试析复合绝缘横担技术在500kV架空输电线路上的应用

国网扬州供电公司 刘骁扬 刘远伟

1 复合绝缘横担技术的主要特点

降低风偏闪络事故的风险。在超高压架空输电线路的运行过程中，在结构布局设计等相关因素的制约下，外界环境对输电线路路运行的影响较为明显。风偏闪络事故主要指由强风引发的线路震荡造成的一种输电线路故障。此故障不仅会引发断线，同时还可能导致短路。而与此同时受到复合绝缘横担物理性能特征的影响，使架空线路杆塔可采取长度较短的连接联板与导线，有效强化杆塔结构对强风与线路震荡的适应能力，减少风偏闪络事故的发生，确保500kV 超高压架空输电线路的安全运行[1]。

实现对走廊宽度的有效控制。相较于传统的横担设计，采用复合绝缘横担技术对架空线路杆塔进行建设，能够实现对线路走廊宽度的有效控制，减少超高压线路运行过程中对走廊空间的依赖，减少超高压线路建设过程当中对周边环境的影响，强化超高压输电线路建设运行过程中的社会效益与环境效益。

节约输电杆塔的建设成本。在超高压输电线路的建设和使用过程中，其建设成本已成为项目投资支出中的重要组成部分。而基于复合绝缘横担技术进行现场施工，能够实现对输电线路杆塔高度的有效控制，降低杆塔建设时对钢材混凝土的依赖，显著节约输电杆塔的建设成本，提升了输电杆塔环境适应能力。自然环境当中的温度变化、降水等因素都会导致杆塔结构受到腐蚀，影响其正常运行。复合绝缘横担技术能显著加强杆塔结构对恶劣环境的适应能力，更好地满足500kV 超高压输电线路建设目标及建设要求。

2 复合绝缘横担技术在500kV 架空输电线当中的应用

2.1 复合横担结构设计

2.1.1 材料选用

一是纤维材料，作为直接影响杆塔横担结构强度的关键所在，合理选择复合纤维材料对提升横担结构的绝缘性能、强度与协调性有重要作用。在电气工程建设过程中，常用的纤维材料类别主要包括玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维、硼纤维等。其中，E-玻纤在性能表现、使用成本、维护便捷性等层面达成了相对的平衡，在实践使用过程中能够达成较好的效果。

二是树脂基体材料，作为复合材料结构内部的重要组成部分，树脂基体起着重要的载荷传递与保护作用。在电气工业生产实践过程中，常用的树脂基体材料主要包括环氧树脂、乙烯基树脂，以及酚醛树脂等。在上述几种树脂材料中，环氧树脂的性能参数较为突出，其拉伸强度能够达到98～210MPa，延伸率能够达到4%，剪切强度可达60～70MPa，压缩强度可达210～60MPa，弯曲强度可达140～210MPa。此外，从树脂基体材料的使用成本来看，环氧树脂略高于酚醛树脂与乙烯基树脂，但幅度不明显，综合考量材料性能与使用支出，可采用环氧树脂作为复合横担的树脂基体[2]。

三是伞裙材料，在复合绝缘横担伞裙生产制作和使用过程当中，需要该类材料具备较好的防水性能与耐腐蚀性能，现阶段常用的复合绝缘伞裙材料主要为硅橡胶，其最低污闪电压为140kV，抗腐蚀周期能够达到1000h，因此可应用于500kV 超高压架空输电线路的杆塔横担中。

2.1.2 截面形式

在复合绝缘横担的设计过程中，除了材料的选择外，其截面形式的相关参数指标同样与其承载能力息息相关，因此在方案设计，相关技术团队应当综合考量500kV 超高压架空线路的运行特性及其稳定性需求，从而更好地确定复合绝缘横担的结构特点。其中，钢材料/复合材料的不同构件长细比阈值如下：受压主材150/80、受压材200/100、辅助材250/150、受拉材400/300。一般常见的横担截面形式主要有L形、方形和圆形三种类别，其中圆形截面的力学性能最佳，加工最为便捷，在施工安装与连接工作的开展过程当中同样也表现出了一定的优势，因此可选用圆形截面作为复合绝缘横担的主要截面形式。

要切实参考项目实际建设要求以及线路使用标准要求，完成对复合横担用柱式绝缘子截面规格的设计。以笔者参建的某500kV 超高压架空线路复合绝缘横担窄基塔施工项目为例，该塔位于A 村，地处平原，海拔约98m；塔基础根开2913mm×2918mm，呼高约36m。项目所使用的复合横担用柱式绝缘子部分技术参数设定如下：上横担总长4921mm，绝缘距离3545mm，公称爬距16092mm，轴向弯曲强度不超过800MPa，使用环境温度在-40℃至80℃的范围内。中横担总长6900mm，绝缘距离5564mm，公称爬距24157mm，轴向弯曲强度不超过800MPa，使用环境温度在-40℃至80℃的范围内。下横担总长5045mm，绝缘距离3599mm，公称爬距16146mm，轴向弯曲强度不超过800MPa，使用环境温度在-40℃至80℃的范围内。

相较来说，该复合横担用柱式绝缘子的中横担总长更长，超出上横担与下横担总长均约2000mm。这样的尺寸设计原因在于，本项目所搭建的基复合横担塔属于双回路同塔并架塔，为确保上中下这三相线路可以实现有序排列，并能够切实满足在距离方面的要求，在设计阶段重点针对中横担总长实施了加长处理。此时中横担的绝缘距离也随之增大。在安装阶段，中横担所使用的金具与上横担、下横担所使用的金具不尽相同，但是均能够满足本项目建设及线路运行标准要求。

2.1.3 结构分析

常见的复合材料横担结构形态主要包括单横担结构、单横担+单拉杆结构、双横担V 形结构、三横担组合结构、两横担+两拉杆组合结构，以及单横担+三拉杆组合结构等几种不同类别。在500kV超高压架空线路杆塔设计与施工过程中，主要选用两横担+两拉杆组合结构或单横担+三拉杆组合结构。为保障最终结构的稳定可靠，现针对两种绝缘横担的结构参数与表现情况进行对比与分析。其中，将横担塔水平载荷设定为0N，垂直载荷设定为20522N，纵向线载荷设定为19274N，不同结构下受力参数如下。

在两横担+两拉杆组合结构当中，压杆直径设定为70mm，拉杆直径设定为30mm，整体重量为37kg，通过模型导入及参数指标带入进行仿真模拟过后可得出结果，横担变形幅度为5.39mm，结构最大应力为38.3MPa。在单横担+三拉杆组合结构当中，压杆直径与拉杆直径取相同值，整体重量为23.5kg，结构变形幅度为12.5mm，最大应力为64.8MPa。

由此可见，在对超高压杆塔复合绝缘横担进行设计、安装和施工的过程中，可选用两横担+两拉杆组合结构作为其主要结构形态，一方面能够使横担在结构受力变形的情况得到有效控制，另一方面还能有效提升方案设计与规划效率，使横担符合设计要求。

2.2 复合横担电气设计

2.2.1 塔头设计

第一，在对复合绝缘横担方案进行设计之前，需要明确导线之间的距离。《110～500kV 架空送电线路设计技术规程》规定，杆塔地线间距离应小于等于地线与导线垂直距离的5倍，而地线与导线间距计算公式为：

S ≥0.012L+1

其中，S 为导线与地线之间的距离（m），L 为档距（m）。

第二，需要针对塔头尺寸进行合理设计，相关技术人员应当考虑到复合横担结构两侧金属压接构件对尺寸设计产生的相关影响，在500kV 超高压输电线路杆塔横担塔头进行设计的过程中，可将上横担长度设为1300mm，中横担长度设为1800m，下横担长度设为1300mm，与此同时，针对横担之间产生的偏移量情况进行监测，确保最终结果与塔头设计规定相吻合；最后，需要分别针对防雷保护角度及间隙圆进行设计，其中，500kV 杆塔复合绝缘横担防雷保护角可设为10°～15°，间隙圆带电距离设定为1200mm。

2.2.2 绝缘配合

在超高压架空线路杆塔复合横担的设计与建设过程中，为满足其电气绝缘要求，强化输电系统运行性能，需要针对现场的绝缘配合情况进行计算。

第一，需要针对绝缘爬距进行计算，具体公式为：

mL0≥λUⅢ/Ke

其中，m 为超高压输电杆塔当中单位绝缘子片数数值，λ 为杆塔不同工况条件下的爬电数值，Um为系统内部电压状况，K0为绝缘子爬电距离系数，L0为实际测出的单位绝缘子爬电距离参数。基于上述公式计算后得出，500kV 超高压架空输电线杆塔横担绝缘爬距为207.9cm。

第二，需针对按操作过电压阈值进行计算，具体公式为：

US≥K1Ue

其中，Ue为相对地统计操作过电压，K1为绝缘子串操作过电压统计配合系数，取值1.17。计算后，按操作过电压阈值为118.4kV；然后对按雷电过电压阈值进行计算，相关技术人员需要综合考量横担材料绝缘水平通过现场测试对相关阈值进行测算。

实践中，要求及时展开电气试验，以此检验绝缘性能是否满足现实需要。以前文所述的项目为例。该项目中使用了由两个斜向上的V 形绝缘子串构成拉杆绝缘子，所设定的主要技术参数为：上横担总长为4803mm，最小爬距为16010mm，工作荷载为150kN，破坏荷载不超过420kN。中横担总长为6991mm，最小爬距为16010mm，工作荷载为150kN，破坏荷载不超过420kN。下横担总长为5272mm，最小爬距为16010mm，工作荷载为150kN，破坏荷载不超过420kN。展开电气试验后，得到的绝缘横担的湿操作冲击耐受电压为+1150V；工频1min 湿耐受电压为740V；干雷电冲击耐受电压为+1950V，满足线路实际使用需要。

2.2.3 绕击率计算

绕击率是评估并分析超高压架空线路对雷电现象抵御能力的重要指标参数。相关人员可结合线路杆塔分布位置对绕击率进行计算，其中平原环境下的线路与山区环境当中的线路绕击率存在一定的差异，因此在计算过程当中，还应当考虑到地线保护角的大小，确保最终结果准确可靠。

2.3 复合横担安装与施工

在复合横担技术的应用过程中，除了整体方案的设计规划工作外，现场安装与施工同样具有至关重要的作用。第一，施工团队应当做好复合绝缘横担的安装准备工作，明确地面安装位置，并合理放置导向滑车，使伞裙结构得到充分有效地保护；第二，分别通过螺栓将挂线板、铁塔、绝缘子、长度调节金具等相关构件进行连接，同时对调节金具进行限位，使其使用寿命得到充分延长，性能得到有效发挥；第三，为了尽可能保障施工安装现场的安全，避免在安装过程当中出现风险问题，技术人员及现场安装施工人员应当尽可能采取坐姿进行安装作业，减少安装过程当中横担受损的情况发生。

3 复合绝缘横担塔运维工作注意事项

明确复合横担塔运维与检测标准。为进一步保障复合绝缘横担塔运行使用性能达到预期要求，相关单位及管理团队应当结合其运行特性与设计特性明确复合横担塔运维与检测标准，并且在针对超高压杆塔复合绝缘横担进行运维检测的同时，还应当针对各时段周期的横担状态进行记录，并进行综合比对，明确复合绝缘横担的性能变化综合状态，有效提升运维检测针对性。

及时组织力量进行运行状态巡视。为了更加及时直观地掌握500kV 超高压杆塔复合绝缘横担的运行状态，有效规避其运行和使用过程当中面临的问题和风险，有关管理部门应当及时组织力量进行状态巡视工作。第一，应当明确杆塔横担巡视周期，一般可定为一个月，其中夏冬两季可适当对周期进行缩短；第二，应合理选定杆塔横担巡视策略及巡视方法，一般来说，管理部门可采取无人机巡视与地面巡查相结合的手段，当发现异常时，要登塔做进一步查验；第三，在特殊时段或极端气候来临时，还应当强化巡视密度，提升巡查效果。