復合耐張絕緣子在750 kV輸電線路中的應用

2013-02-13 09:25:46米凱張永全呂新東范衛東潘曉冬

電力建設 2013年2期

米凱，張永全，呂新東，范衛東，潘曉冬

(1.西北電力設計院，西安市710075;2.新疆電力公司750工程建設公司，烏魯木齊市830002)

0 引言

隨著工業化進程的加快，我國大氣污染程度日益加重，750 kV交流線路的污閃將會對電力系統造成巨大沖擊。采用復合絕緣子能夠有效降低塔頭尺寸，提高750 kV絕緣子串的耐污閃能力。另外，大噸位復合絕緣子還有重量輕、憎水性好、后期維護費用低等優良特性。但是，長期蠕變特性會導致復合絕緣子機械性能下降，使其抗彎曲、扭轉性能不足［1］，所以，復合絕緣子主要是用于750 kV輸電線路的懸垂串，而在耐張串中則很少使用。

為解決復合絕緣子在750 kV輸電線路耐張串的應用問題，需要對很多方面做進一步研究，包括復合絕緣子的設計生產工藝、安裝維護過程中的保護措施以及合理選取復合絕緣子和耐張串并聯數等。已有文獻經過大量理論計算和試驗證明［2］，通過合理選取復合絕緣子，其機械性能完全能夠保證線路順利運行。本文主要以復合絕緣子的設計生產工藝及其安裝維護過程作為研究對象，旨在通過這2個方面的保護措施來確保750 kV線路的安全運行。

1 耐張復合絕緣子設計生產過程的措施

復合絕緣子在使用過程中會出現如芯棒脆斷、機械強度下降、界面擊穿等事故，另外，性能老化也一直是個不可避免的問題［3］。為此，分別從傘形研究、芯棒脆斷及防護措施2個方面對耐張復合絕緣子的設計生產過程進行研究。

1.1 傘形研究

(1)積污特性研究。耐張串一般水平布置，由于其傘裙在水平方向表面積很小，雨水能夠自上而下地沖洗絕緣子上下表面，因而表面污穢較少;而懸垂串則通常垂直布置，其傘裙在水平方向表面積很大，雨水很難沖洗到傘裙的下表面，所以污穢容易在表面沉積。

除此之外，絕緣子積污受風的影響更為嚴重，可以采用fluent軟件建立“一大一小”傘結構復合絕緣子模型來計算復合絕緣子的積污特性［4］(圖1)。

圖1 流場速度矢量俯視圖Fig.1 Top view of flow field velocity vector

根據仿真結果和復合耐張絕緣子的特點，可通過以下幾點措施來優化設計耐張串復合絕緣子的傘形結構:1)使上傘的傾角≤15°，下傘的傾角＜5°;2)由于重力在積污特性中影響小，按爬電比距要求選擇絕緣子傘徑即可;3)傘間距不宜過小，否則不利于傘群附近空氣流動，會導致積污過多。

(2)污閃特性研究。復合絕緣子的傘裙結構與污閃電壓之間存在一定關系，通過傘群結構的優化可以很大程度地提高復合絕緣子污閃電壓和爬電距離利用率。

在污閃特性上，相對于懸垂絕緣子來說，水平放置的耐張絕緣子引起傘裙間電弧橋接的幾率更小;耐張絕緣子的電弧容易因電弧產生熱浮力發生飄弧，有利于電弧熄滅，傘裙間的游離氣體也容易逸出。因此，在同等污穢條件下，耐張串絕緣子的污閃電壓不低于懸垂串絕緣子。

(3)爬電比距的有效性。選取3種不同傘裙結構的復合絕緣子，對它們的單位爬電距離進行比較，如表1所示。

由表1可以看出，2號和3號絕緣子爬電距離分別比1號增加約5.3%和14%;在鹽密0.05 mg/cm2的情況下，2號和3號絕緣子單位爬電距離分別比1號降低約9.9%和20.2%;在鹽密0.1 mg/cm2的情況下，2號和3號絕緣子單位爬電距離分別比1號降低9.0%和15.8%。同表2是這3種復合絕緣子單位絕緣高度污閃電壓的比較。

由表2可以看出，在鹽密0.05 mg/cm2的情況下，2號和3號絕緣子單位絕緣高度污閃電壓分別比1號降低5.1%和8.9%;在鹽密0.1 mg/cm2的情況下，2號和3號絕緣子單位絕緣高度污閃電壓分別比1號降低4.3%和4.3%。

由以上數據可以得出，復合絕緣子的傘形設計不能僅考慮爬電距離而忽視其他因素(如傘徑、傘間距、大小傘的搭配等)，單獨增加爬電距離會導致污閃電壓降低，這說明傘裙結構的優化對于提高污閃電壓具有重要意義。通過理論分析可知，當傘間距與傘伸出之比降低時，絕緣子表面的閃絡有可能不沿著傘表面發展，而從傘邊緣直接橋接，這樣會導致爬距有效性降低［5］，限制污閃電壓的提高(根據IEC標準，傘間距與傘伸出之比應大于0.8)。因此，要加大爬電比距，就必須同時加大絕緣子的結構高度。

圖2 傘形尺寸參數標注Fig.2 Parameters of umbrella size

綜上所述，耐張串復合絕緣子的推薦傘形為(傘形尺寸如圖2所示):1)可采用“一大一小”或者“一大二小”結構，相鄰大傘間距為95～105 mm，或者采用2傘5組合結構，相鄰大傘間距為140～160 mm;2)大小傘伸出差滿足:p1－p2≥15 mm，p1－p2≥0.18 p1;3)傘間距與傘伸出之比滿足:s/p≥0.8;4)傘傾角滿足:0°≤α≤20°，0°≤β≤5°;5)爬電系數為 3.5 ～4.0，對用于最高污穢等級環境下的絕緣子，推薦CF不大于 4.1［6］。

1.2 芯棒脆斷及防護措施

芯棒是玻璃纖維增強類復合材料，其脆斷負荷遠低于正常斷裂負荷，斷口平滑，斷面基本垂直于芯棒軸向受力方向。經過對芯棒進行酸蝕試驗可以得出，長時間酸蝕是造成芯棒脆斷的重要原因。酸的來源主要是弱硝酸以及酸雨，其中弱硝酸是復合絕緣子高壓端空氣中的氮氣和水在強電場作用下產生的，它會通過端部密封部分直接與芯棒接觸或者沿著復合絕緣子裂紋慢慢侵蝕芯棒里的玻璃纖維，導致玻璃纖維變脆，形成脆斷層并促使脆斷層不斷擴大，直至絕緣子發生斷裂。基于芯棒脆斷的機理，可采取以下措施來防止復合絕緣子芯棒的脆斷。

(1)改善端部密封［7］。為防止潮氣沿著密封面侵入護套內部腐蝕芯棒，關鍵是要阻斷潮氣侵入途徑。在結構設計方面，具體可采取延長密封區長度、端部加裝密封圈、端部加裝楔形槽結構等方法(見圖3)。

圖3 端部密封結構Fig.3 Seal structure of end

在材料性能方面，可通過改善硅橡膠，利用有機物與硅羥基反應，降低氣相法白炭黑表面羥基數量，使白炭黑表面由親水性變為疏水性，提高它同聚合物的親和性;提高硅橡膠的各項性能。在工藝改進方面，可以采用整體注射工藝壓接式合成絕緣子。

(2)提高芯棒強度。在壓接過程中，可以采用聲發射監控儀來檢測壓接質量，確保無欠壓、過壓和壓斷等現象，保證復合耐張絕緣子運行50年后機械強度不低于其額定的機械負荷(在90%概率下)。另外，使用耐酸耐高溫芯棒，對于減少芯棒注射過程中出現的高溫損傷現象以及防止脆斷也具有明顯的效果。

2 耐張復合絕緣子施工檢修技術

2.1 施工技術

根據復合絕緣子的特性并結合耐張絕緣子串設計特點，以及參考以往超高壓施工和國外類似工程安裝的施工經驗，經初步策劃形成以下2種出線方案:一是以復合絕緣子自身作為支撐，在其外部增加保護罩(見圖4)，以避免人員通過時造成損傷;二是設置專用施工出線工具和作業平臺，包括吊橋法(見圖5)、吊籃法、增加工具絕緣子等方法［8］。經過試驗及工程試用后，最終選擇確定最優方案。在施工中要正確安裝均壓裝置，仔細調整環面，使之與絕緣子軸線垂直，開口型均壓環還需注意兩端開口方向的一致性。

2.2 檢修技術

當復合絕緣子成功應用于耐張串后，如何到達導線端仍是需要考慮的一個重要問題。電力行業標準DL/T 864—2004《標稱電壓高于1 000 V交流架空線路用復合絕緣子使用導則》中規定:“檢查巡視時禁止踩踏絕緣子傘套”，因此，作業人員不能沿著復合絕緣子表面從鐵塔端到達耐張串導線端，為保護復合絕緣子，這項要求在750 kV輸電線路中同樣適用。如果確實需要到達耐張串的導線端工作(如檢查導線、修補導線或更換閃絡的復合絕緣子等)，線路檢修人員可以通過穿膠底鞋踩在絕緣子上挪動，或使用絕緣硬梯(圖6)［9］、軟梯(圖7)或跳線(圖8)到達導線側［10］。運行巡視時，還要注意復合絕緣子的連接部位是否完好，有無密封失效、裂縫和滑移現象，以及傘套是否有脆化、粉化、破裂、腐蝕等現象，如有則應及時更換。