件下仍然拥有较稳定的电气性能，需要对绝缘横担进行老化试验，按照相关标准，常见的老化试验项目及试验参数见表1。

表1 老化试验项目及参数Table 1 Aging test items and experimental parameters

经过上述参数的老化试验后，需要对材料的相关力学性能和电气性能进行对比测试，以验证该材料的稳定性。通常而言，在经过老化测试之后，芯棒的材料力学性能不能出现较大的降低，平均保持率需要达到80%以上。有文献表明，在老化实验的初期，绝缘材料的力学性能甚至会出现小幅度的上升，原因是与绝缘材料的固化过程相关。在材料的老化过程中，部分老化条件对材料的固化有一定的促进效果，或是在温度的影响下，材料本身的分子结构出现重新排列，优化了材料内部的凝聚态结构，消除本身的空位等缺陷，化学成分反应彻底，如发生分子链的重排列和相界的分离和再交联，提高了材料的粘合度和强度［12］。

而绝缘材料的电气性能在老化试验后反而性能提升，相关研究证明，在绝缘横担类材料中，材料的电气性能不但不会出现大幅度的退化，反而有着轻微幅度的上升。影响电气性能的因素有三个，分别是接触电阻、绝缘电阻和抗电强度。而这三个因素都和材料的微观结构有关，在经过长时间的电荷加载下，电荷的累积造成材料的实际服役温度上升，温度的升高使固化作用更为强烈，而电荷在表面的累积会使得材料的极性分子重排，使得材料接触电阻、绝缘电阻上升，在实际的结果表现上就是材料在老化后表现出更为优异的电气性能。

除此之外，对复合绝缘横担进行雷电冲击、湿工频及污秽工频试验也是很有必要的，绝缘材料在高电压的服役环境中，容易产生电子的累积，尤其在雷雨天气下更是会加速累积效应，加快有机绝缘材料的失效。为验证复合绝缘横担产品优异的电气绝缘性能，保证线路的安全稳定运行，提高线路耐雷击及防污能力，根据国家电网公司组织编制配电网工程《10kV架空绝缘线路绝缘横担典型布置方案》标准，方管复合绝缘横担的 50% 干雷电闪络电压需要达到 388.3kV。