DQZHAN技術(shù)訊：特高壓交流輸電線(xiàn)路的絕緣子如何選型？
本文將分別從預(yù)期壽命、失效率和檢出率以及電氣性能方面討論三種常用特高壓線(xiàn)路絕緣子，并給出特高壓絕緣子選型建議，保證電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的同時(shí)抑制設(shè)備制造成本。
特高壓交流輸電線(xiàn)路絕緣子選型
絕緣子的選型是特高壓輸電線(xiàn)路絕緣配合*為重要的內(nèi)容之一。合理確定絕緣子的型式對(duì)于在保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性的同時(shí)，控制設(shè)備制造成本有著重要意義。
特高壓線(xiàn)路絕緣子主要有玻璃絕緣子、復(fù)合絕緣子以及瓷絕緣子，在我國(guó)特高壓線(xiàn)路中均得到實(shí)際應(yīng)用。我們就三種絕緣子分別從預(yù)期壽命、失效率和檢出率以及電氣性能等方面進(jìn)行討論，給出特高壓絕緣子的選型建議。
1、預(yù)期壽命
瓷絕緣子的絕緣部件由無(wú)機(jī)材料氧化鋁陶瓷制成，該材料具有優(yōu)良的抗老化能力和化學(xué)穩(wěn)定性。玻璃絕緣子是以鋼化玻璃為絕緣體，通過(guò)水泥膠合劑與其他金屬吊掛件裝配而成，并采用“熱鋼化”工藝，賦予了玻璃表層高達(dá)100～250MPa的長(zhǎng)久預(yù)應(yīng)力，使鋼化玻璃的強(qiáng)度增大，熱穩(wěn)定性提高，抗老化性加強(qiáng)，壽命延長(zhǎng)。
根據(jù)我國(guó)對(duì)已運(yùn)行5～30年的玻璃和瓷絕緣子進(jìn)行的機(jī)電性能跟蹤對(duì)比試驗(yàn)，玻璃絕緣子的使用壽命取決于金屬附件，瓷絕緣子的使用壽命取決于絕緣件；運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，玻璃絕緣子運(yùn)行40a，機(jī)電性能變化不大，而瓷絕緣子平均壽命周期為15～25a。
復(fù)合絕緣子外絕緣采用有機(jī)材料硅橡膠，在電暈放電、紫外線(xiàn)輻射、潮濕環(huán)境、溫度變化以及化學(xué)腐蝕等因素用下比較容易老化，對(duì)其使用壽命研究需長(zhǎng)時(shí)間的跟蹤觀(guān)察，目前復(fù)合絕緣子只有20多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，尚無(wú)足夠數(shù)據(jù)支撐。從國(guó)內(nèi)外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，只要復(fù)合絕緣子能夠保證出廠(chǎng)質(zhì)量，使用壽命達(dá)到10a是沒(méi)有問(wèn)題的。
2、失效率和檢出率
瓷絕緣子的失效表現(xiàn)形式為經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，材料老化，絕緣性能降到很低甚至為零。這種低值或者零值絕緣子無(wú)法從外表看出來(lái)，需要通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)查出。
玻璃絕緣子失效表現(xiàn)為零值自破，即玻璃絕緣子在絕緣性能失去時(shí)，玻璃傘盤(pán)會(huì)爆裂破損。玻璃絕緣子在自破后，維修人員可以直接用肉眼觀(guān)察到破碎的玻璃傘盤(pán)，所以玻璃絕緣子的失效檢出率比瓷絕緣子高很多，通常認(rèn)為玻璃絕緣子是不需要進(jìn)行零值檢測(cè)的，其維護(hù)檢測(cè)工作量也比瓷絕緣子小得多。另有統(tǒng)計(jì)表明，國(guó)產(chǎn)玻璃絕緣子在其壽命周期內(nèi)平均失效率為比瓷絕緣子低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。
復(fù)合絕緣子內(nèi)絕緣距離和外絕緣距離幾乎相等。結(jié)構(gòu)上屬于不可擊穿型絕緣子，不存在零值絕緣子的問(wèn)題，也就不需要零值檢測(cè)。但是復(fù)合絕緣子的失效表現(xiàn)形式為傘裙硅橡膠蝕損以及隱蔽的“界面擊穿”，無(wú)法直接觀(guān)察，必須使用儀器逐只檢測(cè)及更換，導(dǎo)致維護(hù)工作量及費(fèi)用增加。
3、電氣性能
目前，在我國(guó)線(xiàn)路上大量應(yīng)用的絕緣子主要有：輕度中度污穢地區(qū)主要是雙層傘形絕緣子X(jué)WP-300、三傘瓷絕緣子CA-876、普通瓷絕緣子CA-590和玻璃絕緣子FC300；重污穢地區(qū)和高海拔地區(qū)主要為復(fù)合絕緣子。
對(duì)以上絕緣子進(jìn)行人工污穢實(shí)驗(yàn)，得到了在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，不同鹽密下各絕緣子單位長(zhǎng)度50%閃絡(luò)電壓（kV/m）曲線(xiàn)，如圖2所示。
從圖2a可以看出，復(fù)合絕緣子在不同鹽密下，其單位長(zhǎng)度閃絡(luò)電壓*高，并且隨著鹽密的增加，閃絡(luò)電壓下降緩慢，耐污閃性能*為優(yōu)越。其次是三傘型瓷絕緣子，在鹽密較小時(shí)，三傘瓷絕緣子單位長(zhǎng)度閃絡(luò)電壓較高，但隨著鹽密的增大，閃絡(luò)電壓下降較為迅速。對(duì)比以上兩種絕緣子，普通型玻璃絕緣子耐污閃性能*差。
圖2b對(duì)比了三種傘形瓷絕緣子的耐污閃性能。可以看出，傘裙形狀對(duì)同種材質(zhì)的絕緣子耐污閃性能有較大的影響：傘形絕緣子的耐污閃性能明顯優(yōu)于普通型絕緣子；三傘絕緣子的耐污閃性能優(yōu)于雙傘絕緣子。
隨著海拔升高，氣壓降低，污穢絕緣子的閃絡(luò)電壓也會(huì)下降，文獻(xiàn)2提出了海拔高度與閃絡(luò)電壓之間的線(xiàn)性表達(dá)式如下：
上式中，U0為絕緣子在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下閃絡(luò)電壓，U為海拔高度為H（km）時(shí)閃絡(luò)電壓，k為下降斜率（km-1），反映海拔高度對(duì)閃絡(luò)電壓的影響。
文獻(xiàn)1對(duì)低氣壓下絕緣子的閃絡(luò)電壓進(jìn)行了研究，得到不同類(lèi)型絕緣子在不同海拔高度下的閃絡(luò)電壓，進(jìn)而求得絕緣子的下降斜率如表2所示：
由表2可以看出，復(fù)合絕緣子的下降斜率較小，高海拔絕緣性能良好；玻璃絕緣子在輕度污穢地區(qū)相比三種瓷絕緣子會(huì)有較好的耐高海拔性能；雙傘瓷絕緣子、三傘瓷絕緣子隨海拔上升，絕緣性能有較大下降。
實(shí)際應(yīng)用中，不僅需要考察絕緣子的耐污閃和高海拔特性，還應(yīng)考慮到特高壓電網(wǎng)的特殊性，對(duì)絕緣子的均壓性能及耐電弧性能等進(jìn)行考察。
首先，絕緣子串應(yīng)具有一定的均壓性能。
特高壓線(xiàn)路絕緣子串的長(zhǎng)度是超高壓的兩倍左右。此時(shí)，絕緣子串上的電壓分布很不均勻，壓降主要集中在絕緣子串兩端，使得整個(gè)絕緣子串利用率大大降低。因此在選型時(shí)，應(yīng)充分考慮絕緣子的均壓設(shè)計(jì)。
玻璃絕緣子的介電常數(shù)比瓷絕緣子略大，使得玻璃絕緣子主電容比瓷絕緣子大，當(dāng)絕緣子成串使用時(shí)，每片絕緣子受對(duì)地和對(duì)導(dǎo)線(xiàn)的旁路雜散電容的影響相對(duì)較小，故整串的電壓分布也較瓷絕緣子更為均勻。這對(duì)減小無(wú)線(xiàn)電干擾、降低電暈損耗以及延長(zhǎng)絕緣子的使用壽命有利，且可以提高玻璃絕緣子串的閃絡(luò)電壓。國(guó)網(wǎng)電科院分別測(cè)量了配置相同形式均壓環(huán)的瓷絕緣子串與玻璃絕緣子串的電壓分布，結(jié)果表明，玻璃絕緣子串的整體電壓分布趨勢(shì)與瓷絕緣子相似，但導(dǎo)線(xiàn)側(cè)幾片玻璃絕緣子承受的電壓比瓷絕緣子低8%左右。
復(fù)合絕緣子在工頻電壓作用下表面場(chǎng)強(qiáng)和電壓分布極不均勻，芯棒和金具連接處場(chǎng)強(qiáng)*高達(dá)6.5kV/cm，而導(dǎo)線(xiàn)側(cè)**個(gè)傘裙上的分布電壓一般都遠(yuǎn)高于整串絕緣子平均分布電壓，在長(zhǎng)期工作電壓的作用下該片絕緣傘裙有可能提前老化，從而失去絕緣能力并*終導(dǎo)致整個(gè)絕緣子報(bào)廢。實(shí)際中，可以通過(guò)加裝均壓環(huán)來(lái)改善復(fù)合絕緣子端部場(chǎng)強(qiáng)集中的問(wèn)題。另外，也可采用復(fù)合絕緣子與數(shù)片玻璃絕緣子的混合串聯(lián)形式來(lái)解決該問(wèn)題，即在復(fù)合絕緣子的頭部再串入數(shù)片玻璃絕緣子，由靠近線(xiàn)路側(cè)的玻璃絕緣子來(lái)承受*高分布電壓，從而避免復(fù)合絕緣子在強(qiáng)電場(chǎng)下發(fā)生提前老化。
其次，絕緣子應(yīng)具有一定的耐電弧能力。
絕緣子發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，有溫度極高的電弧流過(guò)，表面會(huì)留下燒灼痕跡，絕緣子的絕緣性能會(huì)遭到破壞。不同的絕緣子耐電弧能力不同。試驗(yàn)結(jié)果表明：玻璃絕緣子的耐電弧**能力明顯優(yōu)于瓷絕緣子；玻璃絕緣子在遭受雷電電弧燒灼后，表面剝落一層玻璃，新表面仍是光滑的玻璃體，絕緣強(qiáng)度不會(huì)下降，仍可長(zhǎng)期運(yùn)行；但瓷絕緣子在經(jīng)電弧燒灼后，表面釉層剝落，露出的瓷體容易積污，導(dǎo)致絕緣性能下降，所以遭雷擊**的瓷絕緣子必須更換；復(fù)合絕緣子在雷擊后一般只留下白色電弧痕跡，不影響其使用，也不需要更換，但必須注意兩端金具的燒蝕情況。
再次，閃絡(luò)后絕緣子不會(huì)發(fā)生掉串。
玻璃絕緣子發(fā)生自破后，在遭受雷擊時(shí)，其電弧的引流通道將鐵帽邊緣和鋼腳桿徑直接連通，不可能繞道鐵帽內(nèi)部形成通道，不會(huì)在鐵帽內(nèi)部聚集大量熱量導(dǎo)致鐵帽爆炸，所以玻璃絕緣子即使是零值自破后，遭遇雷擊閃絡(luò)仍不會(huì)造成掉串事故。
盤(pán)形懸式瓷絕緣子屬可擊穿型絕緣子。隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，會(huì)出現(xiàn)劣化現(xiàn)象，變成低值或零值絕緣子。當(dāng)含有低值絕緣子片的絕緣子串上發(fā)生雷擊或污穢閃絡(luò)時(shí)，系統(tǒng)的接地短路造成的工頻續(xù)流通過(guò)低值絕緣子片頭部。使氣體急劇膨脹，鐵帽爆炸，導(dǎo)致絕緣子斷串，甚至導(dǎo)線(xiàn)落地。國(guó)內(nèi)已多次出現(xiàn)瓷絕緣子掉串重大事故。
復(fù)合絕緣子的掉串通常是由芯棒斷裂引起的。造成芯棒斷裂的主要原因是絕緣子高壓端部密封**，芯棒受到酸性物質(zhì)的腐蝕，易發(fā)生斷裂的位置在絕緣子導(dǎo)線(xiàn)端的金具連接處附近。早期生產(chǎn)的復(fù)合絕緣子，在芯棒與端部的附件、芯棒與傘裙之間很容易出現(xiàn)密封膠開(kāi)縫的情況。在高電場(chǎng)下，絕緣子長(zhǎng)期工作在電暈放電狀況，在潮濕的大氣中放電產(chǎn)生的酸性液體侵入芯棒玻璃纖維后造成芯棒發(fā)生酸蝕，*終導(dǎo)致復(fù)合絕緣子發(fā)生斷裂。但是近幾年，復(fù)合絕緣子生產(chǎn)廠(chǎng)家普遍采用了整體注射成型工藝、壓接式連接新工藝使得絕緣子密封性能提高。同時(shí)，采用耐酸的芯棒也在一定程度上降低了復(fù)合絕緣子的掉串事故發(fā)生概率。
選型建議
綜上分析，三傘型和雙傘瓷絕緣子具有較好的耐污閃性能，已在我國(guó)實(shí)際工程中得到大量應(yīng)用；玻璃絕緣子有著優(yōu)良的機(jī)械和電氣性能：強(qiáng)度高、耐電弧且電壓分布更均勻，但耐污型的雙傘和三傘型玻璃絕緣子還處于研究中，實(shí)際運(yùn)行的非常少，目前普通型玻璃絕緣子耐污閃能力還不如三傘型和雙傘瓷絕緣子；復(fù)合絕緣子質(zhì)量輕，憎水性好，耐污閃性能和高海拔絕緣性能**，同時(shí)還具有優(yōu)越的抗機(jī)械沖擊能力，可縮短輸電線(xiàn)路的重建工期，并可降低工程造價(jià)。
對(duì)于特高壓交流絕緣子串形、型式的選擇，有如下建議:
1.對(duì)于輕度污穢區(qū)，懸垂串一般采用雙傘型瓷絕緣子或普通型玻璃絕緣子，V形串一般采用雙傘型瓷絕緣子或普通型玻璃絕緣子，耐張串一般采用雙傘型瓷絕緣子或普通型玻璃絕緣子。
2.對(duì)于中度及以上污穢區(qū)，懸垂串一般采用合成絕緣子，V形串一般也采用合成絕緣子，而耐張串則宜采用雙傘型瓷絕緣子或普通型玻璃絕緣子。
3.對(duì)于重冰區(qū)，復(fù)合絕緣子覆冰后，會(huì)失去憎水性，且復(fù)合絕緣子傘裙較小，相鄰兩傘裙易被冰凌橋接，絕緣性能下降嚴(yán)重，故在重冰區(qū)更傾向于采用雙傘型瓷絕緣子或普通型玻璃絕緣子。此時(shí)，懸垂串一般采用雙傘型瓷絕緣子或普通型玻璃絕緣子，V形串一般采用雙傘型瓷絕緣子或普通型玻璃絕緣子，耐張串一般采用雙傘型瓷絕緣子或普通型玻璃絕緣子。
4.對(duì)于高海拔地區(qū)，懸垂串一般采用合成絕緣子，V形串一般也采用合成絕緣子，而耐張串則采用雙傘型瓷絕緣子或普通型玻璃絕緣子。
5.由于三傘型瓷絕緣子結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高，目前在實(shí)際工程中的應(yīng)用沒(méi)有雙傘型瓷絕緣子廣泛。
