复合耐张绝缘子在750 kV输电线路中的应用

2013-02-13米凯张永全吕新东范卫东潘晓冬

电力建设 2013年2期

米凯，张永全，吕新东，范卫东，潘晓冬

(1.西北电力设计院，西安市710075;2.新疆电力公司750工程建设公司，乌鲁木齐市830002)

0 引言

随着工业化进程的加快，我国大气污染程度日益加重，750 kV交流线路的污闪将会对电力系统造成巨大冲击。采用复合绝缘子能够有效降低塔头尺寸，提高750 kV绝缘子串的耐污闪能力。另外，大吨位复合绝缘子还有重量轻、憎水性好、后期维护费用低等优良特性。但是，长期蠕变特性会导致复合绝缘子机械性能下降，使其抗弯曲、扭转性能不足［1］，所以，复合绝缘子主要是用于750 kV输电线路的悬垂串，而在耐张串中则很少使用。

为解决复合绝缘子在750 kV输电线路耐张串的应用问题，需要对很多方面做进一步研究，包括复合绝缘子的设计生产工艺、安装维护过程中的保护措施以及合理选取复合绝缘子和耐张串并联数等。已有文献经过大量理论计算和试验证明［2］，通过合理选取复合绝缘子，其机械性能完全能够保证线路顺利运行。本文主要以复合绝缘子的设计生产工艺及其安装维护过程作为研究对象，旨在通过这2个方面的保护措施来确保750 kV线路的安全运行。

1 耐张复合绝缘子设计生产过程的措施

复合绝缘子在使用过程中会出现如芯棒脆断、机械强度下降、界面击穿等事故，另外，性能老化也一直是个不可避免的问题［3］。为此，分别从伞形研究、芯棒脆断及防护措施2个方面对耐张复合绝缘子的设计生产过程进行研究。

1.1 伞形研究

(1)积污特性研究。耐张串一般水平布置，由于其伞裙在水平方向表面积很小，雨水能够自上而下地冲洗绝缘子上下表面，因而表面污秽较少;而悬垂串则通常垂直布置，其伞裙在水平方向表面积很大，雨水很难冲洗到伞裙的下表面，所以污秽容易在表面沉积。

除此之外，绝缘子积污受风的影响更为严重，可以采用fluent软件建立“一大一小”伞结构复合绝缘子模型来计算复合绝缘子的积污特性［4］(图1)。

图1 流场速度矢量俯视图Fig.1 Top view of flow field velocity vector

根据仿真结果和复合耐张绝缘子的特点，可通过以下几点措施来优化设计耐张串复合绝缘子的伞形结构:1)使上伞的倾角≤15°，下伞的倾角＜5°;2)由于重力在积污特性中影响小，按爬电比距要求选择绝缘子伞径即可;3)伞间距不宜过小，否则不利于伞群附近空气流动，会导致积污过多。

(2)污闪特性研究。复合绝缘子的伞裙结构与污闪电压之间存在一定关系，通过伞群结构的优化可以很大程度地提高复合绝缘子污闪电压和爬电距离利用率。

在污闪特性上，相对于悬垂绝缘子来说，水平放置的耐张绝缘子引起伞裙间电弧桥接的几率更小;耐张绝缘子的电弧容易因电弧产生热浮力发生飘弧，有利于电弧熄灭，伞裙间的游离气体也容易逸出。因此，在同等污秽条件下，耐张串绝缘子的污闪电压不低于悬垂串绝缘子。

(3)爬电比距的有效性。选取3种不同伞裙结构的复合绝缘子，对它们的单位爬电距离进行比较，如表1所示。

由表1可以看出，2号和3号绝缘子爬电距离分别比1号增加约5.3%和14%;在盐密0.05 mg/cm2的情况下，2号和3号绝缘子单位爬电距离分别比1号降低约9.9%和20.2%;在盐密0.1 mg/cm2的情况下，2号和3号绝缘子单位爬电距离分别比1号降低9.0%和15.8%。同表2是这3种复合绝缘子单位绝缘高度污闪电压的比较。

由表2可以看出，在盐密0.05 mg/cm2的情况下，2号和3号绝缘子单位绝缘高度污闪电压分别比1号降低5.1%和8.9%;在盐密0.1 mg/cm2的情况下，2号和3号绝缘子单位绝缘高度污闪电压分别比1号降低4.3%和4.3%。

由以上数据可以得出，复合绝缘子的伞形设计不能仅考虑爬电距离而忽视其他因素(如伞径、伞间距、大小伞的搭配等)，单独增加爬电距离会导致污闪电压降低，这说明伞裙结构的优化对于提高污闪电压具有重要意义。通过理论分析可知，当伞间距与伞伸出之比降低时，绝缘子表面的闪络有可能不沿着伞表面发展，而从伞边缘直接桥接，这样会导致爬距有效性降低［5］，限制污闪电压的提高(根据IEC标准，伞间距与伞伸出之比应大于0.8)。因此，要加大爬电比距，就必须同时加大绝缘子的结构高度。

图2 伞形尺寸参数标注Fig.2 Parameters of umbrella size

综上所述，耐张串复合绝缘子的推荐伞形为(伞形尺寸如图2所示):1)可采用“一大一小”或者“一大二小”结构，相邻大伞间距为95～105 mm，或者采用2伞5组合结构，相邻大伞间距为140～160 mm;2)大小伞伸出差满足:p1－p2≥15 mm，p1－p2≥0.18 p1;3)伞间距与伞伸出之比满足:s/p≥0.8;4)伞倾角满足:0°≤α≤20°，0°≤β≤5°;5)爬电系数为 3.5 ～4.0，对用于最高污秽等级环境下的绝缘子，推荐CF不大于 4.1［6］。

1.2 芯棒脆断及防护措施

芯棒是玻璃纤维增强类复合材料，其脆断负荷远低于正常断裂负荷，断口平滑，断面基本垂直于芯棒轴向受力方向。经过对芯棒进行酸蚀试验可以得出，长时间酸蚀是造成芯棒脆断的重要原因。酸的来源主要是弱硝酸以及酸雨，其中弱硝酸是复合绝缘子高压端空气中的氮气和水在强电场作用下产生的，它会通过端部密封部分直接与芯棒接触或者沿着复合绝缘子裂纹慢慢侵蚀芯棒里的玻璃纤维，导致玻璃纤维变脆，形成脆断层并促使脆断层不断扩大，直至绝缘子发生断裂。基于芯棒脆断的机理，可采取以下措施来防止复合绝缘子芯棒的脆断。

(1)改善端部密封［7］。为防止潮气沿着密封面侵入护套内部腐蚀芯棒，关键是要阻断潮气侵入途径。在结构设计方面，具体可采取延长密封区长度、端部加装密封圈、端部加装楔形槽结构等方法(见图3)。

图3 端部密封结构Fig.3 Seal structure of end

在材料性能方面，可通过改善硅橡胶，利用有机物与硅羟基反应，降低气相法白炭黑表面羟基数量，使白炭黑表面由亲水性变为疏水性，提高它同聚合物的亲和性;提高硅橡胶的各项性能。在工艺改进方面，可以采用整体注射工艺压接式合成绝缘子。

(2)提高芯棒强度。在压接过程中，可以采用声发射监控仪来检测压接质量，确保无欠压、过压和压断等现象，保证复合耐张绝缘子运行50年后机械强度不低于其额定的机械负荷(在90%概率下)。另外，使用耐酸耐高温芯棒，对于减少芯棒注射过程中出现的高温损伤现象以及防止脆断也具有明显的效果。

2 耐张复合绝缘子施工检修技术

2.1 施工技术

根据复合绝缘子的特性并结合耐张绝缘子串设计特点，以及参考以往超高压施工和国外类似工程安装的施工经验，经初步策划形成以下2种出线方案:一是以复合绝缘子自身作为支撑，在其外部增加保护罩(见图4)，以避免人员通过时造成损伤;二是设置专用施工出线工具和作业平台，包括吊桥法(见图5)、吊篮法、增加工具绝缘子等方法［8］。经过试验及工程试用后，最终选择确定最优方案。在施工中要正确安装均压装置，仔细调整环面，使之与绝缘子轴线垂直，开口型均压环还需注意两端开口方向的一致性。

2.2 检修技术

当复合绝缘子成功应用于耐张串后，如何到达导线端仍是需要考虑的一个重要问题。电力行业标准DL/T 864—2004《标称电压高于1 000 V交流架空线路用复合绝缘子使用导则》中规定:“检查巡视时禁止踩踏绝缘子伞套”，因此，作业人员不能沿着复合绝缘子表面从铁塔端到达耐张串导线端，为保护复合绝缘子，这项要求在750 kV输电线路中同样适用。如果确实需要到达耐张串的导线端工作(如检查导线、修补导线或更换闪络的复合绝缘子等)，线路检修人员可以通过穿胶底鞋踩在绝缘子上挪动，或使用绝缘硬梯(图6)［9］、软梯(图7)或跳线(图8)到达导线侧［10］。运行巡视时，还要注意复合绝缘子的连接部位是否完好，有无密封失效、裂缝和滑移现象，以及伞套是否有脆化、粉化、破裂、腐蚀等现象，如有则应及时更换。