復合絕緣子耐張串安全系數取值的建議

吳慶華，汪雄，王昕

(1.中南電力設計院，武漢市 430071;2.南方電網超高壓輸電公司，廣州市 510620)

0 引言

目前，復合絕緣子串大量用于電網工程，在防污閃方面發揮了很大作用。高壓輸電線路中復合絕緣子大多用于懸垂串，也有少量用于耐張串。設計規程針對盤式絕緣子規定了最大使用荷載條件下，絕緣子機械強度安全系數取2.7。當復合絕緣子被大量使用后，根據其特點和運行經驗，設計規程做出了新的規定。新規定中棒式絕緣子(其中包括復合絕緣子)最大使用荷載條件下機械強度安全系數取3.0，高于盤式絕緣子;絕緣子在正常運行的常年荷載下滿足機械強度安全系數不小于4.0。

復合絕緣子在長期機械負荷作用下存在蠕變，其機械強度會降低［1-5］。為有效控制復合絕緣子質量，IEC 61109—2008標準對復合絕緣子蠕變斜率做出了規定:長期蠕變特性曲線的斜率取8%，短時破壞強度相對標準偏差取8%。我國特高壓工程考慮到工程的重要性和已提升的生產技術水平，上述2個絕緣子控制值相對IEC 61109—2008標準都有所提高，分別為 4%和 5%［6］。

盡管復合絕緣子存在長期蠕變問題，但制造和工程設計時采取了相應的技術控制措施，復合絕緣子懸垂串還是得到了廣泛應用，且運行中總體表現良好，并未因蠕變出現絕緣子故障。復合絕緣子長期蠕變與其受力直接相關，當用于耐張串時，蠕變特性與懸垂是否一致需要注意。目前，復合絕緣子耐張串用量較少，且運行時間短，暫時未有相關絕緣子故障報道。為了確保長期使用過程中，復合絕緣子耐張串機械性能滿足使用要求，有必要對復合絕緣子耐張串設計安全系數取值進行研究。

1 懸垂串和耐張串受力比較

考慮2種典型的氣象區:無冰區，最大風速為27 m/s，年平均氣溫為20℃，最低氣溫為-5℃;有冰區，最大風速為27 m/s，年平均氣溫為15℃，最低氣溫為-10℃，覆冰為10 mm，最高氣溫為40℃。水平檔距取600 m，垂直檔距取800 m，代表檔距取600 m。導線選取6×LGJ-630/45型。導線的計算拉斷力為148.7 kN，設計最大允許張力為56.46 kN，年平均氣溫條件下張力為35.26 kN。不同氣象條件下懸垂串和耐張串的受力計算結果如表1所示。

表1 不同氣象條件下絕緣子串的受力計算值Tab.1 Stress calculated value of insulator string in different meteorological conditions

由表1可以得出以下幾個結論:

(1)耐張串與懸垂串受力比。當水平檔距取600 m，垂直檔距取800 m時，耐張串與懸垂串受力比為2.1～2.3;當垂直檔距由1 000 m變化到600 m(水平檔距、代表檔距考慮相應的變化)時，耐張串與懸垂串受力比由3.1變化到1.6，耐張串的受力遠大于懸垂串。

(2)絕緣子串受力的變化，即負荷波動區間。懸垂串在無冰區中最大最小負荷差為29.8 kN，為最大負荷的23.5%;而耐張串在無冰區中最大最小負荷差為71.7 kN，為最大負荷的26.0%。懸垂串在有冰區中最大最小負荷差為59.1 kN，為最大負荷的37.9%;而耐張串在有冰區中最大最小負荷差為135.9 kN，為最大負荷的40.2%。耐張串最大最小負荷差不僅比懸垂串的大，而且占最大負荷的比例也高，這說明耐張串的受力狀態比懸垂串惡劣。研究發現，動載條件下絕緣子的抗疲勞能力會下降。

(3)絕緣子機械強度的控制氣象條件。在無冰區，絕緣子機械強度控制條件為常年荷載(年平均氣溫)下滿足安全系數不小于4.0;最大負荷條件出現在最大風時，懸垂串、耐張串安全系數均為3.06。在有冰區，絕緣子機械強度控制條件是安全系數3.0，最大負荷條件出現在覆冰條件下。懸垂串常年荷載(年平均氣溫)下安全系數為4.83，耐張串常年荷載(年平均氣溫)下安全系數為4.79，耐張串的安全儲備不比懸垂串好。

(4)絕緣子機械強度的選擇根據使用條件進行。理論上，耐張串的實際使用機械強度可以采用100%允許使用機械強度，而懸垂串的機械強度的數學期望值是100%允許使用機械強度，實際為70% ～100%允許使用機械強度。試驗發現，短時機械強度過高的絕緣子試品，其長期蠕變性能往往變差。

因此，耐張串機械性能的運行環境比懸垂串惡劣得多。

2 氣候條件變化引起的負荷波動

氣候條件變化導致的負荷波動變化對復合絕緣子機械強度是有影響的。高頻的負荷振動對復合絕緣子機械強度的影響有較多研究，但低頻的負荷振動對復合絕緣子機械強度的影響未見報道。對于存在蠕變特性的復合絕緣子來說，需要研究這種變化的特點。

針對絕緣子受力變化，氣候條件中的主要影響因素有風速、覆冰和溫度等。其中，溫度變化在一般檔距下對懸垂串受力影響不大。以百色、楚雄和宜賓3個城市的氣象記錄為條件，進行溫度變化對耐張串影響的研究。

百色市氣象站某年2、6、10月逐日最高氣溫如圖1所示，2月份最高氣溫變化時絕緣子串的受力如圖2所示。從圖2中可以看出，高溫條件下絕緣子串張力的變化在1個月內大約經歷了3個周期，平均10天變化1次，變化幅度約為5%。

圖3是以百色、楚雄和宜賓3個城市某年逐月平均最低氣溫條件得出的絕緣子串受力。從圖3中可以看出，在月平均最低氣溫條件下絕緣子串張力的變化在1年中經歷了1個周期，變化幅度為2% ～5%。

圖3 三地逐月平均最低氣溫時的絕緣子串張力變化Fig.3 Stress of insulator string of three cities in monthly mean minimum temperature condition

考慮實時氣溫變化，同時計及風或冰的作用，絕緣子串受力的變化幅度巨大，且表現為復雜的多頻變化。從表1可以看出，隨著設計氣象條件的變化，絕緣子最大負荷是常年負荷的1.3～1.6倍，極端條件下絕緣子最大負荷是常年負荷的1.4～1.7倍。

3 耐張串設計安全系數取值的建議

目前，復合絕緣子設計安全系數的取值是基于絕緣子50年蠕變特性確定的［7］。絕緣子的額定機械負荷在50年中以蠕變斜率直線下降至最低持續耐受負荷。根據復合絕緣子試驗數據，復合絕緣子的短時破壞強度一般為其額定機械負荷的1.5～1.65倍。按照4%的蠕變斜率，可以求得復合絕緣子運行50年后的機械強度為其額定機械負荷的1.0～1.1倍。由此可以看出，當蠕變斜率取4%時，復合絕緣子運行50年后的機械強度不低于其額定機械負荷(90%概率)。

通過選擇恰當的約束條件，使得絕緣子在各種工況下的實際負荷始終在額定機械負荷至最低持續耐受負荷這根下降的直線之下，并保持一定的安全裕度，便可保證絕緣子的安全運行。當絕緣子瞬間最大運行負荷小于最低持續耐受負荷時，便可保證絕緣子長時間安全運行。

同時為了盡量減少復合絕緣子的蠕變，絕緣子常年負荷也不宜大于短時破壞強度的15%。

當絕緣子瞬間最大運行負荷小于最低持續耐受負荷時，可以推導出設計穩態負荷與絕緣子額定機械負荷安全系數為2.9～3.1。當常年負荷小于短時破壞強度的15%時，可以推導出常年負荷與絕緣子額定機械負荷安全系數約為4.0。50年后2個安全系數分別下降為2.1和2.8。規程規定，棒式絕緣子最大使用荷載安全系數不小于3.0，常年荷載安全系數不小于4.0［8-9］，但是以上安全系數取值并未區別耐張串和懸垂串。

4 結語

耐張串的運行環境比懸垂串惡劣，絕緣子串設計的安全系數應有所區別。考慮到耐張串長期受力大、受氣象條件影響嚴重、實際安全儲備低等多種因素，建議最大使用荷載條件下機械強度安全系數取3.5，正常運行常年荷載條件下滿足安全系數不小于4.5。這樣，50年后2個安全系數分別下降后，不小于懸垂串的安全系數2.1和2.8。

［1］GB 50545—2010 110～750 kV架空輸電線路設計規范［S］.

［2］吳慶華，謝幫華.輸電鐵塔中相采用T型串減小塔窗尺寸的分析［J］.電力建設，2011，32(4):39-41.

［3］吳慶華，李健，萬志方，等.500 kV單回路耐張塔邊相跳線直跳上繞布置［J］.電力建設，2009，30(12):14-17.

［4］盧明，馬曉久，閻東，等.復合絕緣子芯棒脆斷原因分析［J］.電磁避雷器，2007(4):1-4.

［5］梁曦東，戴建軍.防護復合絕緣子芯棒脆斷的方法［J］.中國電機工程學報，2006，26(10):138-142.

［6］GB/T 19519—2004標稱電壓高于1 000 V的交流架空線路用復合絕緣子:定義、試驗方法及驗收準則［S］.

［7］梁曦東，薛家麒.棒形懸式合成絕緣子許用負荷的選取方法［J］.中國電力，1994(8):35-38.

［8］石玉東.220 kV瓷芯復合絕緣子耐張串的設計與應用［J］.電力建設，2008，29(11):49-51.

［9］張福林，陳虹麗，王黎明.復合絕緣子振動蠕變特點及試驗參數的確定［J］.電磁避雷器，2004(4):1-4.