架空线路柱式绝缘子绑扎金具研制分析

云南电网有限责任公司大理供电局 陈 余 陈 晨 殷咸生 杨本学 郭俊辉 谢玉强 王友明 孙 敏

绝缘子是电力系统的重要组成部分，其直接影响着电力能源在线路中的传输效果，保证其安全性及可靠性是保证电力企业经济效益的基础。柱式绝缘子绑扎采用铝线顶槽“十字绑扎法”，绑扎法对施工工艺要求很高，且要保证绑扎线不受额外的机械力。随着用电负载的增加，中压线路设计的导线线径越来越粗，导线自身会随风发生振动，加之扎线在运行过程中受地势起伏引起的上下拉力，大档距引起的前后拉力等，绝缘子在大风、覆冰等气候易引起扎线飞脱故障。

柱式绝缘子的绑扎金具直接决定柱式绝缘子能够充分发挥其功能与价值，就目前情况而言，我国柱式绝缘子绑扎金具的主要原料为A3钢、铸铁，但该种材料生产的金具自重较大，并不适用于现代柱式绝缘子的绑扎。

1 柱式绝缘子概述

1.1 绝缘子的重要作用

通常情况下，绝缘子是一种用来支持或悬吊导线、并在杆塔与导线间形成电器绝缘的组件，工作环境为室外，故而其工作环境较为复杂，易到雨水侵蚀，故而要求其具备较强的防腐能力。同时受大风引起导线共振、摆动和外力作用使绝缘子绑扎线松动，故而对绝缘子的机械强度及绑扎工艺要求较为严格。此外，绝缘子受温度环境的影响会导致其工作性能发生改变，若温度骤然降低或升高时，绝缘子无法适应工作温度则会导致其承受工作电压及过电压的能力有所降低，甚至会造成绝缘子损坏，因此在进行绝缘子选择时，也需考虑绝缘子的温度适应能力。此外，绝缘强度与机械强度同样也是决定绝缘子工作性能的重要参数，电力企业在进行绝缘子选择时，也需根据电力系统的实际需求选择合适机械强度与绝缘强度的绝缘子，进而才能保证绝缘子能充分发挥其功能与价值[1]。

1.2 柱式绝缘子概述

柱式绝缘子是现阶段我国电力领域架空线路常用的绝缘子形式，相比于普通绝缘子绝缘性能更佳、机械强度更高，故而被广泛的应用于电力领域当中。传统的柱式绝缘子为普通陶瓷绝缘子，由瓷件和铸钢组成，为满足绝缘子在使用过程中电力系统对绝缘子的绝缘性能需求，通常情况下均会在普通绝缘子的瓷件上面涂抹一层釉。同时普通柱式绝缘子的瓷件与铸钢的连接方式为利用水泥胶混合在一起，由于绝缘子长时间的在户外环境工作，很容易存在雨水渗入的问题，而一旦雨水渗入则会直接导致绝缘子丧失绝缘功能，因此为提升普通柱式绝缘子的防潮性能通常都会在胶合处涂抹一层防潮剂，以避免雨水的渗入影响绝缘功能。但由于传统绝缘子在实际使用过程中还存在诸多问题，其中最为严重的是普通柱式绝缘子的裂纹问题，一旦发生则很容易导致柱式绝缘子失去其绝缘功能，尤其是在天气骤然变化时，绝缘子故障的概率更高，故而需要对柱式绝缘子进行优化[2]。

现阶段常用的柱式绝缘子为柱式复合绝缘子，该绝缘子是由环氧玻璃纤维棒制成芯棒并以硅橡胶为基本绝缘体，绝缘性能优于普通柱式绝缘子。同时还原玻璃纤维材质制成的芯棒强度高，不易产生裂纹，不会产生泄漏电流热效应，且发生雷击之后柱式复合绝缘子表面会存在明显的灼烧痕迹，这就能够促使相关工作人员及时发现柱式复合绝缘子遭受过雷击、并及时进行更换，保证柱式绝缘子的使用功能。

2 进行柱式绝缘子绑扎金具研制的重要意义

据统计2020年某省因扎线飞脱引起10kV中压故障停电468起。扎线飞脱还会造成裸导线相间短路、裸导线对横担放电导致断线，甚至因对地距离不足存在巨大的安全隐患。目前我国柱式绝缘子绑扎金具的原材料主要包括两种，一种是以铸铁为主的磁铁材料，另一种是以A3钢为主的合金原材料。

但经过调查研究显示，铸铁为主的磁铁材料生产出的绑扎金具在实际使用过程中会影响柱式绝缘子的正常工作，磁铁原材料会产生涡流，这就导致柱式绝缘子在实际工作过程中很容易受涡流的影响导致其绝缘性能降低，且伴随着涡流损伤，致使架空线路中的电力能源流失，这不仅会影响电力系统正常、稳定的运转，同时也会导致企业面临着经济损失，对企业的经济效益是十分不利的；以A3钢为主的合金原材料自重较大，因此当柱式绝缘子对金具规格要求较大时，则不宜使用A3钢为主的合金原材料的金具，故而并不满足现代电力企业的发展需求。

因此，我国电力领域需要开展对柱式绝缘子绑扎金具的研制，寻找合适的制作原材料，在保证金具质量及使用性能的同时，提升金具的节能性能与环保性能，从而才能在保证电力系统正常稳定运行的同时，帮助企业实现经济效益与社会效益的协同发展。由此可见，开展柱式绝缘子绑扎工具的研制是现代电力企业发展的需求，同时也是保证电力系统运行安全性与可靠性的基本有求，开展对柱式绑扎金具的研究对于帮助我国电力企业实现可持续发展的战略具有十分重要的现实意义。

3 高强度金具的研制

3.1 金具采用新型材料的可行性分析

A3钢为主的合金原材料具备生产成本低、含碳量低、延展性高的优势，故而在以往的柱式绝缘子绑扎电力金具的制备中被广泛使用，但就目前情况而言，随着我国科学技术的发展，工业领域也得到了快速的发展，现阶段我国生产碳素钢的技术相对成熟，故为解决A3钢金具的问题，相关领域的研究学者利用碳素钢制作绑扎金具，并取得较好的研究成果。相比于A3钢碳素钢抗拉强度、屈服强度更好，具备良好的机械性能，且据笔者调查研究，碳素钢的抗拉强度依旧有可开发空间，故而将碳素钢应用于柱式绝缘子绑扎金具的制备中，能实现降低自重目的。同时以碳素钢为原材料生产的绑扎金具具备外观小巧、安全可靠的优势，故而非常适用于柱式绝缘子绑扎金具的制作。

3.2 绑扎金具的设计与试验

为更好地分析碳素钢在绑扎金具的制备工艺，本文开展了对绑扎金具的设计试验，试验选取14个以碳素钢为主要原材料制作的试验绑扎金具样品，分为7组、每组2个，分别对7组绑扎金具不同环境下的抗拉性能试验。第一组绑扎金具为热成型原始状态，第二组作退火处理，第三组作正火风冷却处理，第四组作正火空气冷却处理，第五组作淬火低温回火处理，第六组作淬火中温回火处理，第七组作淬火高温回火处理。

根据上述要求，分别对7组绑扎金具进行加工处理并分析绑扎金具的抗拉强度，从而确定以碳素钢为主要原材料的绑扎金具的最佳制备工艺。经试验表明，经过淬火加回火处理的绑扎金具相比于退火、正火加冷却和原始状态绑扎金具的抗拉性能高，普遍在650N/mm2以上，其中抗拉强度最高的为经过淬火中温回火处理的绑扎金具，抗拉强度高达850N/mm2，故而在实际制作柱式绝缘材料绑扎金具时，可选择淬火加回火处理的制备工艺，并根据柱式绝缘子对绑扎金具抗拉强度的实际需求，合理的利用低温、中温或高温进行回火，从而避免了资源浪费的问题。

将上述制备的7组绑扎金具分别进行荷载试验，根据绑扎金具的实际荷载极限，分别向7组绑扎金具添加40%、70%、100%的荷载压力，经试验表明，当荷载力为40%时7组绑扎金具均未发生形变和裂纹；当荷载力增加到70%时7组绑扎金具也未产生形变和裂纹；当荷载力增加到100%时，起初1～4组绑扎金具产生形变但未见裂纹；试验达到5min时，5～7组绑扎金具产生形变，7组绑扎金具均未见裂纹，此时最小形变量为第7组绑扎金具、形变量为2mm，最大形变量为第1组绑扎金具、形变量为4.3mm，对第7组绑扎金具继续增加荷载力、直至绑扎金具断裂。

经试验证明，以碳素钢为主要原材料制备的绑扎金具荷载性能良好，虽在最大荷载力时产生了形变但并未发生裂纹，且形变量最低的第1组绑扎金具在承受419荷载前并未发生形变，第7组绑扎金具断裂时承受的荷载力为516，故能够满足柱式绝缘子对绑扎金具使用性能的需求。

4 高效节能系列金具的研制

现阶段应用于柱式绝缘子绑扎金具制备的高效节能型原材料为PA-G-F-200型改性增强型尼龙材料。为满足现代电力领域的发展需求，柱式绝缘子绑扎金具也需要具备节能减排、低碳环保的功能，而PA-G-F-200型改性增强型尼龙材料是由废弃塑料经过改性加工得来的金具原材料，具备良好的资源节约性能，且废弃塑料的回收也能减轻我国的环境压力，实现废弃资源的合理利用，故而现阶段深受我国广大电力企业的喜爱。

同时，经相关试验表明，以PA-G-F-200型改性增强型尼龙材料为原材料的柱式绝缘子绑扎金具具备良好的力学性能、抗腐蚀性能及抗老化性能，且该种材料为非金属材质，质地轻，故而生产出来的金具自重较轻，能满足柱式绝缘子对绑扎工具的基本需求。同时该种材质的绑扎金具具备良好的抗干扰能力，能够防止紫外线、空气中杂质对金具产生影响，故而其具备良好的发展前景。现阶段利用PA-G-F-200型改性增强型尼龙材料生产出的绑扎金具材料主要包括悬垂线夹、螺栓型耐张线夹及高分子轻质间隔棒。

柱式绝缘子是电力系统的重要组成部分，其直接影响着电力系统的运行稳定性与安全性，而若想柱式绝缘子能够良好的发挥其功能，就须合理进行绑扎金具的制作，以确保柱式绝缘子能够正常、稳定的进行工作。高效节能系列金具的研制不仅能在环保、废利的前提下实现节能、降耗，还能降低电力企业的生产运营成本，同时，高效节能系列金具的自主研制已取得阶段性的研究成果，完全符合电力金具国家标准和电力行业标准的技术要求，故而其具备良好的经济效益与社会效益。

综上，现阶段，常用的新型柱式绝缘子绑扎金具为以碳素钢为主要原材料和以PA-G-F-200型改性增强型尼龙材料为主要原材料的高效节能系列金具，上述工具不仅具备良好的使用性能，且具备低碳环保、节能减排的功能，故而在我国未来的电力领域当中具有广阔的发展前景。