DQZHAN技術(shù)訊：特高壓交流輸電線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)運行可靠性的同時抑制設(shè)備制造成本。
特高壓交流輸電線路絕緣子選型
絕緣子的選型是特高壓輸電線路絕緣配合*為重要的內(nèi)容之一。合理確定絕緣子的型式對于在保證電力系統(tǒng)運行的可靠性的同時，控制設(shè)備制造成本有著重要意義。
特高壓線路絕緣子主要有玻璃絕緣子、復(fù)合絕緣子以及瓷絕緣子，在我國特高壓線路中均得到實際應(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機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的長久預(yù)應(yīng)力，使鋼化玻璃的強度增大，熱穩(wěn)定性提高，抗老化性加強，壽命延長。
根據(jù)我國對已運行5～30年的玻璃和瓷絕緣子進(jìn)行的機電性能跟蹤對比試驗，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；運行經(jīng)驗表明，玻璃絕緣子運行40a，機電性能變化不大，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材料硅橡膠，在電暈放電、紫外線輻射、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，對其使用壽命研究需長時間的跟蹤觀察，目前復(fù)合絕緣子只有20多年的運行經(jīng)驗，尚無足夠數(shù)據(jù)支撐。從國內(nèi)外運行經(jīng)驗來看，只要復(fù)合絕緣子能夠保證出廠質(zhì)量，使用壽命達(dá)到10a是沒有問題的。
2、失效率和檢出率
瓷絕緣子的失效表現(xiàn)形式為經(jīng)過長時間運行后，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法從外表看出來，需要通過試驗檢測查出。
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，玻璃傘盤會爆裂破損。玻璃絕緣子在自破后，維修人員可以直接用肉眼觀察到破碎的玻璃傘盤，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)行零值檢測的，其維護(hù)檢測工作量也比瓷絕緣子小得多。另有統(tǒng)計表明，國產(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個數(shù)量級。
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題，也就不需要零值檢測。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”，無法直接觀察，必須使用儀器逐只檢測及更換，導(dǎo)致維護(hù)工作量及費用增加。
3、電氣性能
目前，在我國線路上大量應(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XWP-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。
對以上絕緣子進(jìn)行人工污穢實驗，得到了在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，不同鹽密下各絕緣子單位長度50%閃絡(luò)電壓（kV/m）曲線，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，三傘瓷絕緣子單位長度閃絡(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對比了三種傘形瓷絕緣子的耐污閃性能?？梢钥闯?，傘裙形狀對同種材質(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)電壓也會下降，文獻(xiàn)2提出了海拔高度與閃絡(luò)電壓之間的線性表達(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）時閃絡(luò)電壓，k為下降斜率（km-1），反映海拔高度對閃絡(luò)電壓的影響。
文獻(xiàn)1對低氣壓下絕緣子的閃絡(luò)電壓進(jìn)行了研究，得到不同類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。
特高壓線路絕緣子串的長度是超高壓的兩倍左右。此時，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，使得整個絕緣子串利用率大大降低。因此在選型時，應(yīng)充分考慮絕緣子的均壓設(shè)計。
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，每片絕緣子受對地和對導(dǎo)線的旁路雜散電容的影響相對較小，故整串的電壓分布也較瓷絕緣子更為均勻。這對減小無線電干擾、降低電暈損耗以及延長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。國網(wǎng)電科院分別測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與瓷絕緣子相似，但導(dǎo)線側(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強和電壓分布極不均勻，芯棒和金具連接處場強*高達(dá)6.5kV/cm，而導(dǎo)線側(cè)**個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)致整個絕緣子報廢。實際中，可以通過加裝均壓環(huán)來改善復(fù)合絕緣子端部場強集中的問題。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)形式來解決該問題，即在復(fù)合絕緣子的頭部再串入數(shù)片玻璃絕緣子，由靠近線路側(cè)的玻璃絕緣子來承受*高分布電壓，從而避免復(fù)合絕緣子在強電場下發(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，有溫度極高的電弧流過，表面會留下燒灼痕跡，絕緣子的絕緣性能會遭到破壞。不同的絕緣子耐電弧能力不同。試驗結(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，絕緣強度不會下降，仍可長期運行；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)后絕緣子不會發(fā)生掉串。
玻璃絕緣子發(fā)生自破后，在遭受雷擊時，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)仍不會造成掉串事故。
盤形懸式瓷絕緣子屬可擊穿型絕緣子。隨著運行時間的增長，會出現(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，系統(tǒng)的接地短路造成的工頻續(xù)流通過低值絕緣子片頭部。使氣體急劇膨脹，鐵帽爆炸，導(dǎo)致絕緣子斷串，甚至導(dǎo)線落地。國內(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)密封膠開縫的情況。在高電場下，絕緣子長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，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，已在我國實際工程中得到大量應(yīng)用；玻璃絕緣子有著優(yōu)良的機械和電氣性能：強度高、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，實際運行的非常少，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**，同時還具有優(yōu)越的抗機械沖擊能力，可縮短輸電線路的重建工期，并可降低工程造價。
對于特高壓交流絕緣子串形、型式的選擇，有如下建議:
1.對于輕度污穢區(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.對于重冰區(qū)，復(fù)合絕緣子覆冰后，會失去憎水性，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，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，目前在實際工程中的應(yīng)用沒有雙傘型瓷絕緣子廣泛。
