碳纤维技术在配网带电作业方面中的应用

满建越 张建伟 高永强 辛国宝

（国网甘肃省电力公司武威供电公司，甘肃 武威 733000）

1 背景介绍

随着科技的持续发展，10kV 配网带电作业检修水平已经取得了长足的进步，其主要优势在于：①缩短停电时间：相比于其他检修作业方式而言，配网带电作业方法能够大大缩短停电时间，减小线路检修工作带给居民生活以及工业生产的影响。同时，停电时间的缩短，也有助于减少电量的损失，可以节约更多电力能源；②缩短检修时间：就一般线路的检修工作而言,落实安全技术措施保障,是实施线路检修的前提。不论是停电、送电，还是挂、拆接地线，都会耗费很多时间。就拿10kV 配网的检修工作来说，停电检修工作所耗费的平均时间大概在4 小时左右，检修人员大概要5-8 人，需用的作业车至少两台。若是采用带电作业方法进行检修工作，所耗费的平均时间大概在2 小时左右，检修人员只需配备3-5 人，需一台作业车即可。虽然说带电作业方法在早期的投入成本相对较高，但从长远角度来说，带电作业方法比停电作业方法在效率上更高，而且减少了人力物力的支出；③及时进行配网线路消缺：配网带电作业方法具有方便、快速的特点，在发现设备故障时，作业人员不需要再像以前停电作业方法那般先通知沿线用户做好停电准备，只需要及时利用绝缘防护工具对线路缺陷进行处理，就可以完成线路检修工作，这不但提高了配网线路的抢修效率，减少了电量损失，同时还避免了很多不必要的麻烦。

近年来，配网带电作业方法也呈现出多样化特点，当前主要有以下四种带电作业方法，其优劣势情况也各不相同，具体情况如下：

（1）绝缘杆作业法，是指作业人员与带电体保持《电业安全工作规程》规定的安全距离，通过绝缘工器具进行作业的方式。绝缘杆作业方法既可在登杆作业中采用，也可在斗臂车的工作斗或其它绝缘平台上采用。其优势在于作业绝缘工器具成本造价低、运输携带及操作都较为简便，而且作业不受地形限制，作业前的准备工作和作业过程中需要的人力较少，所以目前应用最为广泛；其劣势在于作业时对作业人员的技能水平要求较高，且需要攀爬登高作业，作业人员劳动强度大，存在一定的安全隐患。

（2）绝缘手套作业法，是指作业人员借助绝缘斗臂车或其它绝缘设施(人字梯、绝缘平台等)与大地绝缘并直接接近带电体，作业人员穿戴全套绝缘防护用具，与周围物体保持绝缘隔离，通过绝缘手套对带电体进行检修和维护的作业方法。在配网线路的带电作业中，不允许作业人员穿戴屏蔽服和导电手套，采用等电位方式进行作业，绝缘手套法也不应混淆为等电位作业法。绝缘手套作业法优势在于作业人员的劳动强度低，无需爬杆作业；其劣势在于受地形限制较为严重，必须是斗臂车或者绝缘平台能够展开搭建的区域，否则无法作业，而且作业前期的准备工作较多，不但作业人员需要穿戴绝缘服，导线也需要使用大量的绝缘毯对导线进行遮蔽包裹，对于安全防护要求较高，所以作业效率一般。

（3）旁路作业法，是指在某段线路出现突发故障需要停电检修或需要改造时, 使用旁路断路器和旁路电缆等设备将客户的负荷转移之后再进行检修或者改造工作，整个作业过程可实现“不限客户一度电”。其优势在于可以进行复杂故障的检修，而且作业安全性较高；劣势在于作业前期准备工作较多，耗费人力物力较多。

（4）绝缘斗臂车机器人作业法，是指采用绝缘斗臂车搭载着智能机器人进行高空带电作业的方法，其具有升空便利、机动性强、机械强度高、电气绝缘性能好、作业安全性高等优势。其劣势在于受地形限制较为严重，必须是斗臂车能够到达的区域方可进行作业，而且对于作业人员操控设备的技巧要求较高。

以上四种作业方法优劣势各异，其中尤其以绝缘操作杆作业法应用最为广泛，接下来我们将着重分析论述操作杆作业法所使用的工器具升级改造方案。

2 产品现状

通过调研得知，目前广泛使用的带电作业工器具，由于结构及制造工艺落后，存在着重量过重、运输不便、功能单一、操控性及耐久性差等一系列问题，已经无法完全满足使用要求，所以急需研制一系列轻量化的带电作业工器具，来有效改善配网带电作业环境。我们从带电作业工器具所存在的关键问题切入，引入轻质高强的碳纤维复合材料，对带电作业工器具进行全面的升级改造，引领国内外带电作业工器具的新一轮革新。

3 碳纤维复合材料应用

碳纤维复合材料具有重量轻（密度一般是1.6-2.1g/cm3，比许多金属材料要轻，铝的密度约为2.7g/cm3，铁的密度约为7.8g/cm3）、强度高（抗拉强度一般在3500MPa 以上，是钢的7-9倍）、抗紫外、耐磨、耐冲击、耐腐蚀等特点，是一种可完美替代金属的高性能复合材料。

3.1 碳纤维工器具研制（典型案例）

3.1.1 导线剥皮工具的改造

导线剥皮器是配网带电作业中使用最频繁的一种复杂带电作业工器具，其重量约为7kg，进口产品最轻的也在5kg 以上。我们通过剖析该产品结构，发现产品重量占比较高的部件是主承力壳体和传动齿轮，其分别采用铸铁和碳钢材质制作，所以我们使用碳纤维材料对其进行轻量化改造。

（1）剥皮器主承力壳体轻量化：主承力壳体（图1）是剥皮器核心框架，在进行剥线作业时所产生的力全部作用在该结构上，使用碳纤维复合材料对该结构进行设计重造，在保证结构使用强度的条件下，降低重量75%以上，而且重造后的碳纤维主承力壳体（图2）还兼有外防护功能，既耐磨又抗冲击。

图1 铸铁主承力壳体

图2 碳纤维主承力壳体

（2）锥齿轮传动机构轻量化：锥齿轮传动机构（图3）使用锥齿轮做力的主要传动装置，我们使用C-C 复合材料对锥齿轮进行加工重造，所制成的C-C 复合材料齿轮（图4）在满足机械强度的同时达到了减重、耐磨的要求，整体重量相比传统的碳钢齿轮降低60%以上。

图3 碳钢锥齿轮传动机构

图4 C-C 复合材料齿轮

3.1.2 碳纤维遮蔽罩工具改造

将原有的玻璃钢与铝合金相结合的遮蔽罩安装工具（图5），改造为碳纤维一体化工器具，使用碳纤维内负压发泡模压成型工艺一体成型，发泡材料密度仅为0.5g/cm3，成品碳纤维遮蔽罩安装工具（图6）相比传统的安装工具重量降低60%以上。

图5 玻璃钢遮蔽罩安装工具

图6 碳纤维遮蔽罩安装工具

3.2 碳纤维快速连接件研制

研制一种操作杆碳纤维连接件（图7），代替传统的金属螺纹连接件（图8），不但重量轻（降低50%以上）、强度高，而且连接快速、质量可靠。

图7 碳纤维连接件

图8 金属螺纹连接件

3.3 碳纤维通用梅花头研制

研制一种碳纤维通用梅花连接头（图9），实现一杆多用，大幅提升绝缘操作杆利用率，工器具采购成本降低40%以上。

图9

4 结论

以上所论述的轻量化工器具仅仅是众多带电作业工器具的冰山一角，未来我们还将持续对碳纤维复合材料在配网带电作业方面的应用进行深入的探索与研究，争取全面实现带电作业工器具的全复合化，不但可以有效减重，改善工器具在带电作业时的操作灵活性，降低作业人员劳动强度，提高工作效率；而且还能实现工器具的全绝缘化，进一步提高作业人员的安全性，其研究应用意义重大，在10kV 配网带电作业中能够发挥巨大的作用。