特高壓輸電線路中絕緣子研究進展

中國石油天然氣股份有限公司西氣東輸管道分公司 歐亞杰 李韓櫻

1 引言

由于特高壓輸電可實現遠距離、大容量、大區域電網的互聯，可降低輸電成本，近二十年美國、日本、意大利和我國等國家都在致力于特高壓輸電技術的研究。

在特高壓輸電工程中，系統輸送功率大、輸電線路距離長，同時部分地區海拔高，這給電氣設備和輸電線路的絕緣性能要求更高。特高壓輸電工程中的絕緣主要有輸電導線與周圍物體如輸電桿塔、大地或其他設備間的空氣絕緣，此外廣泛應用的就是高壓絕緣子。在特高壓輸電工程對絕緣子的性能要求更高。一方面，高壓絕緣子需要有足夠的機械強度以支撐相關設備，此外，絕緣子需要具有足夠的抗污閃能力和熱電壓耐受能力。在特高壓輸電工程中，輸電線路附近的電場強度大，容易導致電暈的發生，直流高壓環境下積污較交流電壓大。國內外學者相關研究表明，直流絕緣子的表面積污可以達到交流的2～3倍[1-2]。因此，在特高壓直流工程中，絕緣子的表面積污速度更快，更容易發生絕緣子的閃絡。

由于特高壓工程具有明顯經濟性，目前我國正在大力建設特高壓直流輸電工程。工程應用的需求加快了高壓絕緣子的研究，提高絕緣子的電壓耐受能力和絕緣可靠性是必須解決的技術難題。本文論述特高壓輸電線路中絕緣子研究進展。

2 高壓絕緣子的發展

復合絕緣子是目前廣泛應用的絕緣子，具有機械強度高、絕緣性能好、密度小、耐污性能好優良的特點，較傳統的瓷絕緣子和玻璃絕緣子具有顯著的性能優勢和經濟優勢，在特高壓中得到了廣泛應用，目前已經有近五六十年的工程應用和運行經驗。復合絕緣子的材料生產配方可調，各項物理性能可根據工程需求進行調制，生產工藝逐步完善，是具有重大應用前景的絕緣子。

自20世紀50年代以來，國外就開始研究和使用復合絕緣子。當時主要使用環氧樹脂澆注結構，一般安裝在戶外。20世紀60年代后期，出現了由樹脂增強玻璃鋼芯棒和以橡膠或氟塑料等聚合材料為傘裙護套的復合結構絕緣子，并陸續在30多個國家和地區的各種工業線路和試驗線路運行。從20世紀80年代開始，國外復合絕緣子推廣應用非常迅速。美國是使用復合絕緣子最早和最廣泛的國家，電壓等級從交流115～765kV，到直流500kV。近年來，復合絕緣子已在世界范圍內得到了廣大電力技術人員青睞和大量使用，其用量一直保持穩定增長[3-4]。

我國電力工程中，復合絕緣子的應用起源于20世紀90年代。復合絕緣子的引入，有效地降低了我國電網中的污閃事故。從此，我國電網使用復合絕緣子的數量迅速增加，1995年我國電網中使用的復合絕緣子數量大約為10萬支，1999年達到了84萬支，五年內符合絕緣子的數量增加了近8倍。從2008年復合絕緣子數量已突破達到200萬支，目前我國電網工程中復合絕緣子數量已超過300萬支，目前我國新建或者投產的高壓和特高壓工程中已經大批量使用復合絕緣子。

3 高壓絕緣子國內外研究進展

絕緣子污閃是電力系統最常見的事故，關系到電力系統的安全可靠運行。國內外學者對絕緣子的污閃機理和污閃特性進行了相關深入的研究，但是絕緣子的污閃是一個概率性發生的事故，目前在實際運行中，仍有污閃事故的發生。因此加深對絕緣子的污閃性能研究很有必要，一方面研究絕緣子污穢放電機理，提取影響絕緣子污閃的關鍵因素，并進一步提出提高絕緣子污閃電壓的技術措施，為絕緣子的可靠運行提供理論依據。

3.1 絕緣子污閃放電原理

絕緣子的污閃與絕緣子材料的物理化學特性有關。材料表面的性能有憎水性或親水性兩種[5]。在雨水或者受潮條件下，親水性表面容易形成水膜覆蓋在絕緣子表面，在高壓環境下，親水性表面的絕緣子極易發生污閃現象。陶瓷和玻璃絕緣子是典型的親水表面，因此，在雨雪天氣下，瓷和玻璃絕緣子容易發生污閃。在雨水或者受潮條件下，憎水性表面不會形成覆蓋的水膜，而是形成許多水珠，這樣絕緣子表明不容易發生貫穿性的放電通道，因此污閃發生的概率相對較小。復合絕緣子表面一般為憎水性[6-10]。

絕緣子污閃放電是一個涉及到電、熱和化學等的錯綜復雜的變化過程，其主要過程如圖1所示，包括：

（1）絕緣子積污過程。絕緣子積污過程是一個長期的緩慢過程，與絕緣子所在的地理環境、天氣和絕緣子形狀有關。

（2）染污絕緣子表面受潮。絕緣子表面受潮主要受到天氣的影響。

（3）染污絕緣子表面局部放電。在外加電壓作用下，絕緣子表面局部電場畸變點首先發生局部放電，其產生與絕緣子表面的積污、受潮和表面形狀有關。當絕緣子表面泄漏較大時，局部放電較易發生。

本研究依托某高速公路瀝青路面新建工程，進行設計前路面調查和測試，并完成該高速公路排水瀝青路面試驗段設計。該試驗路段上面層4cm，下面層為7cm瀝青混合料，基層為水泥穩定碎石。試驗路段采用PA—13作為瀝青面層，設計空隙率為18%，選用TPS高黏改性瀝青，油石比為4.8%。

（4）絕緣子表面貫穿性污閃。絕緣子表面局部放電范圍逐步擴大，最終形成貫穿性放電通道，絕緣子污閃形成。

圖1 絕緣子污閃放電過程

憎水性絕緣子表面容易形成不連續的水珠或者水滴。隨著污穢的形成，在水滴中，鹽分逐步遷移，外加電場作用下水滴較易形成不連續、不穩定的絲狀水滴。絲狀水滴和水滴之間的局部放電逐步發展形成貫穿性的放電通道，導致絕緣子表面污穢放電的形成。而親水性絕緣子表面的污穢放電過程主要形成于絕緣子表面的連續覆蓋的水膜中，污穢放電過程容易形成。二者污穢缸墊過程和機理不同，因此憎水性絕緣子表面污穢放電較親水性絕緣子的放電電壓高。

污穢放電涉及復雜的物理化學過程，進二十年來一直是國內外學者研究的重點。近年來國內外學者通過物理模型、化學模型和數學模型的建立，深入研究了污穢放電的基本發展形成過程、內部機制、影響因素和抑制措施，為提高絕緣子臨界閃絡電壓提供了依據[6-14]。

3.2 影響絕緣子閃絡的因素

污閃電壓與絕緣子的污穢程度（鹽密和灰密）、積污過程（污穢不均勻度）、絕緣子的結構型式等因素有關。

（1）鹽密和灰密

等值鹽密和灰密是確定污穢等級的重要參數。國內外學者試驗統計研究表明，絕緣子的污穢閃絡電壓（污閃電壓Uf）與鹽密（ESDD）的關系為[5]：

式中，A為與絕緣子材質和結構有關的系數；α為指數，表征污閃電壓隨鹽密變化的快慢程度。

重慶大學孫才新等關于人工污穢試驗研究表明，對于X-4.5型絕緣子，A=4.75，α=0.2[5]；Ramos等人試驗研究統計表明，直流下α=0.33，交流下α=0.20[6]。對于不同型式絕緣子，交、直流電壓作用下，隨著海拔的提高，A的數值均降低；α與電壓類型、絕緣子結構和型式、海拔高度有關[7]。

（2）積污過程

在電力系統中，整串絕緣子的鹽密平均值是決定外絕緣污穢等級、確定外絕緣爬電距離的重要參數。由于絕緣子實際運行環境不同，絕緣子的上表面一般較為清潔，而下表面積污較為嚴重。統計表明，實際運行的絕緣子上、下表面的積污比一般為1：5～1：20[8]。絕緣子下表面是影響絕緣子串污閃的重要決定性因素。

上、下表面不均勻積污對絕緣子污閃電壓的影響主要體現在絕緣子局部電場的畸變程度。研究表明，當上、下表面積污不均勻對絕緣子直流污閃電壓的影響程度遠大于交流[9]。在直流作用下，當上、下表面積污比從1：1變化到1：10時，絕緣子的直流耐受電壓提高一半。

（3）絕緣子結構型式

不同結構型式絕緣子的材料組份、機械結構不同，因此其電氣形成差異較大，此時絕緣子的污穢特性差異較大。絕緣子表面的積污程度主要取決于絕緣子的結構型式。不同結構型式的絕緣子上表面的積污程度差異較小，主要差異體現在絕緣子下表面的積污程度。例如，外傘型和三傘型絕緣子的絕緣子下表面設計較為平整光滑，表面空氣流動性較好，不易形成污穢；而深棱傘型絕緣子下表面空氣流通受到阻礙，容易積污。統計表明，深棱傘型絕緣子的下表面積污量可達到外傘型的三倍[10]。

（4）氣象條件

絕緣子的污閃電壓很大程度上受到氣象條件的影響，不同地區的絕緣子污閃電壓差別極大。影響絕緣子污閃的氣象條件主要有：溫度、氣壓、雨雪天氣、濕度和酸堿性等。Ishii等人在霧室中對絕緣子污閃的研究表明，在5～35℃的范圍內，環境溫度每升高1℃，絕緣子的污閃電壓下降0.7～1.0%[10]。氣象條件對絕緣子污閃電壓的影響具有一定的統計性規律，需要結合歷史數據統計。

3.3 絕緣子老化研究

絕緣子的老化是導致電力系統發生絕緣子污閃的重要原因，在實際運行中無法避免。隨著運行時間的增長，在不良氣象條件（雨雪、紫外線照射、高溫等）、機械振動和局部放電等因素作用下，絕緣子表面交易發生性能退化，具體表現為化學成分的裂變、機械性能的退化和電氣性能退化，最終導致絕緣子閃絡電壓的降低。影響絕緣子老化的因素繁多，目前國際上對絕緣子的老化研究沒有明確結果定論。研究主要集中在絕緣子老化機理、老化模擬試驗和老化判據等內容。

導致絕緣子老化的主要原因是在不良氣象條件下絕緣子表面的局部放電的長期積累作用，最終導致絕緣子表面性能退化和污閃電壓的降低。當絕緣子表面的電場強度達到0.5～0.7kV/cm時，絕緣子表面就會產生局部放電或電暈放電現象，放電作用導致絕緣子材料氧化、憎水性下降，此外放電作用的局部高溫可能加速復合材料的降解。絕緣子老化涉及復雜的物理化學變化，目前的研究很難定量破解絕緣子的老化機理。

在實驗室環境下模擬絕緣子的老化過程是當前的研究熱點。美國IEC、美國EPRI和國際高電壓大電流技術研究聯合會等都提出了相應的實驗室加速老化試驗方法[12-14]。目前國家標準中的老化試驗方法，我國采用的是IEC中的加速老化試驗方法，即5000h綜合加速老化方法。具體方案為在封閉的箱體內，對絕緣子表面施加電壓，并配合紫外線、溫度變化和濕度變化等因素，研究絕緣子表面的污穢積累過程或者閃絡電壓的變化。中國電力科學研究院李慶峰等人進行了絕緣子5000h老化試驗，研究認為泄漏電流變化可作為絕緣子表面狀況的良好判據，泄漏電流的波形也可為絕緣子在線監測提供有用的信息[15]。

4 絕緣子污穢閃絡試驗方法

關于絕緣子污穢閃絡的研究，主要結合調研的研究進展，提煉研究內容；通過不同試驗進行驗證或探究，結合放電相關理論進行分析，并提出解決方案，提高絕緣子的整體性能。

絕緣子污穢閃絡試驗電源需要滿足《GB/T22707-2008-直流系統用高壓絕緣子的人工污穢試驗》和《IEC61245-1993關于直流人工污穢試驗電源》的相關規定，保證電壓的穩定度達到1%。人工霧室一般設有雨霧發生器、懸掛裝置、排水裝置、換氣裝置、觀察窗和電氣試驗回路等。試驗前需確保最高試驗電壓下人工霧室套管等部位不發生閃絡。

絕緣子污穢閃絡試驗采用國內外廣泛使用的人工污穢試驗的固體污層法，其試驗依據為：《GBT22707-2008-直流系統用高壓絕緣子的人工污穢試驗》、《IEC61245-1993-直流系統用高壓絕緣子人工污穢試驗方法》、《GB/T311.2-2002-絕緣配合第2部分：高壓輸變電設備的絕緣配合使用導則》。

絕緣子的50%閃絡電壓計算方法：

式中：U50%為50%閃絡電壓，Ui為有效試驗電壓；ni為有效試驗電壓Ui現的總次數；N為有效試驗的次數。試驗結果的相對標準偏差σ%。

基于高壓絕緣子的污閃特性，國內外學者對絕緣子污穢閃絡研究包括多方面：如同噸位下長棒形瓷絕緣子與三傘形瓷絕緣子的污閃特性、瓷絕緣子與復合絕緣子的污閃特性；對雙串并聯長棒形瓷絕緣子的污閃電壓特性進行了試驗研究，通過與單串絕緣子污閃特性對比，研究了并聯安裝對絕緣子污閃電壓的影響；絕緣子的材料和外形對其絕緣性能的影響等。

5 小結

本文通過調研形式論述了特高壓輸電中的絕緣子及其發展，重點介紹了近年來高壓絕緣子的國內外研究現狀和絕緣子污穢研究的試驗方法。特高壓輸電線路的絕緣子絕緣可靠性是保證輸電線路運行的基本條件。在研究方面，需結合理論和試驗研究絕緣子的污閃特性，提高絕緣子污閃電壓，為絕緣子的研發、生產和運行提供理論支撐。

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