特高壓輸電線路中復合絕緣子應用探討

上海電力設計院有限公司 蘇 鋒 李 艷 孫 振

1 高壓輸電線路的特點及構成部分分析

1.1 高壓輸電線路的特點

高壓輸電線路由于其所需的信息量較小，因此其成本也相對較低。其需要用兩根導線，一條連接正級，一條連接負級[1]。電力傳輸的直流線路具有持久性，并且其電流傳遞的距離相對較遠。在我國的某些高壓輸電設施中，交流電的運輸也被廣泛采用，這在日常生活中尤為明顯。高壓輸電線路如圖1所示。

圖1 高壓輸電線路

1.2 高壓輸電線路是電氣設計的主要構成部分

在基礎的設計工作中，施工所需的工程圖紙一定要認真制作，并依照工作規程進行。施工方案的原材料選擇，施工團隊需要對施工路線和施工方法以及相應的存儲難點進行合理的設計。確保電力線路的正常運行，提高工作效率，提高施工工作的效率。同時，必須做好避雷和防冰措施，避免發生事故破壞輸電線路。工程圖的設計要按照國內的規范和規范來編制，以保證準確。

2 特高壓輸電線路發展狀態

與普通線路相比，特高壓線路也提出了更高的要求，例如，外線路絕緣水平、電力工程技術以及線路保護措施。如果特高壓輸電線的外部絕緣水平不達標，保護措施不充分，線路的污閃、過電壓、擊穿等故障就會增加[2]。因此，在特高壓輸電線路上使用復合絕緣子是十分必要的，也是現代各種電網建設中不可或缺的一環。

3 復合絕緣子在特高壓輸電線路中存在的問題

3.1 界面擊穿

復合絕緣子電氣損壞問題以雷擊為主，占損壞總數一半以上。雖然材料在不斷地改進，但依然存在著界面多次被破壞的問題。在生產過程中，芯棒、套管均有明顯的剝落現象，套管界面和桿體直徑也會受到侵蝕，甚至有可能造成界面破壞，從而影響絕緣子的服役壽命。為此，必須持續地對產品進行優化和改進，以減少界面崩潰的概率。

3.2 芯棒脆斷

芯棒脆斷是一種比較常見的復合型絕緣子故障，在特高壓輸電線路上比較常見。在芯棒脆斷的過程中，由于酸蝕作用，芯棒絲在酸蝕作用下逐步碎裂，甚至在較小的載荷下都會造成整個芯棒斷斷。其主要特征如下。

一是通常出現在高電壓終端場強度相對較高的位置。若將均壓環接反，將導致復合材料絕緣子的脆斷。解決了這一難題，可對均壓環進行設計與加工，確保磁場強度達到規定的水平，從而有效地避免材料的脆斷。

二是當護套或端面被破壞時會產生裂紋現象。然而，采用新型的無硼纖維耐酸芯棒，其總體的抗酸性能得到了顯著提升，這將大大降低這個問題。值得強調的是，不是每一種纖維芯棒都擁有優秀的抗酸特性，因此，必須對其進行性能評估與挑選。盡管脆斷對工作產生重要影響，但其發生概率較低，可通過多種手段加以干預以降低概率[3]。芯棒脆斷如圖2所示。

圖2 芯棒脆斷

圖3 玻璃和瓷絕緣子

3.3 老化問題

絕緣子在使用一段時間之后，會出現老化問題，主要是由于溫度以及表面放電等因素造成的。盡管硅橡膠材料的老化周期比較長，但是在投入運行的早期就會出現老化現象，這與環境污染和材料配方技術有很大關系。大部分地區都可以通過硅膠來維持其良好的狀況和特性，但是老化是無法避免的。為了確保絕緣子的安全運行，必須盡早對其進行測試。因此，需要對復合材料絕緣子進行周期性的檢測，并對其進行檢測，以避免其進一步惡化。

3.4 機械問題

復合材料絕緣子在使用過程中存在著嚴重的力學性能退化問題。目前，采用的是內插式絕緣子，但其對接接法的要求太高，而且其蠕變坡度與卷邊式絕緣子的設計有很大差異。

4 特高壓線路絕緣子串長和最小間隙距離確定

4.1 特高壓線路設計中考慮的電氣絕緣距離

1000kV 交流特高壓線路的絕緣匹配要求在工頻、工作過電壓和雷擊過電壓等多種情況下都能安全、可靠地運行。絕緣子工頻閃污是絕緣子串的主要控制因子，外部絕緣結構通常按污染承受能力法進行片數計算，同時參照現有的工程運行經驗，將海拔、覆冰等場地條件綜合考慮。對于操作過電壓，過電壓倍數取1.6p.u．、1.7p.u．，系統最高運行電壓取1100kV 時，操作過電壓無法控制絕緣子片數，若計算值不及絕緣子串50%沖擊放電電壓值，則存在沖擊放電的情況。在特高壓系統中，雷電過電壓與運行電壓并無直接關系。輸電線路的高外絕緣水平，使得絕緣設計中雷電過電壓并不是決定因素[4]。

4.2 絕緣子串長

在有污情況下，用抗污法來測定絕緣子串的長度。一是在大氣條件下測定不同絕緣子的污閃電壓，得到不同絕緣子的50%污閃電壓與鹽密度的關系；二是對絕緣子耐壓進行測定；三是對可溶鹽類的鹽密進行了修正，并對其進行了計算；四是采用灰、鹽比例對絕緣子表面積垢情況進行了校正；五是針對上、下兩個面的不均勻性，對其不均勻性進行了校正；六是在高海拔的情況下，做了高程校正；七是在最大工作電壓條件下，對絕緣子串節的個數進行了計算。

4.3 特高壓線路最小空氣距離確定

4.3.1 滿足正常運行的絕緣子最小片數計算

本文圍繞特高壓輸電線路的最小間隔選擇這一關鍵科學問題，以單回路輸電線路為研究對象，研究工頻電壓和雷電作用下氣隙間距對輸電塔尺寸的影響規律，利用實測的氣隙間距確定輸電塔的最小間隔，同時考慮絕緣子劣化對輸電塔結構的影響，提出考慮絕緣子劣化的輸電塔最小間隔。

4.3.2 操作過電壓間隙確定

一是運行過電壓統計匹配因子的測定，根據單個氣隙工作脈沖放電電壓 U50%的計算：

其中，Us為工作過電壓，單位為 kV；Z 為一個常數，所以取2.45；對于單個空隙，σ1取0.06；其中，σm 為多重空隙的方差，取0.024。所以：

所以線路空氣間隙操作過電壓統計配合系數kc為：

5 復合絕緣子在特高壓輸電線路中的應用

通過對我國既有線路的實際運營，發現使用復合絕緣子，既可減少線路維修費用，又可減少對電網的污染。在受污染的地區，推薦采用復合絕緣子。1000kV 輸電線路推薦采用9m 左右的高絕緣子，重污染地區采用17m 以上的絕緣子。若采用多串并聯的方式，則可進一步調節絕緣子的高度，但也會使絕緣子的質量及串長增大，增加了線路的造價。在高海拔、重污染地區，采用復合絕緣子具有較高的經濟性、工藝性。當組合子串長度不超過10m 時，既能減小塔窗面積，又能控制塔荷載，又能減少污閃事故的發生。所以，復合材料絕緣子在上述幾個方面都有著顯著的優越性。

為保證超高壓輸電線路的長期穩定可靠運行，必須對其進行深入研究。一方面，開展超大噸位復合材料絕緣子力學特性的研究，形成高效的標準與檢測方法。另外，在保證合成絕緣子均勻壓力的同時，也要注意對電磁干擾、電暈等問題進行適當的處理，盡量減少突發性的事故。合理的引弧方式，確保了引弧效果。經過優化的力學結構，保證一根絕緣的斷線不會掉到地上。制定驗收標準，禁止不合格的產品，對芯棒及裙板的材質進行嚴格控制，并對制造技術進行改進，從源頭上控制，減少操作中的安全隱患。在建造過程中，應制定科學的倉儲程序，對可能產生的各類損壞進行嚴格控制。執行并執行有效的維修、巡檢計劃，及時發現安全隱患，采取相應措施，確保生產安全。

6 結語

復合絕緣子已經在中國電網中得到了越來越多的使用，已經成為電網建設中不可缺少的組成部分。考慮到超高壓輸電線路對大截面和高負荷工況的要求，應優先選用合成絕緣子，而非玻璃絕緣子等其他絕緣子。隨著超高壓輸電線路規模的擴大，其所面臨的問題也越來越多，對其性能提出了越來越高的要求。