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(1.国网河南省电力公司电力科学研究院，郑州 450052; 2.国网河南省电力公司 三门峡供电公司，河南 三门峡 472000; 3.电气与电子工程学院，强电磁工程 与新技术国家重点实验室(华中科技大学)，武汉 430074)

0 引言

我国经济正在处于高速发展时期，目前的特高压线路仍不能满足持续增长的输送能力要求，仍需要不断推进特高压等级电网的建设，带动电力工业的结构优化，满足经济社会的持续快速发展。按照国家电网公司规划，到2020年前后国家电网特高压骨干网架将基本形成，跨区输送容量将超过2亿千瓦，占全国总装机容量的20%以上。届时，由周边国家向中国远距离、大容量跨国输电将成为可能[1]。

特高压线路承担跨区电能输送任务，承担国网公司构建“全球能源互联网”历史使命，同时由于电压等级和输电容量的缘故，特高压线路一旦因为绝缘子问题出现故障跳闸或闭锁将会造成巨大经济损失，甚至可能出现大范围停电从而影响社会和谐安全，因此，开展特高压线路交直流工程用大吨位绝缘子运行特性的跟踪分析评估研究，调查我国现有特高压线路大吨位绝缘子的使用情况以及运行过程中出现的问题，对于我国特高压线路的建设和大吨位绝缘子的使用都有着重要的意义[2-3]。

1 特高压大吨位绝缘子基本介绍

目前在特高压工程中使用的大吨位绝缘子主要为额定拉力420 kN及以上绝缘子，形式主要包括：瓷、玻璃绝缘子，喷涂RTV涂料的瓷、玻璃绝缘子及复合绝缘子[4-5]。其中，耐张串一般采用瓷绝缘子，在山区、丘陵等地采用玻璃绝缘子，重污秽区域采用复合绝缘子[6]，如图1所示。

图1 特高压交直流线路使用绝缘子类型Fig.1 Type of insulator for UHV AC and DC transmission lines

特高压交流输电线路采用300、420、550 kN型盘形悬式瓷和玻璃绝缘子，其中300、420 kN普通型盘形悬式瓷和玻璃绝缘子在特高压输电线路中使用广泛，已经积累了大量运行经验，550 kN等级的绝

缘子的运行经验相对较少。对于复合绝缘子而言，特高压交流线路的使用等级在210～550 kN范围内，它的主要尺寸和技术参数如表1所示。

表1 1 000 kV复合绝缘子主要尺寸及技术参数Table 1 Main dimensions and technical parameters of 1 000 kV composite insulator

直流绝缘子和交流绝缘子在运行过程中所处的电压类型不同，它们在积污和污闪特性方面具有明显的不同，具体表现在：1)直流绝缘子所处电场为单向电场，表面积污相较于交变电场下的交流绝缘子而言要更为严重，一般要高于交流绝缘子一倍；2)即便积污情况相同，直流绝缘子的污闪电压也要低于交流绝缘子，一般要低15%～30%。在设计和制造时需要考虑二者的这些差异，特高压直流工程线路用瓷绝缘子示意图如图2所示，特高压直流输电线路用盘形悬式绝缘子技术参数如表2所示。

(a)三伞型直流瓷绝缘子

(b)钟罩型直流瓷绝缘子图2 特高压直流工程线路用瓷绝缘子示意图Fig.2 Schematic diagram of porcelain insulators for UHV DC transmission line

种类型号额定负荷/kN结构高度/mm盘径/mm钟罩型U210B/170H210170320U300B/195H300195400U420B/250H420205340U550B/240H520240380三伞型U210B/170T210170340U300B/195T300195400U420B/205T420205400U550B/240T550240400

除此之外，在新建特高压直流线路悬垂串上越来越多的使用高温硫化硅橡胶复合绝缘子，在±800 kV直流线路上使用的复合绝缘子的技术参数如表3所示。

表3 ±800 kV特高压直流线路复合绝缘子技术参数Table 3 Technical parameters of composite insulators of ±800 kV UHV DC transmission line

目前我国线路上批量使用的绝缘子中，机械强度最高已经达到550 kN，2012年我国研发出760 kN大吨位盘形悬式绝缘子和玻璃绝缘子，并已经通过鉴定，已有多个制造厂家生产的760 kN盘形绝缘子在±800 kV特高压直流工程中试挂。输电线路耐张串应用大吨位绝缘子，可以有效降低绝缘子联数，简化金具串型和铁塔挂点，提高工程可靠性，并能够在批量应用后有效降低工程建设成本。

2 特高压大吨位绝缘子挂网情况

根据国家电网公司发展规划，公司以构建“三华”特高压同步电网为目标，力争2020年建成“五纵五横”特高压交流网架和27回特高压直流工程。截止至2014年底，国网范围110(66)kV以上的架

空输电线路的长度为794 065.8 km，其中特高压交流1 000 kV输电线路的长度为3 099.327 km，特高压±800 kV直流输电线路的长度为7 793.029 km，如表4所示。

表4 截至2014年底特高压输电线路长度Table 2 UHV transmission line length by the end of 2014

在全国范围内，国网河南、浙江和湖南省电力公司运维特高压1 000 kV交流和±800 kV直流线路长度占比很大，具体长度如表5所示。

表5 三省电力公司特高压线路运维情况Table 5 Operation and maintenance of UHV power lines in three provinces

截止2014年底，三省公司共计运维特高压交流1 000 kV线路1 528.1 km，占全国1 000 kV线路长度49.3%；运维特高压直流±800 kV线路1 945.7 km，占全国±800 kV线路长度25.0%。(截至2014年底1 000 kV线路共计3 099.3 km；±800 kV直流线路7 793.0 km)。另外考虑到所选三省运维特高压交直流线路上选用的绝缘子类型涵盖了瓷、玻璃绝缘子(含涂敷RTV后的绝缘子)和复合绝缘子，同时覆盖全国典型地形如盆地、山地、丘陵、严寒，典型气候如温带-亚热带、湿润-半湿润季风气候、暖温带、亚热带、亚热带季风湿润气候，因此本文选取河南、浙江和湖南作为取样调研对象。

经过调研统计，三省特高压交直流线路共计使用各类绝缘子56 863串，其中玻璃绝缘子7 836串、瓷绝缘子19 551串、复合绝缘子29 476串。而在这些绝缘子中共有大吨位绝缘子30 630串，其中玻璃绝缘子7 554串、瓷绝缘子12 060串、复合绝缘子11 016串，分别占比为96.40%、56.57%、37.37%。大吨位绝缘子的使用占绝缘子总数的比例如图3所示。

图3 大吨位绝缘子的使用占比情况Fig.3 Proportion of the use of large tonnage insulators

按照悬挂类型来看，三省特高压交直流线路共计使用耐张串大吨位绝缘子16 658串，悬垂串大吨位绝缘子15 318串，如图4所示。

图4 大吨位绝缘子悬挂类型情况Fig.4 Suspension type of large tonnage insulators

按照吨位分布来看，三省特高压交直流线路上使用的大吨位绝缘子一共涉及420 kN、550 kN和760 kN三个吨位，其中760 kN只在河南省天中线上悬挂了6串，使用较少，大部分绝缘子属于420 kN和550 kN两个等级，如图5所示。

图5 大吨位绝缘子吨位分布情况Fig.5 Tonnage distribution of large tonnage insulators

随着特高压线路的发展，与之相对应的绝缘子的生产和应用也得到了长足的进步，目前国内大吨位绝缘子生产厂家越来越多地涌现，且其产品已经广泛应用于特高压交直流线路，能够满足各个电压等级的需要。

3 特高压大吨位绝缘子主要运行故障

3.1 运行总体情况

随着我国特高压线路的快速发展，用于特高压线路的大吨位绝缘子的数量越来越多，它们在这些高电压等级的交直流线路上表现出了优良的性能。然而，由于特高压线路电压等级较高，线路上的大吨位绝缘子承受的电压高，导致其需要负载更大的机械载荷，机电特性、安全运行性能面临更大考验。2010年至2014年，有记录的特高压交、直流线路绝缘子的故障类型及次数如表6所示。

表6 2010年至2014年特高压线路绝缘子故障类型及次数Table 6 Type and frequency of insulator fault in UHV transmission lines from 2014 to 2010

特高压交、直流大吨位绝缘子各种故障类型所占比例情况如图6所示。

图6 特高压交、直流大吨位绝缘子各种故障类型所占比例Fig.6 Proportion of various types of faults in large tonnage insulators of UHV AC and DC lines

依照特高压交直流线路上使用的绝缘子类型来看，各种故障主要可以总结分为三类，即玻璃绝缘子自爆、瓷质绝缘子低零值和复合绝缘子伞裙破损。

3.2 大吨位玻璃绝缘子自爆

国内某特高压直流±800 kV线路巡视时发现某区段线路耐张塔钢化玻璃绝缘子自爆117片，绝缘子自爆率为0.1%，超出规程要求，如图7所示。

图7 特高压直流±800 kV玻璃绝缘子自爆Fig.7 Blew of UHV DC ±800 kV glass insulator

湖南电网三大特高压线路有玻璃绝缘子挂网运行的是±800 kV宾金线和锦苏线。±800 kV宾金线自2014年投运以来，共计自爆大吨位玻璃绝缘子共23片，自爆率0.184‰；±800千伏锦苏线自2012年投运以来，共计自爆大吨位玻璃绝缘子56片，自爆率0.0232%。

玻璃绝缘子具有零值自爆的特点，检测方便，在实际运维中可以减少人工测量的工作量，同时遭遇闪络故障时不易发生掉串事故，因而在电网运行中得到了越来越广泛的应用。但是，一旦发生玻璃绝缘子的自爆事件，可能会对输电线路的安全稳定运行造成重大威胁，更为严重的是，短时间内的玻璃绝缘子集中自爆甚至会引起线路的跳闸故障[7-8]。

玻璃绝缘子的自爆是由其自身内部玻璃件的钢化应力不均匀导致的。自爆现象一般用自爆率进行评估，而自爆率又与绝缘子的老化相挂钩。一般而言，瓷和复合绝缘子的老化具有后期暴露的特点，随着运行时间的延长，老化程度不断加深，自爆率也随之上升[9]。而玻璃绝缘子的老化属于早期暴露现象，其自爆率随着运行时间的增长呈现下降趋势并最终稳定在一定水平上。

玻璃绝缘子在运行过程中受到电场力和线路机械力的作用，长期的影响下会使得玻璃绝缘子本身逐渐劣化。这时，如果制造不合理导致内部存在缺陷如含有杂质或者突然承受外界的较大冲击力，则维持玻璃体结构的应力平衡受到破坏，从玻璃体内部释放出较大的冲击张力，使绝缘子爆炸毁坏，即发生“自爆”。

从玻璃绝缘子自爆的原因来看，主要可以分为内因和外因两个部分。其中，玻璃绝缘子内部是否含有杂质微粒是影响绝缘自是否自爆的主要原因。在绝缘子制造过程中，一旦混入石英颗粒、混浊原料等杂质，由于它们与玻璃颗粒的热膨胀系数不同，容易扰乱玻璃体内部应力的分布，降低在受到外界热干扰和应力冲击时的承受能m力，就极易发生自爆。从外因来看，裸露的玻璃绝缘子受到的较大的温差变化、长期污秽沉积和外界应力冲击等均会提高自爆几率。尤其是当几种因素共同作用下，表面电流上升引发局部放电导致绝缘程度下降，最终引起击穿。

3.3 大吨位瓷质绝缘子低零值

某特高压交流1 000 kV线路瓷质绝缘子钢帽有持续放电现象，现场照片如图8所示。

图8 放电现象Fig.8 Discharge phenomenon

湖南省±800 kV宾金线自投运以来，于2016年停电检修期间通过零值检测发现1601号存在2片低零值绝缘子。

绝缘子随着运行年限的增长，由于长期受到自然环境的影响，会逐渐向老化状态发展，具体表现就是绝缘水平的下降。对瓷质绝缘子而言，其老化就是指绝缘性能降低到达零值，两端绝缘电阻很低，通常将其称作零值绝缘子[10]。

悬式瓷绝缘子主要由四部分构成，分别为铸钢帽、水泥交合部分、瓷质部分和连接杆，其中瓷质部分是其中的主要绝缘部件。我国一直以来在瓷质绝缘子的制造工艺上普遍采用长石、石英和黏土作为主要原材料。由于这些不同材料的热学性能存在较大差异，受热时的膨胀系数各不相同，当外界环境的温度变化较大时，各材料组分延展和收缩幅度不均，在瓷绝缘件内部产生很大的轴向压应力和切向剪应力，积累到一定程度时就会使绝缘件断裂击穿，绝缘性能下降成为零值绝缘子[11]。同时，瓷质材料自身强度较低的特点以及可能产生的剥釉剥砂现象,也会加深瓷质绝缘子在使用过程中,对外界温度变化和外加机械应力的反应程度，加快瓷件的破坏进程。

正如前面所述瓷质绝缘子与玻璃绝缘子老化进程存在差异，瓷质绝缘子的老化具有后期暴露的特点，随着运行时间的增长，其机电性能逐渐衰减。有相关资料显示，悬式瓷绝缘子在运行早期(开始运行2～3年)和运行一段时间后(20年左右)劣化情况较严重。我国每年特高压交、直流线路中悬式瓷绝缘子的平均劣化率达到千分之六，而日本仅仅只有十万分之二左右，说明绝缘子的生产和运维水平还有较大的提升空间。

3.4 大吨位复合绝缘子伞裙破损

某特高压交流1 000 kV线路年度检修中发现复合绝缘子(悬垂串)伞裙破损穿孔、撕裂，现场照片如图9所示。

图9 交流线路伞裙破损现场图Fig.9 AC line umbrella skirt damage site map

在±800 kV直流线路上，也有大吨位复合绝缘子伞裙破损现象的发生，现场图如图10所示。

图10 直流线路伞裙破损现场图Fig.10 DC line umbrella skirt damage site map

复合绝缘子伞裙破损主要有三个方面的原因。首先是复合绝缘子自身材料因素的影响。瓷和玻璃属于无机材料的范畴，而复合绝缘子的伞裙护套采用的有机硅橡胶则是有机材料[12]。与无机材料不同的是，使有机材料中各元素分子结合的作用力是共价键的键和力，其作用程度较弱，共价键容易断裂，构成有机材料的大分子团不稳定，因此其老化速度要明显快于瓷和玻璃等无机材料。

另一个原因是绝缘子表面放电尤其是电晕放电的影响。当电网中产生过电压时，绝缘子表面电场强度上升，当达到0.5～ 0.7 kV/cm，且在受潮状况下，绝缘子表面就会产生电晕放电现象。电晕放电会产生臭氧并制造高温环境。其中臭氧会对绝缘子表面的有机硅橡胶产生较强的氧化作用，加速绝缘子绝缘性能的退化；同时产生的高温环境也对有机材料内部的各种化学反应有促进作用，不仅加速有机硅橡胶内部共价键的断裂，还会引起交联反应的发生[13-14]。

此外，外界环境诸如紫外线、高温、污秽沉积和降水等也对复合绝缘子伞裙破损有一定影响[15]。酸雨侵蚀绝缘子表面护套并制造潮湿环境，长期的污秽积累降低绝缘子表面耐压水平，使表面放电得以发生。表面放电过程中产生的热量和臭氧又会造成局部温升，加速各种化学反应进程[16]。在多种因素的作用之下，绝缘子表面伞裙的破损以及绝缘性能的下降以一个较快的速度发展。

4 结论

对全国几个主要省份特高压大吨位绝缘子的使用情况进行了调研分析，对其挂网情况和运行过程中的主要故障进行了讨论。针对不同类型的大吨位绝缘子，分别对其故障类型和机理进行了分析。最后得到以下结论：

1)特高压线路上大吨位瓷绝缘子使用数量最多，而大吨位玻璃绝缘子在同类型绝缘子中占比最高，达到96.40%；耐张串和悬垂串比例相当，占比分别为51.95%和48.05%；吨位主要分布在420 kN和550 kN这两个等级，且550 kN占比较高，比例为62.07%。

2)特高压交、直流线路上所发生的各类故障中，发生频次最高的为玻璃绝缘子自爆和瓷质绝缘子低零值，其次为复合绝缘子伞裙破损。

3)大吨位玻璃绝缘子自爆原因是内部杂质影响和外部温差、污秽和应力作用；瓷质绝缘子各种结构物质热膨胀系数不同是其开裂击穿形成低零值的主要原因；复合绝缘子硅橡胶伞裙护套的材料缺陷与电晕放电的产生容易引起伞裙破损。