基于便捷性与安全性的绝缘操作杆研制

魏 震 李翔宇 朱鹏飞 曹梦茹 卢晓光

（1.国网河南省电力公司直流中心，河南 郑州 450000；2.河南许继仪表有限公司，河南 许昌 461000）

0 引言

绝缘杆是电网检修中使用最频繁的工具之一[1-2]，设计便捷安全的绝缘杆可以起到双减电力检修工作者劳动量及危险性的效果。特高压主通流回路中电气设备进行断复引检修工作后，需对断复引接头进行回路电阻测量，以检查接头处电气连接质量。若电气连接不良，回路电阻值会表现偏大，在大电流的作用下易引起接头处过热，进而导致电气设备烧坏甚至断线，严重威胁人身安全和电网的稳定运行[3-4]。

回路电阻测量现场使用绝缘操作杆来测量接线，无须升降车平台[5-6]，也无须登高作业，可以节省部分人力、物力。但利用现有绝缘操作杆进行回路电阻测量时需采用4个夹线钳和4根绝缘操作杆，将测量电流的两个夹线钳分别夹在两根绝缘操作杆金属头上，将测量电压的两个夹线钳分别夹在另外两根绝缘杆金属头上，然后将绝缘操作杆的金属头挂在被测试品两端。此种测量方式需要使用的绝缘操作杆和夹线钳数量多，所需物力也比较多，同时在测量现场，由于被测试品距离地面较高，绝缘操作杆较长且重量较大，利用绝缘操作杆进行接线时，需由至少3人完成，使用4根绝缘操作杆时工作量较大，接线时间较长，致使检修工期延长，工作效率低。

基于以上需求，有必要研制一种新型绝缘杆，能保证绝缘操作的安全性，同时满足操作便利性，在回路电阻测量时易于接线，达到有效减少现场工作量，缩短检修工期，提高工作效率的目的。

1 便捷绝缘操作杆结构设计

结构设计需求场景为高压试验用新型绝缘操作杆，结构设计重点区域为绝缘操作杆金属头，需解决的问题为现有技术中利用绝缘操作杆测量回路电阻时，所需人力、物力较多，工作量大，接线时间长，工作效率低。试验场地及试验指导为灵宝换流站研究人员负责策划指导，提供现场技术数据，同时也负责开发研究，将所需功能集成至现场设备上，最后对现场进行试验操作，检查效果。

改进绝缘操作杆金属头结构如图1所示。

图1 改进绝缘操作杆金属头结构示意图

改进绝缘操作杆金属头包括绝缘垫块和结构相同的两个金属头挂钩，绝缘垫块位于两个金属头挂钩中间，两个金属头挂钩通过绝缘螺栓与绝缘垫块固定连接，绝缘垫块的一端设有转向节。

改进绝缘杆金属头在具备现有绝缘杆金属头功能的前提下，与传统绝缘杆金属头相比，在回路电阻测量时节省了两个夹线钳，减少了两根绝缘操作杆的使用，节省了一半的人力，减少了一半的接线工作量，缩短了检修工期，提高了工作效率，解决了回路电阻测量时接线时间长、所需人力多的问题。

图2为利用现有绝缘操作杆进行回路电阻测量示意图。

图2 现有绝缘杆回路电阻测量示意图

利用改进后的高压试验用新型绝缘操作杆金属头进行回路电阻测量示意图如图3所示。

图3 新型绝缘杆金属头回路电阻测量示意图

由图2、图3可知，采用改进后的高压试验用新型绝缘操作杆进行回路电阻测量时与使用现有绝缘操作杆相比，节省了两根绝缘操作杆、两个夹线钳，节省了一半接线工作量。

下面对绝缘金属杆在高电压作用下与操作者之间构成的导电模型进行分析，为设计材料选取提供依据。

2 绝缘杆操作人体导电模型计算

绝缘杆操作人员可以用地电位法构建人体导电模型，即认为作业人员和大地电位相同，作业人员用绝缘杆进行带电作业，构成了“高压带电线路—绝缘杆—人体—大地”这一电压传递线路，如图4所示。

图4 绝缘杆作业示意图

由图4可得等值电路图如图5所示。

图5 等值电路图

带电作业的关键点是确保操作人员安全，首先是安全距离的确定和绝缘材料可靠性的保证。现以220 kV绝缘杆为例，进行一次操作人员安全参数计算。

绝缘杆绝缘电阻记为Rm；操作人员对导线的空间电容记为C1，自身鞋底与大地的电容记为C2，绝缘杆泄漏电流记为Ir，其中绝缘杆手握点到带电体的电阻一般满足Rm≥9×1010Ω。对于220 kV绝缘杆，人体处于安全距离的电容约为4.4～22 pF，记C1=4.4×10-12F。

此时可计算带电体与操作者间的容抗为：

式中：f为电网频率。

操作者与大地间的电容C2一般可达350 pF左右，与鞋面绝缘程度有关，此时可估算操作者对地容抗为：

可知，XC2容抗在107Ω附近。

XC1和Rm构成并联关系，然后与XC2及Rr串联构成回路。从计算可知，XC1和Rm构成并联后，仍然比XC2和Rr串联大一个数量级以上（Rr可忽略）。故此，对人体安全影响最大的仍然是绝缘杆的绝缘性和距高压设备的距离。

现计算220 kV绝缘杆对操作者的泄漏电流，此处对地相电压为127 000 V。

通过绝缘杆泄漏电流：

式中：Uo为图5中绝缘杆两端电压差，因安全性计算，适当放大，可用对地相电压替代。

通过等效电容C1泄漏电流：

现即使忽略C2的容抗，记为0，通过操作者的总电流也小于Ic+Ir，即通过操作者的总电流不会超过180 μA。但由于C2的存在，在强电场作业中会存在与大地之间的悬浮电压差，记为U2，U2是需要关注的，特别是其对仪器测量精度的影响。U2的粗略计算为：

3 绝缘材料参数设计

绝缘杆制造材料选取要符合电气性能指标，主要由绝缘电阻、介质损耗、绝缘强度三项指标确定[7-8]。

根据绝缘杆人体导电模型的计算，可确定绝缘杆绝缘电阻用材需求、绝缘杆长度需求等。绝缘操作杆不同材料的性能指标如表1所示。

表1 材料主要性能指标

由以上数据可知，新型玻璃纤维材质相对3640卷材密度提升50%以上，吸水性在其1/10左右，抗弯强度提升100%以上，电阻率直线提升，湿态下电阻率也优于干态卷制管。电气性能和机械强度提升效果明显，因此绝缘杆选材首选玻璃纤维材质。

现对玻璃纤维材质电力杆进行弯曲破坏性试验，试验品直径32 mm，杆长2.5 m，破坏值为3 740 N，残余变形1.1 mm，通过IEC 60855标准规定。对其进行电气试验，干态漏电电流5.24 μA，受潮168 h漏电电流7.5 μA，均通过IEC 60855标准规定。4 000次疲劳机电试验均能满足标准规定值。由此可知，选择玻璃纤维材质做绝缘杆材料可满足要求，且各项试验指标均高于标准要求。

由分析可知，高压作业时除绝缘杆自身材料电阻率外，有效保持作业距离也是增加绝缘杆电阻及空气电抗的有效手段。故此，绝缘杆操作长度就显得尤为重要。根据相关标准要求及计算，不同操作电压要求的最小绝缘杆安全长度如表2所示。

表2 不同操作电压的绝缘杆长度需求

由表2可知，10 kV架空线路用绝缘操作杆绝缘长度加握手长度之和至少大于1.3 m。过长的长度意味着操作者体力的增加，综合考虑到10 kV线路排列紧凑，横担长度较短（0.70 m），因此首选绝缘杆杆长为1.5 m，用于制作绝缘操作间接工具。

根据中国南方电网有限责任公司企业标准《安全工器具技术规范（绝缘操作杆部分）》指导，绝缘杆外径分30 mm以下管材和32～70 mm管材。两类管材试品工频耐压试验中，在试品电极间距300 mm和100 kV下1 min工频耐压试验条件下泄漏电流准许值分别为：30 mm以下受潮前不大于10 μA，受潮后不大于30 μA；32～70 mm管材受潮前不大于15 μA，受潮后不大于40 μA。由此可知，外径差异在工频耐压试验中表现为泄漏电流的差异，根据本绝缘杆的应用场景，试验操作一般不会选择天气条件恶劣时，可保证试验处于干燥的工作场景中，故此设计时只考虑干燥环境下的泄漏电流值，30 mm外径的绝缘杆可满足应用条件。故此绝缘杆设计为长度1.5 m±20 mm，外径30 mm即可。

新型绝缘杆试制后在河南灵宝站进行试用，试用期间研制效果得以验证。

4 结论

通过改进绝缘杆金属接头的设计结构，完成了两次挂杆任务的单次合并操作，达到了有效减少现场工作量，缩短检修工期的目的。为此，本文进行了绝缘杆操作人体导电模型的搭建及分析，获取了绝缘杆安全设计的指导参数；在此基础上，进行了新型绝缘杆材料选择及参数设计，根据应用场景确定了绝缘杆整体设计参数，完成了新型绝缘杆的最终设计任务，并通过试验证明了新型绝缘杆能够很好地配合复引接头电阻测量工作。