摘要: 本文对高压架空输电线路常用的几种绝缘子(悬式瓷绝缘子、钢化玻璃绝缘子、合成绝缘子三种)作综合介绍, 并从各自的特点和性能上进行论述比较, 提出了高压架空输电线路选择绝缘子形式的建议, 希望对输电线路的绝缘选择和配备有所帮助。

1 前言

高压输电线路所采用绝缘子的型式及绝缘配置, 对线路的安全运行有很大的影响。绝缘子是架空送电线路重要的组成元件, 若绝缘子的选型和绝缘配置不当, 一方面会带来电网安全运行的不安全因素, 另一方面使线路运行单位减人增效的要求难以落实。一条高压输电线路钻山越岭, 经过各种地形, 将会遇到不同的污染源, 随着经济的发展, 交通运输、水泥造纸等污染行业在快速发展。绝缘子种类的选择和绝缘配备恰当与否, 对线路的安全运行至关重要。目前架空输电线路上常用的绝缘子形式有3 种, 分别是瓷绝缘子、钢化玻璃绝缘子及合成绝缘子。在绝缘子种类选择及绝缘配置时, 了解各种绝缘子性能及有关情况是非常必要的。现将上述各种绝缘子的特性及有关情况分别叙述如下,以希望对高压架空输电线路的绝缘子形式选择和绝缘配备有所帮助。

2 瓷绝缘子

脚帽式盘型悬式瓷绝缘子是最早使用的绝缘子, 它随着电力工业的发展而首先发展起来, 已有近10 0 多年的悠久历史, 也是目前仍然广泛采用的一种绝缘子。盘型悬式瓷绝缘子具有良好的绝缘性能、耐气候性、耐热性和组装灵活性, 被广泛应用于各种电压等级的输电线路上。近年来, 随着防污闪事故的需求, 各种防污型悬式瓷绝缘子相继投人使用, 取得了良好的运行效果。

随着电网的不断扩大, 瓷绝缘子的用量迅速增加, 瓷绝缘子也暴露出一些缺点, 它属于可击穿型绝缘子, 其绝缘性能随着运行时间的延长会逐渐降低甚至完全丧失, 即通常所说的瓷绝缘子的" 老化"现象。导致绝缘子老化的原因有外因和内因两个方面: 其一是在污秽湿润条件下泄漏电流和雷击闪络电弧引起绝缘子表面老化; 另一是在长期机电负荷或温度变化所引起的老化, 后者常称为" 经年老化" 。造成经年老化的主要原因有: 瓷件的吸湿性,即瓷件在使用中会吸收外界的水分而逐渐使绝缘强度降低; 一般悬式绝缘子为内胶装结构, 胶装粘合剂水泥和钢脚、铁帽、瓷件的热膨胀系数各不相同, 温度变化时各部件热胀系数的差异将使瓷件受到压应力和剪切应力; 水泥的长期膨胀(俗称"水泥生长")使瓷件和铁帽受到局部应力和疲劳效应; 瓷件在制造过程中可能残留的内在微小裂缝, 这种内在缺陷通过冷热和耐受电压等项试验有时难以检出和剔除, 使用中这种微小裂缝会发展等等。为了剔除这些老化绝缘子, 线路运行部门每年都要花大量的人力和物力, 对绝缘子进行绝缘检测, 由于测试仪器及测试人员技术水平、责任心等方面的原因, 错检、漏检现象时有发生。由于线路绝缘在设计时考虑了一定的安全系数和裕度, 在线路正常运行情况下, 个别老化绝缘子的存在, 尚不至于对线路的安全运行造成危害。但是混有老化绝缘子的绝缘子串, 在遭受雷击闪络(或污闪)时, 由于较高的雷电流和随后的工频续流(或短路电流), 可能会使该老化绝缘子头部因瞬间骤热而发生爆炸, 绝缘子断串造成导线落地的恶性事故。19 9 6 年12 月下旬, 我国华东、华中、华北、西北及山东等地区, 发生大面积污闪事故, 共涉及50 OkV 线路巧条,3 3OkV 线路2 条,2 2 OkV 线路5 1 条: 污闪跳闸共3 6 7 次, 其中闪络绝缘子串中因绝缘子制造质量或老化而炸裂, 导致2 6 串断串(其中5 0Ok V 线路5串, 3 3OkV 线路2 串),2 3 起导线落地或落于塔窗的严重事故(其中5 0 0 kV 3 起, 3 3 0 k V2 起)。

武汉高压研究所在这方面作过实验, 老化绝缘子的存在对线路的安全运行是一种潜在的威胁。瓷绝缘子的老化率是随着其运行时间的延长而逐渐上升的。据调查, 国产绝缘子的年老化率总体水平约0.2 % , 不同厂家的产品, 差异也较大。日本N〔; K 悬式瓷绝缘子的年老化率据称约为1 忍0 万。

根据瓷绝缘子的老化率, 运行部门确定相应的测零周期。我国一些运行部门确定测零周期为2年。绝缘子耐污特性的好坏对线路的安全性也至关重要。X W PZ 双伞形耐污绝缘子耐污特性优良,一方面由于其流体阻力较小, 不易形成涡流, 因此在使用中自然积污较少, 同时它又是敞开式的, 具有较好的自清洗能力, 所以它的自然积污量仅是普通绝缘子的50 % 左右, 再则也便于人工清扫或带电水冲洗。我省近年大量使用了这种形式的绝缘子, 运行情况良好。

3 钢化玻璃绝缘子

钢化玻璃绝缘子具有优良的机电性能, 其抗拉强度是瓷绝缘子的2.2 倍, 耐电击穿性能是瓷绝缘子的3.8 倍, 耐振动疲劳、耐电弧烧伤和耐冷热冲击性能也优于瓷绝缘子。玻璃绝缘子在制造过程中, 将成型制品在比软化变形温度稍低的温度下,快速向炉外取出, 用多个喷嘴吹拂冷空气进行急冷钢化, 使玻璃的表层固定有一较大的压缩应力, 一方面起阻止表面裂纹的形成和扩展, 同时起抗外力的作用, 使玻璃实质上得到钢化。当钢化玻璃绝缘子有内部缺陷(例如玻璃体内残存有杂质)或受大的外力冲击时, 绝缘子玻璃体外层压应力和内部张应力的平衡受到破坏, 内部的张应力得到" 释放" ,使玻璃体爆得粉碎, 这就是通常所说的" 零值自爆" 。

零值自爆是钢化玻璃绝缘子一大特点, 也是一大优点。因为钢化玻璃绝缘子具有零值自爆的绝缘自我淘汰的能力, 因而无需对其进行绝缘测试(测零), 大大减轻维护工作量, 也利于及时发现和更换零值绝缘子; 具有零值绝缘子的绝缘子串, 当发生污闪或雷击闪络时, 短路电流在零值绝缘子铁帽和钢脚的外部通过而不经过铁帽内部(因自爆后的绝缘子其铁帽和钢脚间的空间距离很短), 这就大大减少断串的概率。零值自破后的残锤往往使人有不安全感, 但大量的测试表明, 零值自破后的残余强度仍然很高, 均大于额定负荷的标准值, 因此不会造成导线落地事故。国内外的运行实践还证明, 钢化玻璃绝缘子具有长期稳定的机电性能,具有较长的使用寿命, 使用较早的法国、意大利及前苏联等国, 认为钢化玻璃绝缘子不老化, 它使用的寿命取决于绝缘子金属附件的寿命。

钢化玻璃绝缘子的自爆, 多发生在施工和运行初期, 随着时间的延长, 自爆率逐年下降并趋于稳定。这个特点与瓷绝缘子正好相反。从线路运行安全方面考虑, 应当说这是钢化玻璃绝缘子的一个优点。耐污型钢化玻璃绝缘子的外型由于其制造技术原因均作成钟罩型, 一部分地区认为钟罩型钢化玻璃绝缘子的自洁性能不如W X PZ 双伞型瓷质绝缘子、清扫不方便, 使用范围受到限制, 有待有关部门对其伞型结构进一步研究改进, 完善钢化玻璃绝缘子产品系列。降低钢化玻璃绝缘子的年零值自破率水平, 以便更广泛的推广使用。

我国南京电瓷厂19 5 8 年开始研制钢化玻璃绝缘子,1 97 0 年建成一条机械化生产线批量生产。1 9 9 4 年6 月, 该厂引进意大利技术的玻璃绝缘子生产线正式投产, 设计生产能力按L X Y 一70 计算为2 0 0 万片/ 年。中法合资四川(自贡) 塞迪维尔(Se di ve r )钢化玻璃绝缘子有限公司一期工程自动胶装生产线于1 9 9 4 年末建成投产, 设计生产能力为巧O 万片/ 年。该厂生产的钢化玻璃绝缘子, 玻璃件系在法国的塞迪维尔公司生产, 钢帽系中法合资自贡萨法姆铸铁有限公司引进法国塞迪维尔技术及设备所生产, 所用钢脚按Se di ve r 公司的工艺和质量要求定点生产配套。

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4 合成绝缘子

合成绝缘子又称复合绝缘子, 是近年来开发的一种新型绝缘子, 它具有强度高、重量轻、无零值、污闪电压高、抗撞击、不用清扫、不破碎等诸多优点, 自问世以来就受到世界各国的重视, 并于八十年代推出了技术更为成熟的第二代产品。我国自八十年代初着手开发, 中期挂网试运行, 进人九十年代已形成35 一so kV 等级的棒型悬式合成绝缘子批量生产的能力, 目前生产制造及挂网运行的势头十分迅猛。

目前国外生产的合成绝缘子, 主要是硅橡胶绝缘子和乙丙橡胶(E PD M )绝缘子, 国内则全部生产硅橡胶合成绝缘子。用硅橡胶制作伞裙与护套的合成绝缘子, 由于硅橡胶表面的憎水性, 以及硅橡胶憎水性的迁移, 使附着在伞裙表面的污秽层也具有憎水性, 这不但大大提高了合成绝缘子的抗污能力, 也免除了人工清扫绝缘子的困难, 从而大大减轻了运行维护的工作量和费用。19 8 9 年元月我国华东地区发生污闪事故,19 90 年春季华北地区发生污闪事故, 以及1 9 9 6 年末华东、华中、华北、西北及山东等地区发生大面积污闪事故, 在这几次污闪事故中, 合成绝缘子均表现出优良的耐污性能。美国是使用合成绝缘子时间最早、数量最多的国家。早年美国选用合成绝缘子主要是为防枪击, 近年来提高耐污性能和减少维护费用已成为选用合成绝缘子的首要因素。优良的耐污性能和不清扫, 是合成绝缘子迅猛发展的主要原因。

合成绝缘子具有优良的电气性能: 其工频干闪电压略高于瓷绝缘子串, 工频湿闪电压较瓷绝缘子串约高巧%, 雷电冲击50 % 放电电压比瓷绝缘子串高5 %。合成绝缘子的闪绝缘距离和外绝缘距离几乎相等, 结构上属于不可击穿型绝缘子, 无需测零, 从而减轻了运行维护的工作量。

合成绝缘子的重量约为瓷绝缘子的1/7一1 /1 0, 抗撞击, 运输和组装都很方便。近年来其它绝缘子的价格在不断提高, 而合成绝缘子由于成型容易、废品少、成本低, 价格劣势在逐步消除。为了减少线路污闪事故的发生, 提高线路运行的可靠性, 近年来, 部分新建的50 0 kV 送电线路已全部或大部分改成合成绝缘子。目前, 我国有近10 家制造厂具备了规模生产的能力, 并已由数万支合成绝缘子挂网运行。但国产合成绝缘子的各项性能指标, 与进口合成绝缘子相比还有一定的差距。美国是使用合成绝缘子最早、最多、最普遍的国家之一, 据报导, 到8 0 年代末, 合成绝缘子已占美国绝缘子市场的2 0 % , 现已成为美国新建线路部分或全线的唯一选择。

目前国内使用的合成绝缘子, 2 20k V 线路用国产的500kV 线路有一部分是国产的, 较大部分是进口的。进口的合成绝缘子主要是美国可靠(R e -hab le )公司和德国赫斯特公司两家的产品。在注意合成绝缘子优良性能的同时, 对合成绝缘子存在的问题也应引起足够的重视。合成绝缘子是有机材料制成的, 一般来说, 有机材料的老化速度比陶瓷、玻璃等无机材料要快。虽然有资料认为硅橡胶是有机高分子硅氧聚合物, 具有" 接近无机硅酸盐的各种抗老化性能" , 但是, 国内有的运行时间并不长的合成绝缘子, 就发生过不同程度的老化现象, 如伞裙弹性减弱, 易撕裂, 干闪、湿闪电压降低, 硅橡胶表面憎水性减弱等。合成绝缘子的老化率和有效寿命, 是值得十分关注的问题。除芯棒材质外, 潮气入侵芯棒, 是造成合成绝缘子" 脆断"的主要原因。为解决此问题, 国外采取整体模压生产工艺。目前国内只有少数厂家开始采用这种生产工艺。整体模压, 不仅对解决端头密封有利, 也大大减少伞裙与伞套间连接的界面, 有利于合成绝缘子质量的提高。国内合成绝缘子曾发生过界面击穿和芯棒"脆断" 事故。

由于合成绝缘子在我国特别是在我省挂网运行的时间还不算太长, 合成绝缘子自身的老化、机械强度下降、耐雷水平低等问题暴露不明显, 随上网时间的加长, 必须加强对其电气性能、机械强度的检测, 但检测手段目前世界上尚无便捷的办法,还需要在工程中进一步探索。

5 绝缘子形式的选择

悬式瓷绝缘子、钢化玻璃绝缘子及合成绝缘子各有其优缺点; 同一种绝缘子, 不同的生产厂的产品质量也可能有很大的差别。因此, 笼统地说上述各种绝缘子孰优孰劣是不妥当的; 不分情况单一地推荐采用某一种绝缘子也是不适宜的。

近年来山东省在2 0 k V 线路绝缘子形式的选择上基本处于以下模式: 所有的直线悬垂串包括跳线串均采用国产合成绝缘子; 沿海地区的威海、日照、烟台及内陆的泰安等地区, 线路的耐张串现正在逐步推广使用钢化玻璃绝缘子, 其他内陆地区线路的耐张串还是绝大部分采用双伞型瓷绝缘子。

19 9 9 年9 月投产的邹县电厂至临沂变5 0OkV线路, 全长13 5 km, 线路耐张串全部采用的是中法合资四川(自贡)塞迪维尔(反d ive r )钢化玻璃绝缘子, 处于污秽严重地区的直线串采用进口德国赫斯特公司的合成绝缘子, 一般污秽地区的直线串采用大连电瓷厂的双伞型瓷绝缘子; 将要投产的东线50 kV 沂蒙变至日照变和青岛变至潍坊变两段全长约21 0 k m, 线路耐张串全部采用的是日本N G K唐山厂的瓷绝缘子, 日照变和青岛变段长约1 6 5 k m , 线路耐张串全部采用的是中法合资四川(自贡)塞迪维尔(Se di ve r )钢化玻璃绝缘子; 线路所有的直线串均采用进口德国赫斯特公司的合成绝缘子, 据最新消息5 0OkV 淄博至黄河北(滨洲) 的线路上将首次采用国产的合成绝缘子。

本文较详细介绍了高压架空线路几种常用绝缘子的有关情况, 以及根据各种具体情况选择作用的一般原则。需要强调的一点是, 产品质量的好坏是在选择中需考虑的很重要的因素。

参考文献

1 林凤羽.50 k V 聊城一长清一济南送电线路专题报告:绝缘子形式的选择.

2 顾洪连. 采用引进技术生产的玻璃绝缘子的运行情况.电网技术, 1 9 96 ,(1 ).

3 王靖勤等.运行中的合成绝缘子机电性能的探讨山东电力技术, 1994 ,(4 )