蘇梓銘，劉 凱，劉 庭，肖 賓，彭 勇，唐 盼，吳 田

（中國電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430074）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和電網(wǎng)建設(shè)步伐的加快，在人口稠密、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，土地資源日趨緊缺，部分地區(qū)甚至已無新辟線路走廊的可能。為解決線路走廊與地方土地利用之間的矛盾，必須集約化利用土地資源，提高線路走廊單位面積的傳輸容量，多回線路同桿并架技術(shù)是解決此問題的有效途徑［1-4］。10kV線路是電力系統(tǒng)的重要組成部分，在線路走廊緊張的城市配電線路中，為使線路走廊得到充分利用，10kV同塔并架多回線路將成為城市配電線路建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)。

由于10kV同塔多回線路塔型結(jié)構(gòu)和導(dǎo)線布置與單回線路有一定的區(qū)別，對(duì)于10kV同桿多回線路，靠近桿塔的中間回路與周圍其他回路以及桿塔間距較小，對(duì)中間回路的維護(hù)采用常規(guī)的作業(yè)方式不能滿足安全要求。當(dāng)多回導(dǎo)線同桿架設(shè)線路的這些特殊回路需要消缺時(shí)，依照現(xiàn)有的技術(shù)水平及工器具不能滿足帶電作業(yè)要求，作業(yè)時(shí)需要將其他幾回線路同時(shí)停電，這就直接影響了城市的供電可靠性［5］。

筆者對(duì)10kV同塔多回線路特殊相導(dǎo)線帶電作業(yè)技術(shù)進(jìn)行研究。針對(duì)10kV同塔多回線路特點(diǎn)，首先仿真計(jì)算得出多回線路發(fā)生短路時(shí)產(chǎn)生的過電壓，明確帶電作業(yè)工具性能要求；然后采用理論分析與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，研制10kV同塔多回線路特殊相導(dǎo)線提線工具。

1 同塔多回線路作業(yè)難點(diǎn)及方法分析

以中國廣州地區(qū)廣泛使用的同塔四回路桿塔為例進(jìn)行作業(yè)方法的研究，如圖1所示。

1.1 作業(yè)難點(diǎn)

配電線路帶電作業(yè)技術(shù)導(dǎo)則（GB／T 18857）規(guī)定，在10kV配網(wǎng)帶電作業(yè)中，人體與帶電體的最小安全距離不得小于0.4m（絕緣桿作業(yè)法），且不允許絕緣斗內(nèi)作業(yè)人員在不滿足安全距離的情況下穿越外側(cè)導(dǎo)線對(duì)內(nèi)側(cè)導(dǎo)線進(jìn)行操作。

由圖1同塔四回路桿塔結(jié)構(gòu)可知，中間特殊相導(dǎo)線的作業(yè)難點(diǎn)在于：①外側(cè)上相—中相導(dǎo)線構(gòu)成的作業(yè)窗口過小，絕緣斗內(nèi)作業(yè)人員無法在中間特殊相導(dǎo)線上直接操作；②在更換內(nèi)側(cè)中間特殊相導(dǎo)線絕緣子時(shí)，受桿塔導(dǎo)線排列緊密的影響，無法對(duì)該相導(dǎo)線進(jìn)行提升。

圖1 同塔四回路桿塔Figure 1 4-circuit lines on the same tower

1.2 作業(yè)方法

針對(duì)作業(yè)難點(diǎn)，提出絕緣斗內(nèi)作業(yè)人員絕緣手套直接操作與絕緣桿間接操作相結(jié)合的作業(yè)方法，搭配特殊相導(dǎo)線帶電作業(yè)工具，完成更換同塔多回線路內(nèi)側(cè)中間相導(dǎo)線絕緣子更換等難度較大的作業(yè)項(xiàng)目。利用這種方法操作時(shí)，先使用提線工具提吊導(dǎo)線、擴(kuò)大操作窗口，再使用間接工具在操作窗口中進(jìn)行操作，以確保作業(yè)人員安全。提線工具初步設(shè)計(jì)示意如圖2所示。

10kV同桿多回線路特殊相導(dǎo)線帶電作業(yè)方法如下：

1）作業(yè)人員乘坐絕緣斗臂車，使用絕緣操作桿對(duì)電桿上的絕緣子瓷瓶70、導(dǎo)線90進(jìn)行遮蔽；

2）絕緣遮蔽完成后，將絕緣斗臂車升至桿塔上方，使同桿多回線路中間相導(dǎo)線提線工具懸掛在橫擔(dān)上，即將［M1］橫擔(dān)卡具31，32，33分別卡在上、中、下3個(gè)橫擔(dān)上；

3）調(diào)整好緊線器41，42的位置，使緊線器下方導(dǎo)線金屬鉤51，52鉤住導(dǎo)線；

4）作業(yè)人員使用絕緣扳手轉(zhuǎn)動(dòng)螺母314，將橫擔(dān)卡具收緊，重復(fù)上述步驟，直至3個(gè)橫擔(dān)卡具的螺母均收緊；

5）將絕緣斗臂車降至桿塔橫擔(dān)下方，安裝吊桿抱箍62，使之緊固；

6）確保多回線路中間相導(dǎo)線提線工具安裝牢固后，將絕緣斗臂車上升至桿塔上方，作業(yè)人員用絕緣操作桿操作緊線器41，42，提升導(dǎo)線；

7）使用絕緣桿間接工具如絕緣桿匝線剪、絕緣取瓶器、絕緣三齒耙等開展中相導(dǎo)線的帶電檢修工作。

該方法的關(guān)鍵點(diǎn)在于：計(jì)算10kV線路帶電作業(yè)時(shí)，在考慮可能遭遇的短路故障引起的過電壓基礎(chǔ)上，研制操作安全、使用方便的特殊相導(dǎo)線提線工具，以滿足在緊湊導(dǎo)線環(huán)境下提吊特殊相導(dǎo)線的需要。

圖2 提線工具初步設(shè)計(jì)示意Figure 2 Preliminary schematic design of the hanging special conductor tools

2 10kV同桿多回線路過電壓及工具荷載理論計(jì)算

2.1 故障接地過電壓計(jì)算

采用ATP-EMTP仿真計(jì)算軟件，按照調(diào)研獲取的廣州地區(qū)典型同塔四回線路桿塔圖紙進(jìn)行導(dǎo)線布置，設(shè)置相關(guān)線路參數(shù)，建立10kV同桿多回架空線路電磁暫態(tài)模型如圖3所示，對(duì)線路短路過電壓進(jìn)行計(jì)算分析［6］。相序排列及空間布置采取典型同塔四回線路排列方式，模型中四回線路排列方式如圖4所示，即單回線路中上、中、下相依次縱向排列，四回線水平排列。

仿真計(jì)算時(shí)，導(dǎo)線平均高度約為11m，同一側(cè)兩回線路離中心線距離分別為0.57和1.57m。進(jìn)行多變量對(duì)比仿真，考慮線路末端負(fù)荷情況、線路短路位置、短路時(shí)刻相角這3個(gè)因素對(duì)系統(tǒng)發(fā)生故障短路時(shí)過電壓影響［7-9］。經(jīng)計(jì)算得出，最大過電壓發(fā)生在空載線路末端短路位置，且短路時(shí)刻相角為180°，后續(xù)仿真計(jì)算均按照該種工況進(jìn)行設(shè)置。

圖3 同塔四回線路過電壓計(jì)算模型Figure 3 Over-voltage calculation model of 4-circuit lines on the same tower

圖4 同塔四回線路排列方式Figure 4 Line arrangement of 4-circuit lines on the same tower

2.1.1 單相穩(wěn)定接地過電壓

當(dāng)線路末端發(fā)生單相穩(wěn)定接地故障時(shí)，作業(yè)點(diǎn)相地過電壓如圖5所示。需要討論弧道電阻和線路長(zhǎng)度對(duì)線路操作過電壓的影響。

圖5 單相穩(wěn)定接地過電壓波形Figure 5 Over-voltage waveform of single-phase grounding

1）線路長(zhǎng)度。

分別取線路長(zhǎng)度為10，20，30，和40km，弧道電阻取10Ω，計(jì)算不同線路長(zhǎng)度下單相接地過電壓水平。計(jì)算結(jié)果如圖6所示，可知隨著線路長(zhǎng)度增大，單相接地過電壓隨之增大，線路長(zhǎng)度小于20km時(shí)，線路長(zhǎng)度變量對(duì)過電壓影響較大；線路長(zhǎng)度大于20km時(shí)，線路長(zhǎng)度變量對(duì)過電壓影響較小。

2）弧道電阻。

仿真計(jì)算中，線路長(zhǎng)度取20km，在線路末端發(fā)生短路故障，燃弧相位取180°，此時(shí)單相接地過電壓倍數(shù)達(dá)到最大，弧道電阻取0～20Ω?；〉离娮枧c單相接地過電壓水平關(guān)系如表1所示，分析可得，單相接地過電壓水平隨弧道電阻的增大而減小。

配網(wǎng)中常見的接地故障還有高阻接地［10］，為進(jìn)一步研究高阻接地對(duì)過電壓水平的影響，設(shè)定電阻值變化為20Ω～2kΩ，仿真數(shù)據(jù)如圖7所示，可知高阻接地對(duì)過電壓水平有明顯的抑制作用。單相接地過電壓水平隨著接地電阻的增大而降低，當(dāng)發(fā)生單相高阻接地時(shí)，過電壓水平不高，對(duì)帶電作業(yè)人員和工具影響不大。

圖6 線路長(zhǎng)度與單相穩(wěn)定接地過電壓水平關(guān)系Figure 6 The relationship between line length and singlephase stable grounding over-voltage level

表1 弧道電阻與單相接地過電壓水平關(guān)系Table 1 Relationship between arc track resistance and single-phase stable grounding over-voltage level

圖7 接地電阻與單相穩(wěn)定接地過電壓水平關(guān)系Figure 7 Relationship between ground resistance and single-phase stable grounding over-voltage level

2.1.2 弧光接地過電壓

弧光接地過電壓也是配電網(wǎng)中典型的故障過電壓，有必要對(duì)該類型過電壓進(jìn)行分析研究［11］。在產(chǎn)生單相間歇式電弧過電壓的過程中，電弧的熄滅和重燃時(shí)間是決定最大過電壓的重要因素，以工頻振蕩電流第1次過零時(shí)熄弧為前提條件進(jìn)行分析：在工頻電壓峰值（10ms處）A相發(fā)生對(duì)地燃弧，系統(tǒng)發(fā)生振蕩，過渡過程結(jié)束后，B，C相將穩(wěn)定按線電壓規(guī)律運(yùn)行，經(jīng)過半個(gè)周期后，在20ms處A相接地電流過零熄弧，即發(fā)生第1次工頻熄?。蝗缓?，每隔半個(gè)工頻周期依次發(fā)生重燃和熄弧的過程。

考慮發(fā)生了3次重燃、2次工頻熄弧的最嚴(yán)重情況，取線路長(zhǎng)度為20km，弧道電阻為10Ω。依據(jù)工頻熄弧理論仿真得到的三相電壓典型波形如圖8所示，工頻熄弧過電壓如表2所示，可得中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)在發(fā)生弧光接地故障時(shí)產(chǎn)生了可達(dá)4倍的弧光接地過電壓。

通過10kV同桿多回線路故障接地過電壓計(jì)算，單相穩(wěn)定接地過電壓隨著線路長(zhǎng)度的增大而小幅增加，隨著弧道電阻的增大而減小，當(dāng)線路長(zhǎng)度為

圖8 弧光接地過電壓波形Figure 8 Overvoltage waveform of arc grounding over-voltage

表2 工頻熄弧過電壓Table 2 Over-voltage of frequency arc extinction

20km、弧道電阻為10Ω時(shí)，弧光接地過電壓峰值為23.30kV；弧光接地過電壓隨著重燃次數(shù)的增加而疊加上升，當(dāng)線路長(zhǎng)度為20km、弧道電阻為10Ω時(shí)，3次重燃峰值為34.91kV。

依據(jù)DL／T 976—2005《帶電作業(yè)工具、裝置和設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》，10kV帶電作業(yè)工具應(yīng)能承受電極間隙0.4m的45kV／1min工頻耐壓試驗(yàn)，因此，10kV多回線路帶電作業(yè)工具只要能夠通過DL／T 976—2005規(guī)定的試驗(yàn)內(nèi)容，即可以滿足安全作業(yè)要求。

2.2 特殊相導(dǎo)線提線工具額定載荷計(jì)算

特殊相導(dǎo)線提線工具額定載荷依據(jù)GB／T 18037—2008《帶電作業(yè)工具基本要求與設(shè)計(jì)導(dǎo)則》進(jìn)行計(jì)算。

2.2.1 氣象條件

《帶電作業(yè)工具基本要求與設(shè)計(jì)導(dǎo)則》規(guī)定帶電作業(yè)工具機(jī)械設(shè)計(jì)組合氣象條件有3類，如表3所示。由于廣州地區(qū)所屬中國典型氣象區(qū)第四氣象區(qū)，并考慮到帶電作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)氣象條件的要求，選用II類氣象，即t=-15℃，v=10m／s，b=0（覆冰厚度）作為工具的機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)氣象條件。

表3 帶電作業(yè)條件下的氣象組合Table 3 Meteorological combination under live working conditions

2.2.2 線路參數(shù)

10kV架空線路常用導(dǎo)線的機(jī)械物理性能如表4所示。依據(jù)10kV配網(wǎng)線路典型設(shè)計(jì)參數(shù)，10kV線路檔距均小于200m。為嚴(yán)格保證工具承力能力，在計(jì)算中設(shè)定10kV線路桿塔單個(gè)垂直檔距為150m，2個(gè)垂直檔距為300m。

表4 常用導(dǎo)線機(jī)械物理性能Table 4 Mechanical and physical properties of common wire

2.2.3 額定荷重

當(dāng)風(fēng)速為10m／s時(shí)，導(dǎo)線所承受的風(fēng)壓荷重為

式中 g3為風(fēng)壓比載，N／（m·mm2）；A為架空線截面積，mm2；Lc為線路的垂直檔距。

考慮到整個(gè)檔距上的風(fēng)速通常不一致，架空線的迎風(fēng)面積形狀（體型）對(duì)空氣流動(dòng)的影響，以及風(fēng)向與線路走向間常存在一定的角度，無冰時(shí)的風(fēng)壓比載為

式中 α為風(fēng)速不均勻系數(shù)，如圖5所示，可取表5中數(shù)值；v為設(shè)計(jì)風(fēng)速，m／s；C為風(fēng)載體形系數(shù)，當(dāng)導(dǎo)線直徑d＜17mm時(shí)，C=1.2；d≥17mm時(shí)，C=1.1；d為導(dǎo)線外徑，mm。

表5 風(fēng)速不均勻系數(shù)Table 5 Uniformity coefficient of wind velocity

根據(jù)式（1），計(jì)算得到垂直檔距為300m的10kV LGJ-240線路的風(fēng)壓荷重為1 728N。計(jì)算不同型號(hào)線路的導(dǎo)線自重荷載：

式中 g1為導(dǎo)線每千米重力，N。LGJ-240／30、LGJ-240／40、LGJ-240／50導(dǎo)線自重荷載分別為0.3×922.2×10=2.77，0.3×964.3×10=2.89，0.3×1 108×10=3.32kN。

提線工具需要承受導(dǎo)線的自重荷載以及水平風(fēng)壓荷載，因此，其受到的應(yīng)力為

根據(jù)式（4），計(jì)算得到不同線路帶電作業(yè)時(shí)的綜合應(yīng)力：LGJ-240／30，LGJ-240／40，LGJ-240／50導(dǎo) 線 應(yīng)力分別為3.264，3.367，3.742kN。

該次開發(fā)的工具預(yù)期通用范圍應(yīng)當(dāng)能夠滿足80%以上的線段，10kV線路2個(gè)垂直檔距內(nèi)提升導(dǎo)線所需承受的最大荷載為3.742kN，同時(shí)考慮提線工具最多可同時(shí)提升2根導(dǎo)線。因此，設(shè)計(jì)其最大工作負(fù)荷為7.5kN。

3 10kV同桿多回線路特殊相導(dǎo)線提線工具研制

3.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與工具改進(jìn)

對(duì)10kV同桿多回線路進(jìn)行實(shí)地考察及相關(guān)數(shù)據(jù)的測(cè)量。目前，10kV同桿多回線路在橫擔(dān)上均設(shè)計(jì)有橫擔(dān)支撐結(jié)構(gòu)以保證橫擔(dān)和提線工具的牢固穩(wěn)定性。由于初步設(shè)計(jì)圖2中的電桿抱箍61主要用于維持工具穩(wěn)定性，與現(xiàn)有線路上的橫擔(dān)支撐結(jié)構(gòu)功能重復(fù)，故電桿抱箍可以取消。同時(shí)做出改進(jìn)，以滿足現(xiàn)場(chǎng)需要，即

1）對(duì)上端吊臂橫向部分進(jìn)行加長(zhǎng)，并且在吊臂上設(shè)計(jì)多個(gè)緊線器懸掛點(diǎn)；

2）將緊線器下方金屬鉤改制為絕緣鉤；

3）減小立桿長(zhǎng)度，將原本上、下相橫擔(dān)的兩相間橫擔(dān)固定方式改為相鄰橫擔(dān)固定，從而在保證同桿多回線路中間相導(dǎo)線提線工具安裝牢固的同時(shí)，縮小工具尺寸，降低重量。

最終具體設(shè)計(jì)如圖9所示，改進(jìn)后的提線工具所用材質(zhì)與原設(shè)計(jì)方案相同，其主要由上端吊臂11、立桿21、上、下端卡具32及緊線器掛點(diǎn)41～48組成。上、下端卡具31，32及上端吊臂11分別通過不銹鋼套，用穿芯螺絲固定在立桿21上。在使用時(shí)，上端卡具卡在上相橫擔(dān)上，下端卡具卡在中相的橫擔(dān)上。上、下端卡具31，32與原設(shè)計(jì)方案相同，僅改變了其間距。

圖9 10kV多回線路特殊相導(dǎo)線提線工具Figure 9 Hanging special conductor tools for liveworking on 10kV multi-circuit lines

上端吊臂設(shè)計(jì)基本與原設(shè)計(jì)方案相同，上方橫向結(jié)構(gòu)進(jìn)行了加長(zhǎng)，現(xiàn)長(zhǎng)為1 300mm、寬80mm；緊線器掛點(diǎn)材質(zhì)及固定方式不變，由原先的2個(gè)掛點(diǎn)增加至8個(gè)掛點(diǎn)，最外側(cè)的掛點(diǎn)41，45中心距離邊緣40mm，掛點(diǎn)42，46與掛點(diǎn)41，45的間距為80mm，掛點(diǎn)43，47與掛點(diǎn)42，46的間距為80mm，掛點(diǎn)44，48與掛點(diǎn)43，47的間距為80mm。

3.2 特殊相導(dǎo)線帶電作業(yè)方式確定

確定10kV多回線路特殊相導(dǎo)線最終帶電作業(yè)方式：

1）作業(yè)人員乘坐絕緣斗臂車，使用絕緣操作桿對(duì)電桿上的絕緣子瓷瓶70、導(dǎo)線90進(jìn)行遮蔽；

2）絕緣遮蔽完成后，將絕緣斗臂車升至桿塔上方，使同桿多回線路中間相導(dǎo)線提線工具懸掛在橫擔(dān)上，即將橫擔(dān)卡具31，32分別卡在上、中2個(gè)橫擔(dān)上；

3）根據(jù)作業(yè)需求選擇緊線器掛點(diǎn)，然后調(diào)整緊線器的位置，使緊線器下方導(dǎo)線絕緣勾51，52鉤住導(dǎo)線；

4）作業(yè)人員使用絕緣扳手轉(zhuǎn)動(dòng)螺母315，使上端卡具收緊，再使用絕緣扳手轉(zhuǎn)動(dòng)螺母324，使下端卡具收緊；

5）確保多回線路中間相導(dǎo)線提線工具安裝牢固后，將絕緣斗臂車上升至桿塔上方，作業(yè)人員用絕緣操作桿，操作緊線器，提升導(dǎo)線；

6）開展中間相導(dǎo)線的帶電檢修工作。

3.3 特殊相導(dǎo)線提線工具試驗(yàn)

依據(jù)DL／T 409和DL／T 976的要求，對(duì)研發(fā)的10kV多回線路特殊相導(dǎo)線提線工具進(jìn)行電氣和機(jī)械性能試驗(yàn)。

3.3.1 電氣試驗(yàn)

為驗(yàn)證提線工具絕緣性能的有效性，依據(jù)DL／T 976中的試驗(yàn)方法對(duì)絕緣提線工具進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，試驗(yàn)布置如圖10所示。

3.3.2 機(jī)械試驗(yàn)

提線工具的設(shè)計(jì)額定荷載為7.5kN，根據(jù)DL／T 409的要求對(duì)其進(jìn)行靜荷和動(dòng)荷重試驗(yàn)，試驗(yàn)如圖11所示。試驗(yàn)結(jié)果符合要求。

表6 電氣耐壓試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Testing results of electric pressure test

圖10 特殊相導(dǎo)線提線工具電氣耐壓試驗(yàn)Figure 10 Electric pressure testing of the hanging special conductor tools

4 結(jié)語

筆者對(duì)10kV同塔多回線路特殊相導(dǎo)線帶電作業(yè)方法進(jìn)行了研究，在計(jì)算和試驗(yàn)基礎(chǔ)上研制了10kV同塔多回線路特殊相導(dǎo)線提線工具。研制出的10kV多回線路特殊相導(dǎo)線提線工具有以下特點(diǎn)：

圖11 特殊相導(dǎo)線提線工具機(jī)械試驗(yàn)Figure 11 Mechanical testing of the hanging special conductor tools

1）便于攜帶。提線工具采用模塊化組裝，由支撐固定和提吊導(dǎo)線兩大部分組成，便于攜帶和組裝。

2）通用性強(qiáng)。提線工具在滿足額定載荷的基礎(chǔ)上設(shè)置了多個(gè)通用掛點(diǎn)，以滿足不同塔頭尺寸線路提吊導(dǎo)線的需要。

3）操作安全。在電磁暫態(tài)仿真的基礎(chǔ)上，通過電氣和機(jī)械試驗(yàn)驗(yàn)證了提線工具操作的安全性，配合絕緣桿間接操作工具，可以安全開展同塔多回線路特殊相導(dǎo)線的檢修工作。

10kV同塔多回線路特殊相導(dǎo)線提線工具的研制克服了以往帶電作業(yè)安全距離不夠的難點(diǎn)，為開展10kV多回線路特殊相導(dǎo)線帶電作業(yè)提供了硬件支撐。

［1］許箴，秦勇明，唐盼，等.35kV線路帶電作業(yè)安全距離計(jì)算與放電特性分析［J］.電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29（2）：71-75.XU Zhen，QIN Yong-ming，TANG Pan，et al.Discharge characteristics analysis and minimum approach distance calculation for live working on 35kV line［J］.Journal of Electric Power Science and Technology，2014，29（2）：71-75.

［2］DL／T 966—2005.送電線路帶電作業(yè)技術(shù)導(dǎo)則［S］.

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