架空絕緣導(dǎo)線固定線夾的研制及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

鄭凌娟，張明龍，周 瑞，王 健，李衍川，錢 健，方伊莉，范武健，金 偉

（1 國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院，福建福州350007；2 南京電力金具設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇南京211500；3 南京國電電力金具質(zhì)量檢驗(yàn)測試中心有限公司，江蘇南京211500)

1 研制背景

福建地處東南沿海，因而鹽霧危害較為嚴(yán)重，尤其是福清、南安和東山等地區(qū)，鹽霧腐蝕嚴(yán)重危害了輸電線路的安全運(yùn)行，縮短了輸電線路的使用壽命，增加了線路維護(hù)的工作量。隨著架空絕緣導(dǎo)線的廣泛使用，傳統(tǒng)采用BV 綁扎線固定絕緣導(dǎo)線的方式出現(xiàn)了越來越多的問題，特別是在沿海區(qū)域，受長時(shí)間的鹽霧腐蝕和風(fēng)振應(yīng)力腐蝕，綁扎部位甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的斷線事故，這給配網(wǎng)線路的運(yùn)維工作帶來了巨大挑戰(zhàn)，嚴(yán)重影響配網(wǎng)線路運(yùn)行的可靠性［1-3］。

如圖1 所示，絕緣導(dǎo)線綁扎部位絕緣層燒蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)線內(nèi)部已嚴(yán)重腐蝕，表面出現(xiàn)粉狀的氧化物，且鋁股之間充滿結(jié)晶物，鹽霧的長期侵蝕導(dǎo)致破損的鋁線機(jī)械強(qiáng)度降低，嚴(yán)重的將會(huì)出現(xiàn)斷線事故，嚴(yán)重威脅了輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過觀察發(fā)現(xiàn)，輸電線路的斷線現(xiàn)象都是由導(dǎo)線絕緣層破損引發(fā)的，而如何避免絕緣層的破損，成為解決斷線事故發(fā)生的關(guān)鍵［4-5］。而進(jìn)一步研究表明，架空絕緣導(dǎo)線絕緣層的破損主要有以下幾個(gè)誘因：(1)沿海地區(qū)鹽霧濃度大，綁扎部位污染物集聚，在放電作用下容易發(fā)生灼燒現(xiàn)象；(2) 傳統(tǒng)綁扎線內(nèi)含有銅芯，由于感應(yīng)電流產(chǎn)生的熱量也會(huì)造成絕緣層的損傷；(3) 沿海地區(qū)的風(fēng)振，造成導(dǎo)線絕緣層表面出現(xiàn)損傷，表面電場不均勻引發(fā)局部放電的發(fā)生［6-8］。

圖1 絕緣導(dǎo)線破損圖Fig. 1 Damaged photos of insulation wire

因此，為了降低鹽霧對(duì)沿海輸電線路的危害，提高架空線路的安全系數(shù)，避免由于綁扎線造成的絕緣線斷線事故，新型架空絕緣導(dǎo)線固定線夾的研制具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

2 方案設(shè)計(jì)

基于以上問題，新型固定線夾改變了傳統(tǒng)的綁扎方式，提出了一種具有高強(qiáng)度、耐腐蝕和兼具柔韌性特點(diǎn)的整體式固定線夾，不僅安裝過程簡單、結(jié)構(gòu)可靠，而且能很好地保護(hù)導(dǎo)線絕緣層，提高絕緣導(dǎo)線的使用壽命。

2.1 結(jié)構(gòu)與功能

架空絕緣導(dǎo)線固定線夾結(jié)構(gòu)組成如圖2 所示，主要由整體式固定線夾本體和緊固件組成，而整體式固定線夾本體又由絕緣導(dǎo)線線夾和絕緣子線夾組成，通過線夾本體上緊固件的收緊，實(shí)現(xiàn)絕緣導(dǎo)線與支柱瓷絕緣子的可靠連接。考慮到該型線夾應(yīng)用于沿海高鹽霧、多季風(fēng)區(qū)域，線夾本體采用高強(qiáng)度、耐候性能好的高分子復(fù)合材料，緊固件也采用防腐型不銹鋼材料，以此來提高固定線夾的整體使用壽命［9］。

圖2 固定線夾三維圖Fig. 2 Three-dimensional model of wire clip

此外，絕緣子線夾的圓形抱箍與支柱瓷絕緣子的頸部能實(shí)現(xiàn)緊密配合，且在夾頭部位設(shè)置凸臺(tái)，在緊固件收緊的時(shí)候，能實(shí)現(xiàn)更好的夾緊效果，達(dá)到即使在強(qiáng)風(fēng)作用下線夾本體也不會(huì)從支柱瓷絕緣子上脫落的目的。而通過導(dǎo)線線夾緊固件的收緊能達(dá)到線夾本體對(duì)絕緣導(dǎo)線的足夠握力，且導(dǎo)線線夾兩端設(shè)置大圓角，減少固定線夾對(duì)導(dǎo)線的損傷［10］。

2.2 實(shí)施效果

架空絕緣導(dǎo)線固定線夾安裝效果如圖3 所示。當(dāng)安裝新的線路時(shí)，只需按照?qǐng)D3 位置掰開導(dǎo)線線夾和絕緣子線夾，再按照規(guī)定的扭力矩值安裝緊固件；當(dāng)改造舊線路時(shí)，遇到綁扎部位破損的，需先用絕緣膠帶先把原有破損的導(dǎo)線絕緣層包裹好，再安裝固定線夾。

圖3 固定線夾安裝效果圖Fig. 3 Installation effect of wire clip

新型固定線夾相比于傳統(tǒng)的BV 綁扎線固定方式，具有以下優(yōu)勢：(1) 現(xiàn)場安裝方便。采用高強(qiáng)度復(fù)合柔性材料注塑而成的整體式固定線夾，在滿足可靠性的前提下，不僅制造成本較低，而且安裝方便，大大降低了安裝人員的工作強(qiáng)度；(2) 提高絕緣導(dǎo)線使用壽命。柔性材料的運(yùn)用，避免了傳統(tǒng)BV 綁扎線因?qū)Ь€舞動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力集中和局部放電，進(jìn)而導(dǎo)致絕緣層破損和斷線事故，提高了絕緣導(dǎo)線的使用壽命；(3) 提高柱式瓷絕緣子使用壽命。采用傳統(tǒng)BV 綁扎線固定絕緣導(dǎo)線時(shí)，由于BV線內(nèi)含有銅芯，縮短了絕緣子的爬電距離，增大絕緣子表面出現(xiàn)閃絡(luò)和遭遇雷擊的概率，這從側(cè)面也起到了保護(hù)支柱瓷絕緣子的目的；(4) 夾頭具有一定的通用性。考慮到不同廠家的絕緣導(dǎo)線和針式瓷絕緣子尺寸存在偏差，而且有些絕緣層破損的導(dǎo)線在安裝前需要纏繞絕緣膠帶，因而整體式固定線夾采用大開檔結(jié)構(gòu)，在保證夾緊力的同時(shí)，也能很好地適應(yīng)一定的尺寸偏差范圍。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 材料性能

根據(jù)實(shí)地調(diào)研和分析表明，架空絕緣導(dǎo)線固定線夾的材料除了具有足夠抗拉強(qiáng)度外，還得具有耐鹽霧腐蝕性、耐熱空氣老化性、抗紫外線、絕緣性和一定柔韌性等。

根據(jù)材料性能要求，優(yōu)選了表1 所示的改性TPU 和改性尼龍材料，進(jìn)行相關(guān)對(duì)比分析。

表1 材料主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of materials

3.2 握力試驗(yàn)

架空絕緣導(dǎo)線固定線夾的作用，除了把絕緣導(dǎo)線固定在支柱瓷絕緣子上，防止絕緣導(dǎo)線的脫落。此外，還應(yīng)該具有一定的握力，防止絕緣導(dǎo)線發(fā)生軸線方向上的串動(dòng)。

架空絕緣導(dǎo)線固定線夾的通流握力試驗(yàn)如圖4 所示，考慮到絕緣導(dǎo)線的實(shí)際運(yùn)行溫度在80℃～90℃之間，因而在測量固定線夾握力值時(shí)對(duì)絕緣導(dǎo)線進(jìn)行了通流，待絕緣導(dǎo)線溫度穩(wěn)定后，又進(jìn)行了一段時(shí)間的通流飽和，穩(wěn)定后用臥式拉力機(jī)測量握力值，具體測試條件和測試結(jié)果見表2 和表3。

表2 握力測試條件及測量值Table 2 Grip strength test conditions and measurements

表3 握力測試結(jié)果Table 3 Grip strength test results

圖4 固定線夾握力試驗(yàn)圖Fig. 4 Grip strength test photos of wire clip

3.3 抗拉試驗(yàn)

福建沿海地區(qū)屬南亞熱帶氣候，每年7～9 月份為臺(tái)風(fēng)季，因此線夾強(qiáng)度對(duì)于絕緣導(dǎo)線的固定起到至關(guān)重要的作用。

架空絕緣導(dǎo)線固定線夾的通流強(qiáng)度試驗(yàn)如圖5所示，考慮到福建沿海7～9 月份，地面溫度可能達(dá)到60℃。因此，在考慮絕緣導(dǎo)線通流的前提下，再用熱烘機(jī)對(duì)線夾表面進(jìn)行持續(xù)加熱，使線夾整體溫度也能達(dá)到60℃，盡可能模擬出固定線夾所處真實(shí)環(huán)境，具體測試條件和測試結(jié)果見表2 和表4。

圖5 固定線夾強(qiáng)度試驗(yàn)圖Fig. 5 Damage strength test photos of wire clip

表4 強(qiáng)度測試結(jié)果Table 4 Damage strength test results

3.4 安全系數(shù)

根據(jù)DL/T 5220-2005《10kV 及以下架空配電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)向與線路垂直情況下，導(dǎo)線風(fēng)載荷的標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式為：

其中：αaμ為風(fēng)載荷檔距系數(shù)，風(fēng)速達(dá)到35m/s 及以上時(shí)，αaμ=0.7；με為 風(fēng)荷載體系數(shù)，當(dāng)d≥17mm，με取1.1；d為導(dǎo)線覆冰后的計(jì)算外徑；Lw為水平檔距，m；WO為基準(zhǔn)風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2。

該標(biāo)準(zhǔn)中又規(guī)定，10kV 及以下架空配電線路中，絕緣子及金具的機(jī)械強(qiáng)度安全系數(shù)為2.5，以上材料的安全系數(shù)經(jīng)計(jì)算見表5。

表5 機(jī)械強(qiáng)度安全系數(shù)Table. 5 Safety coefficient of mechanical strength

3.5 對(duì)比分析

根據(jù)以上材料的握力、強(qiáng)度對(duì)比分析可知，TPU-A、TPU-B 和改性尼龍-A 符合標(biāo)準(zhǔn)要求。考慮到線夾材質(zhì)軟硬度對(duì)現(xiàn)場安裝便利性的影響，以及材質(zhì)抗老化性等綜合性能對(duì)比，最終選定改性TPU-B 作為架空絕緣導(dǎo)線固定線夾的優(yōu)選材料。

3.6 熱老化試驗(yàn)

由于固定線夾安裝在戶外，常年遭受陽光直射，這就對(duì)復(fù)合材料的材質(zhì)性能提出了較高的要求。因此，需要對(duì)線夾材質(zhì)的耐熱性提出一定的要求。

參照DL/T 765.3-2004《額定電壓10kV 及以下架空絕緣導(dǎo)線金具》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)線夾材料進(jìn)行熱老化試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 熱老化試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Heat aging test results

從試驗(yàn)結(jié)果可知，該種材料熱老化前的抗張強(qiáng)度不低于10MPa，斷裂伸長率不低于300%，在100℃空氣箱中老化168h 后的斷裂伸長率也不小于300%。因此，該材料滿足熱老化試驗(yàn)要求。

3.7 鹽霧條件下的耐壓試驗(yàn)

該線夾應(yīng)用于沿海高鹽霧地區(qū)，線夾表面往往會(huì)附著一層鹽分，在陰雨天的情況下，線夾表面的鹽霧融化成濃鹽水，這種情況是否會(huì)降低瓷絕緣子的爬電間隙，進(jìn)而造成閃絡(luò)現(xiàn)象的發(fā)生。因此，有必要對(duì)線夾進(jìn)行鹽霧附著條件下的耐壓試驗(yàn)，避免閃絡(luò)發(fā)生。

固定線夾在表面附著鹽霧條件下的耐壓試驗(yàn)如圖6所示，當(dāng)交流電達(dá)到42kV，并飽和1min 后，瓷絕緣子表面并未出現(xiàn)閃絡(luò)或擊穿現(xiàn)象。因而可以得出，固定線夾在附著鹽霧的情況下并未降低瓷絕緣子的電氣爬距。

圖6 固定線夾耐壓試驗(yàn)圖Fig. 6 Overvolatage withstand test photos of wire clip

3.8 實(shí)際掛線運(yùn)行

為了檢驗(yàn)固定線夾的實(shí)際掛線運(yùn)行效果，同時(shí)驗(yàn)證線夾設(shè)計(jì)思路的合理性，現(xiàn)將固定線夾實(shí)際并網(wǎng)運(yùn)行（圖7）。到目前為止，固定線夾已經(jīng)過一次污閃高發(fā)期，從使用效果看，各項(xiàng)運(yùn)行狀況良好，滿足現(xiàn)場的使用要求，后期還會(huì)持續(xù)跟蹤固定線夾的運(yùn)行狀況。

圖7 線夾掛線運(yùn)行圖Fig. 7 Line installation photos of wire clip

4 結(jié)論

(1) 沿海配網(wǎng)線路中，傳統(tǒng)BV 綁扎線固定絕緣導(dǎo)線的方式，已經(jīng)很難滿足需求。因?yàn)檫@種固定方式不僅損傷絕緣導(dǎo)線的絕緣層，嚴(yán)重的導(dǎo)致斷線事故，而且綁扎過程過于繁瑣，無形中增加了運(yùn)維工作量。

(2) 采用整體式絕緣導(dǎo)線固定線夾，不僅現(xiàn)場安裝方便，大大提高了工作效率，而且能更好地保護(hù)絕緣導(dǎo)線和保障支柱瓷絕緣子的安全爬距，避免了因傳統(tǒng)綁扎線的風(fēng)振應(yīng)力和鹽霧腐蝕造成導(dǎo)線絕緣層的破損和斷線。

(3) 固定線夾本體采用高強(qiáng)度復(fù)合柔性材料，不僅能滿足線夾的現(xiàn)場安裝需求，而且也能抵御強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和戶外高溫對(duì)于線夾施加的作用力，提高線夾的使用可靠性。