某500kV送電線路絕緣配合及絕緣子選型研究

摘要：絕緣子是線路主要元件之一，應具有良好的電氣性能和足夠的機械強度。正確選擇導線絕緣子型號對保證線路在各種情況下安全運行十分重要。通過比較幾種不同絕緣子的機械性能、技術性能等，論證500kV縱江至橫瀝送電線路合理的絕緣配置。

關鍵詞：絕緣子；機械強度；絕緣配置

500kV縱江至橫瀝新建段線路總長約2×27km，其中同塔雙回段長約23km，500/220kV混壓四回段長約4km，每相導線截面為4×720mm2。500kV橫東線改接入縱江站后形成500kV縱江至橫瀝送電線路。該線路建成后將成為東莞東南部電網的重要送電通道。因此，正確的導線絕緣配合和絕緣子選型是確保線路安全運行的重要因素。

一、絕緣配合分析

超高壓架空送電線路外絕緣水平主要取決于架空送電線路的工頻電壓、操作過電壓和雷電過電壓。對送電線路而言，絕緣子串長的確定是塔頭尺寸確定及塔頭結構設計的基礎，直接影響線路工程的造價和運行可靠性。[1，2]

絕緣子串長根據污穢等級確定。經現場調查，沿線的污染源主要來自城鎮生活和工業污染、零星磚窯、采石場等。[3]參照2010版《廣東省電力系統污區分布圖冊》，本線路全段屬c級污區。考慮到沿線城鎮經濟發展迅速，建設項目較多，遠期沿線增加污穢源不可預計，本線路全線按d級污區進行絕緣配置。

二、絕緣子選型

絕緣子選型分為絕緣子型式選擇和絕緣子片數選擇。

1.絕緣子型式對比

（1）盤形懸式瓷質絕緣子。盤形懸式瓷質絕緣子是使用最早的絕緣子，目前仍然廣泛使用。但其出現零值時在外觀上不能被發覺。對于瓷質絕緣子的零值率，不同廠家的產品差異較大，據統計國產懸式瓷質絕緣子年老化率總體水平約為萬分之二。

（2）盤形懸式鋼化玻璃絕緣子。其特性上有較明顯的優點：一是出現絕緣零值時會自破。玻璃絕緣子一旦出現缺陷失去絕緣性能就會自動炸碎，而鋼帽和球頭卻不會破壞，仍能保持60%以上的機械強度，不易掉線，傘盤脫落后很易發現而得到及時更換。二是不易老化。試驗證明玻璃絕緣子串比同類型同片數的瓷質絕緣子串擊穿電壓要高10%，而且頭部不擊穿，只是傘盤被擊穿（而瓷質絕緣子則是頭部擊穿）。但一些玻璃絕緣子的自爆率遠沒有達到廠家提出的萬分之二的承諾值。

（3）復合絕緣子。特點如下：體積小，重量輕，其重量僅為同等級瓷或玻璃絕緣串重量的10%～13%；機械強度高；硅橡膠傘裙有良好的憎水性和憎水遷移性，耐污電壓高，抗污閃性能強，不需清掃；[4]復合絕緣子內外絕緣的選材基本相同，通常不會發生零值擊穿，不用檢零；價格低，僅為瓷或玻璃絕緣子的60%～80%。但復合絕緣子是由機絕緣材料制成，必然存在老化問題，且目前尚無可靠的檢測手段。國外復合絕緣子的最長運行經驗已有20年，普遍認為復合絕緣子的使用壽命可達20～30年。因此，在復合絕緣子運行一段時間后（約10～15年）要加強對復合絕緣子的監測，一旦出現老化，則應及時進行更換。運行經驗表明，復合絕緣子在連續小雨的氣候條件下有暫時喪失憎水性、抗污閃性能降低的特點，因此在選擇復合絕緣子爬距時還要充分考慮到各種氣候條件的影響。

（4）長棒形瓷絕緣子。長棒形瓷絕緣子近20年來在德國、美國和日本等西方國家得到了越來越多的使用，國內目前也已開始生產。[5，6]由于長棒形瓷絕緣子串不存在數十個鋼腳、鋼帽連接點，其絕緣體比懸式絕緣子串更易遭到工頻大電弧灼傷開裂或局部脫落，因此需在單元件上、下處安裝招弧角，使電弧飄離而保護絕緣體。而安裝招弧角使長棒形瓷絕緣子串的絕緣長度比同樣串長的懸式絕緣子串短，造成耐雷電沖擊性能變差。另外，長棒形瓷絕緣子串的價格較盤形懸式絕緣子串高，對于500kV線路約高30～50%。

（5）各型絕緣子串在廣東省的運行經驗。上述各型絕緣子中，除長棒形瓷絕緣子外，盤形懸式瓷質絕緣子、盤形懸式鋼化玻璃絕緣子和復合絕緣子在廣東省皆有大量采用。據廣東省電力試驗研究所統計，廣東省自1995年～2003年發生絕緣子永久故障（掉串或失去絕緣性能）83次，詳見表1。

絕緣子永久故障87%是瓷絕緣子掉串或失去絕緣性能引起，玻璃絕緣子掉串和失去絕緣性能占全部永久故障的3.6%，復合絕緣子掉串和失去絕緣性能占全部永久故障的9.64%。從安全性來說，玻璃絕緣子掉串的概率最低，瓷絕緣子串最高。

在瓷絕緣子串的72次永久故障中，其中掉串70次，失去絕緣性能（整串擊碎）2次；而70次掉串故障中，雷擊和污閃引起掉串62次（占88.6%），其他原因如鋼腳銹蝕、水泥與鐵帽腳沾接不良等機械連接問題引起掉串8次。未加裝引弧裝置的瓷絕緣子掉串概率主要決定于老化率。據據統計分析，若采用盤形懸式瓷質絕緣子，應選擇年老化率小于十萬分一的優質產品。[7]

（6）絕緣子材質選擇結論。瓷質、玻璃、復合絕緣子和長棒形瓷絕緣子各有其優缺點。鋼化玻璃絕緣子有優良的介電性能、良好的抗拉強度，不易老化、零值自破、自潔能力強和沒有掉線紀錄的優點，且近年來鋼化玻璃絕緣子隨著產品質量的改進，其自破率有所降低，性能日趨穩定，在廣東省的110～500kV線路上已使用不少，也積累了一定的運行經驗。因此，本線路耐張串推薦使用鋼化玻璃絕緣子。至于長棒形瓷絕緣子，由于其價格較貴、耐雷電沖擊性能稍差，現階段暫不考慮采用。

2.絕緣子片數的選擇

導線絕緣子片數應按工頻電壓、操作過電壓及雷電過電壓三種情況的安全要求來確定。

（1）按工頻電壓選擇絕緣子串片數。首先根據輸電線路所經地區的污穢情況、鹽密和灰密的測量值以及已有輸電線路的運行經驗確定污穢等級，再依據國家標準GB/T 16434-1996《高壓架空線路和發電廠、變電所環境污區分級及外絕緣選擇標準》決定該污區所對應的爬電比距，根據爬電距離計算所需絕緣子的片數。此種方法簡單易行，可操作性強，在工程設計中被廣泛采用。本線路仍采用此種方法進行輸電線路絕緣子串片數選擇。送電線路絕緣的防污設計應依照經審定的污區分布圖所劃定的污穢等級選擇合適的絕緣子型式和片數。由工頻電壓泄漏距離要求的每聯絕緣子片數采用下式計算：

式中：m為每聯絕緣子所需片數；Um為電網額定運行線電壓，取500kV；λ為不同污穢條件下所需爬電比距（cm/kV）；L為單片絕緣子的幾何爬電距離（cm）；K為絕緣子爬電距離的有效系數。

根據GB/T 16434-1996《高壓架空線路和發電廠、變電所環境污區分級及外絕緣選擇標準》和廣東電網公司《懸式絕緣子選型及爬電比距配置導則》要求，在額定工作電壓時對于玻璃絕緣子b、c、d級污區的爬電比距分別按不小于2.0cm/kV 、2.25～2.50cm/kV、2.85～3.20cm/kV進行配置；復合絕緣子的爬電比距按如下原則配置：b、c級污區爬電比距不小于2.2cm/kV；d、e級污區爬電比距不小于2.75cm/kV。懸垂串采用玻璃或瓷質絕緣子時，需考慮爬電距離有效系數K：普通型、雙傘型、三傘型絕緣子K取1.0；鐘罩型、深棱型絕緣子在a、b、c級污區K取0.9～0.95，在d、e級污區K取0.8～0.85。采用復合絕緣子的懸垂串、玻璃或瓷質絕緣子的耐張串不考慮爬電距離有效系數。

（2）按操作過電壓要求選定絕緣子片數。參照《110kV～750kV架空輸電線路設計規范》（GB 50545-2010）的有關規定，在海拔高度1000m以下地區，500kV送電線路操作過電壓和雷電過電壓要求的懸垂絕緣子串絕緣子片數不應小于25片（單片高度為155mm），耐張絕緣子串絕緣子片數應比懸垂絕緣子串絕緣子片數增加2片。當過電壓倍數為2.0、最高運行電壓為1.1Ue（即550kV）、操作電壓統計配合系數1.25時，要求線路絕緣子串正極性操作沖擊電壓波50%放電電壓為1125kV。根據試驗數據，當選用24片XP-160瓷絕緣子時其沖擊放電電壓可達1457kV。實際上按操作過電壓要求選定絕緣子片數不起控制作用。

（3）按雷電過電壓要求選擇絕緣子片數。參照《110kV～750kV架空輸電線路設計規范》（GB 50545-2010）的有關規定，在海拔高度1000m以下地區，500kV送電線路操作過電壓和雷電過電壓要求的懸垂絕緣子串絕緣子片數不應小于25片（單片高度為155mm），耐張絕緣子串絕緣子片數應比懸垂絕緣子串絕緣子片數增加2片。按照《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》（DL/T620-1997）規定，500kV線路在一般土壤電阻率地區，其耐雷水平不宜低于125～175kA。本工程為同塔雙回線路，存在兩個回路同時遭受雷擊閃絡的可能性，而雙回路同時跳閘將對電力系統產生較大的沖擊，嚴重影響系統的可靠性。根據國內外的經驗及參照國家電網公司聯同中國電力工程顧問集團公司和17家電力設計院編制的《110～500kV輸電線路典型設計》，對本工程的同塔雙回線路采用平衡高絕緣設計，以降低雙回線路同時遭受雷擊閃絡跳閘的可能性，提高線路運行的可靠性。

三、結論

綜上所述，本工程的具體絕緣子型號、片數及聯數見表2。

綜合考慮技術經濟因素，本工程新建線路采用以上的絕緣配置方式可以滿足工程實際的需要。

參考文獻：

[1]DL/T 5219-2005，架空送電線路基礎設計技術規定[S].

[2]應偉國.架空送電線路狀態檢修實用技術[M].北京：中國電力出版社，2004.

[3]孫學峰，王愛華，趙延華，等.基于污穢監測系統的絕緣子故障分析與預防[J].高電壓技術，2006，（5）.

[4]趙鋒，張福增，楊皓麟，等.復合絕緣子憎水性及直流污閃特性的影響因素[J].中國電機工程學報，2009，（1）.

[5]Masoud Farzaneh，Anthony C Baker，Allen Bernstorf R，et al.Selection of line insulators with respect toice and snow-partⅠ：context and stresses，a position paper prepared bythe IEEEtask force onicing performance of line insulators[J].IEEE Transac-tions on Power Delivery，2007.

[6]M. Farzaneh，W. A. Chisholm.Insulator icing test methods， selection criteria and mitigation alternatives[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2007.

[7]陸國慶.對廣東省合成絕緣子雷擊閃絡問題的分析和意見[J].電網技術，1999，（2）.

（責任編輯：劉輝）