电杆用多功能金属帽的研发及应用

电杆用多功能金属帽的研发及应用

吴鸿强、李文恒、刘荣江、于紫镭、刘志昊、聂如豪、刘群山

广东电网有限责任公司韶关供电局，广东 韶关 512000

摘要 ：本文从钢筋混凝土电杆在实际运维过程中的缺陷情况进行分析与排查，研制出一种电杆用多功能金属帽对电杆本体结构进行改造，通过对比改造前后缺陷率证实其可行性及可推广应用性。

关键词 ：钢筋混凝土电杆 ；缺陷 ；多功能；改造

Development And Application Of Multifunctional Metal Caps For Electric Poles

Wu Hongqiang,Li Wenheng

(Guangdong Power Grid Co.,Ltd.Shaoguan Power Supply Bureau,Shaoguan 512000)

Abstract: This paper analyzes and checks the defects of  reinforced concrete poles in the actual operation and maintenance process, and develops a kind of multifunctional metal cap to transform the structure of the pole. By comparing the defect rate before and after the transformation, it proves its feasibility and can be popularized and applied.

Key words: Reinforced concrete poles; Defect; Multifunctional;Transform

1 前 言

钢筋混凝土电杆是输配电线路上的重要组成单元。其主要构成材料为砂、石、钢筋混凝土等，与输配电线路铁塔相比，其结构简单、加工方便、材料便于供应、价格经济实惠，因此被广泛应用[1]。

架空输配电线路的运行状况直接与电力系统能否可靠运行联系在一起[2]。在输配电线路长时间的电力输送中，由于其钢筋混凝土电杆裸露在野外，且其杆顶均未封堵，在雨雪、雷击或鸟类筑巢影响下，会出现各种缺陷。例如：强降雨天气会使雨水进入杆内，从而导致杆内积水、基础水浸、接地引下线锈蚀；钢筋混凝土电杆上的玻璃、瓷质绝缘子在受到雷击后会出现裂纹、爆片；鸟类在绝缘子及其附近横担筑巢所带来的干草、丝线飘落下垂引起线路跳闸等。为保持架空输配电线路的良好运行，输配电线路运维单位需要及时发现并消除缺陷。

在粤北地区，由于地形影响，输配电电杆大多处于山地丘陵。当杆内积水较为隐蔽时，日常运维手段根本无法直接观察发现锈蚀状况，情况严重可能导致倒塔断线，危及社会公共和电网设备安全；当杆上有鸟类筑巢或被雷击，均有导致线路跳闸的风险，影响电力供应。因此，钢筋混凝土电杆缺陷的排查、预防和治理直接关系到电网稳定运行，成为影响输配电线路跳闸率的一项重要研究内容，意义重大。

2 钢筋混凝土杆的结构及缺陷分析

2.1 钢筋混凝土电杆结构分析

钢筋混凝土电杆，长度一般为5米至15米，其截面多为环形截面，除稍端有部分结构是实心外，其余部分均为空心。环形杆截面呈环形，均匀分布着8根粗细相同的钢筋[3]。

按照结构，钢筋混凝土电杆可分为自立杆和拉线杆两类[4]。在日常使用中，拉线杆由于其良好的稳定性，使用更为广泛。但其拉线占地面积较大，在农耕地等地区使用会受一定限制。

2.2 钢筋混凝土电杆缺陷分类

常见的钢筋混凝土电杆缺陷种类主要为自然条件影响、外界环境影响、线路本身缺陷三类。

2.2.1 自然条件影响

这一类输配电线路故障的原因主要是由于大气等自然条件影响，例如雨水、雷电等影响。

（1）雨水。在我国南方地区，受亚热带季风气候的影响，夏季高温多雨，降水量尤为充沛。由于钢筋混凝土电杆设计及施工工艺问题，现有的电杆顶部均未封堵。当阶段降雨时间长、雨量大时，会从其顶部持续灌注雨水，最终会导致杆内出现积水。长时间被积水浸泡，将会腐蚀电杆接地引下线，并对电杆基础稳定性造成影响，减少电杆使用寿命；情况严重可能导致倒杆断线，危及社会公共及电网设备安全。

（2）雷击。广东地区雷雨季节主要在春季与夏季。在雷电击打在线路上时，会损坏杆塔金具、引起绝缘子闪络和线路跳闸，甚至击碎绝缘子、打断导地线。因粤北地区电杆多在山丘顶部，受雷击概率更大。在南方电网中，以广东省某市局为例，仅在2023年全年，该局输电管理所共计发现缺陷2353条，其中包含雷击导致线路跳闸缺陷1487条，因雷击导致线路跳闸的约占63.2%，占比相当大。因此，做好线路防雷、减少雷击引起的跳闸数可以大大降低输电线路故障率。

2.2.1 外界环境影响

对于钢筋混凝土电杆来说，鸟类会在绝缘子或其附近横担上筑巢。粤北地区鸟类资源丰富，当其在绝缘子及其附近筑巢时，所带来的稻草、丝线会飘落、下垂至附近导线上，会导致线路跳闸。此外，树木、施工也会对输电线路造成影响。

2.2.3 线路本身缺陷

线路施工时，若使用了不合格的材料或方法，或者是杆塔的结构不合理安装不规范，都可能引起故障发生。个别元件在运行多年后材料会老化，也可能出现事故。以钢筋混凝土电杆为例，钢筋混凝土不合格，或受沙子直径、水灰比、养护时间等影响，所生产出来的电杆也会达不到规定要求，产生裂纹[5]。

3 钢筋混凝土杆缺陷排查方法

快速发现钢筋混凝土电杆的积水、鸟巢等缺陷，首先要对钢筋混凝土电杆的杆身、基础外观进行检查，观察杆身是否存在鸟巢、基础是否潮湿渗水、接地引下线等金具是否锈蚀。随后再通过人工登杆巡视或使用无人机进行精细化巡视确认杆顶是否完好、杆内是否有积水。

3.1 人工登杆排查

雨水通常会沿未封堵的杆顶进入杆身内部，若存在基础潮湿渗水、接地引下线锈蚀等情况可初步判定杆内积水。通过使用脚扣、安全带等工器具进行人工登杆，对钢筋混凝土电杆顶部的封堵情况进行排查，并现场拍照取证。

3.2无人机精细化排查

与电力部门传统的人工登塔、望远镜观测输电线路相比较，无人机航拍巡线对天气、地形等各种环境要求更低，拍摄角度也比人工登塔拍摄更为多样，拍摄效果更好。如今的巡视方式也由人工巡视转变为更高效的人巡为主、机巡为辅相结合模式。在市区、路边等一些容易到达的区域，输电线路运维人员可采用人工登塔对输电线路导地线、绝缘子、金具等进行勘察性巡视；而在丘陵、山区等一些地形复杂，人员难以快速到达的地方，运维人员可以通过在山脚操纵无人机，对山间线路特定位置进行拍摄。

利用无人机多角度、全方位对钢筋混凝土电杆顶部、绝缘子、横担、金具拍照排查，可以初步判定杆内积水、杆上鸟巢、绝缘子雷击损伤等缺陷情况。

4 电杆用多功能金属帽的设计与研发

4.1 设计原则

由于钢筋混凝土电杆的积水、雷击、鸟害为其三类主要缺陷，因此需要从这三类缺陷的防治方面对电杆用多功能金属帽进行设计与研发。针对输配电线路附属设施的安全性、实用性、便携性及经济性的要求，本文对电杆用多功能金属帽的设计遵循以下原则：

（1）尺寸合适。该金属帽首先需要对钢筋混凝土电杆顶部起到封闭的作用，满足其防雨、防雪的要求，因此其直径需要与钢筋混凝土杆顶完美契合，同时其高度需保证其在电杆顶部时不会因大风等外界因素而掉落。

（2）选材合适。由于金属帽常年在钢筋混凝土电杆顶部，承受风吹日晒。因此其材质需防潮、耐腐，需具有能抵抗异常气候的能力。

（3）功能多样。该金属帽需同时满足防雷、防雨雪、防鸟害三项功能。市面上的普通圆形金属封盖只能满足防雨雪功能，因此需对金属帽进行加装改造，使其能具备多项功能。

（4）装拆方便。由于粤北地区电杆多在山地丘陵，从作业便携性角度考虑，金属帽需便于作业人员携带、运输及安装。

4.2 结构设计

电杆用多功能金属帽需同时符合防雨雪、防鸟害、防雷的要求，同时其主体材质需要防雨、耐腐蚀。因此，本文从多功能结构设计入手，实现金属帽功能的多样化。

4.2.1 防雨雪设计

防雨雪为电杆用金属帽的基础功能，整体思路为圆形的金属顶部盖板，实现钢筋混凝土电杆顶部的全方位遮挡，从而起到防雨雪进入杆身内部的作用。该金属帽的内径需略大于钢筋混凝土电杆顶部的外径，同时需考虑到气温变化给金属帽带来的热胀冷缩问题。同时，金属帽的高度也要满足其不会被大风从杆顶挂落的要求。

通过人工登杆对钢筋混凝土电杆顶部外径进行测量，金属帽的内径确定为306毫米，高度确定为120毫米。同时，在设计与生产时，需将封盖板下沿周边做成下弯包裹设计，方便固定在钢筋混凝土电杆身处，从而确保雨水无法从金属帽上方渗入杆身。为满足携带及安装便捷的要求，在金属帽侧面增加一个手抓孔，使其更易于携带上山、上塔与安装固定。为了满足防雨防腐蚀的要求，该部分金属帽选择为不锈钢材质。防雨雪金属帽顶部、底部、侧面图如图4.1所示。

图4.1 防雨雪金属帽顶部、底部、侧面图

4.2.2 防鸟害设计

随着生态环境的改善，在粤北地区，鸟类种类逐渐增加，其活动也日益频繁。在鸟类经常出没区域，因鸟类筑巢引起的线路跳闸已成为电力线路频发性故障之一。当鸟类选择在绝缘子附近筑巢时，其所带来的丝线会触碰带电导线，造成线路短路引起跳闸。因此，在输配电线路上安装人工鸟笼，成为一种新型有效的防鸟害方式。

人工鸟笼一般安装在杆塔顶部或横担处，既能保证鸟类生活不受干扰，为鸟类提供筑巢栖息地，又能引导鸟类远离绝缘子及导线，避免其四处筑巢，保护线路免受短路跳闸。人工鸟笼经济实惠、便于安装，又保持生态平衡、绿色环保，同时降低线路跳闸率，已成为目前防鸟的主流选择。

在满足防雨雪的电杆用金属帽的基础上，在其顶部增加网状鸟笼，便可满足防鸟害的要求。经过人工登塔及无人机对钢筋混凝土电杆实地勘查，最终确定人工鸟笼网状枝条单根直径为3毫米，长宽高均为500毫米，满足鸟类筑巢要求。在原有防雨雪金属帽顶部四个方向各焊接一个边长为55毫米的正方形不锈钢金属片，通过直径为8毫米的螺栓将网状鸟笼连接至圆形金属帽上。金属帽上的鸟笼见图4.2。

图4.2 金属帽上的鸟笼

4.2.3 防雷设计

输电线路大多身处高山、丘陵、旷野，极易受到雷击影响。在进行防雷设计时，本文主要围绕防止导线受雷直击进行开展。当在杆上增加避雷针时，由于避雷针的引雷作用，雷电会被避雷针吸引，从而使导线、绝缘子等构件免受雷击。因此，在防雨雪、防鸟害金属帽的基础上，增加避雷针可以实现其防雷的效果。

在人工鸟笼四个角的位置焊接螺栓，便可安装避雷针。本文采用长度为600毫米的避雷针，并将其插入螺栓中。避雷针同样采用不锈钢材质，生产出的避雷针如图4.3。

图4.3 避雷针

由于现有的许多输配电杆均无防雷接地装置，因此还需设计接地针。本文设计接地针长度为800毫米，直径为16毫米，如图4.4。

图4.4 接地针

在金属帽防雨部位焊接一个接地连接部位，连接接地引下线至接地针，便可在电杆遭受雷击时将雷电引入大地，从而实现防雷效果。焊接接地连接部位如图4.5。

图4.5 金属帽焊接接地部位

至此，电杆用多功能金属帽已设计完成，其结构共分为圆顶金属帽、金属鸟笼、避雷针三大构成部分，使用螺栓连接。在进行产品加工后，其成品如图4.6。

图4.6 电杆用多功能金属帽

5 电杆用多功能金属帽的安装

5.1 钢筋混凝土电杆顶部清理

由于钢筋混凝土电杆常年处于野外，在风吹日晒的影响下，其顶部结构会出现破损、污秽等缺陷。因此，在安装电杆用多功能金属帽前，需要人工登塔对钢筋混凝土电杆顶部进行清理。

5.2 电杆用多功能金属帽的安装

在电杆用多功能金属帽安装时，一般需要两人配合作业。首先，一人在进行安全带冲击试验等措施后，通过使用安全带与脚扣爬至杆顶，并固定好绝缘绳、滑轮。另一人则通过金属帽上预留的抓手部位将其固定在绳索上，两人配合将其传递至杆顶。在作业过程中，需注意与带电部位的安全距离。

当多功能金属帽到达杆顶时，杆顶上的作业人员需将其固定在钢筋混凝土电杆的顶部，确认其稳固后人员方可下杆。

6 装置效果及前后对比

本金属帽在开发出来之后，首先于2023年6月在广东电网某市供电局输电管理所进行试用，样本选取为8条之前易出现雷击、鸟害、基础渗水缺陷的35kV 线路，共计100基杆钢筋混凝土电杆。在安装完成1年后，于2024年6月对此100基钢筋混凝土电杆1年内所发生的缺陷进行统计分析。经过人工登塔及无人机航拍，发现1年中有3基钢筋混凝土电杆存在绝缘子被雷击等缺陷，占钢筋混凝土电杆样本树木的3%；2基电杆发生鸟类在绝缘子附近筑巢，占钢筋混凝土电杆样本树木的2%；未发现基础渗水缺陷。本年内共计5次缺陷，占钢筋混凝土电杆样本树木的5%。

经过系统统计，2022年6月至2023年6月这1年内。该100基电杆总计发生17基杆绝缘子遭受雷击，占钢筋混凝土电杆样本树木的17%；9基杆发生鸟类在绝缘子附近筑巢，占钢筋混凝土电杆样本树木的9%；5基杆发生基础渗水，占钢筋混凝土电杆样本树木的5%。本年内共计31次缺陷，占钢筋混凝土电杆样本树木的31%。安装电杆用多功能金属帽前后1年的各项缺陷占比对比见表。

表6.1 安装电杆用多功能金属帽前后1年缺陷对比

通过对比安装电杆用多功能金属帽前后1年的表现，可以发现安装金属帽后，雷击缺陷杆数由原先的17次降低为3次，仅为原先的17.64%；鸟害杆数由原先的9次降低为2次，仅为原先的22.22%；渗水杆数由原先的5次降为0次。由此可见，在安装电杆用多功能金属帽后，大大降低了钢筋混凝土电杆缺陷次数，使电网安全可靠运行得到有力保障，电力系统稳定性得到有效提高。

7  结论

本文通过对钢筋混凝土电杆缺陷原因进行分析，结合人工登塔与无人机航拍手段初步对杆内积水、鸟害、雷击等情况进行排查，结合实际运维特点设计研发出电杆用多功能金属帽。通过在广东电网某市供电局输电线路实际应用，并对金属帽安装前后电杆缺陷结果进行对比分析，成功验证了该金属帽的实用性与可推广性。该项产品的应用推广将大幅提升电网稳定性，提高基层班组工作效率，具有实际意义。

参考文献

[1]张苏东.混凝土电杆裂缝的成因浅析及修补技术[J].电力建设,2000，05:62-65.

[2]陈珩.电力系统稳态分析[M]. 北京：中国电力出版社，2007.

[3]胡文忠.钢筋混凝土电杆裂纹的预防[J].科技与经济,2006，13:102-103.

[4]李学真.混凝土电杆冻胀裂缝的探讨[J].混凝土与水泥制品,2011，04:25-28.

[5]任炜, 任社宜.电力系统水泥杆质量现状分析及控制措施[J].财经界(学术版), 2013(3):87-87.