摘要: 本文對高壓架空輸電線路常用的幾種絕緣子(懸式瓷絕緣子、鋼化玻璃絕緣子、合成絕緣子三種)作綜合介紹, 并從各自的特點和性能上進行論述比較, 提出了高壓架空輸電線路選擇絕緣子形式的建議, 希望對輸電線路的絕緣選擇和配備有所幫助。

1 前言

高壓輸電線路所采用絕緣子的型式及絕緣配置, 對線路的安全運行有很大的影響。絕緣子是架空送電線路重要的組成元件, 若絕緣子的選型和絕緣配置不當, 一方面會帶來電網安全運行的不安全因素, 另一方面使線路運行單位減人增效的要求難以落實。一條高壓輸電線路鉆山越嶺, 經過各種地形, 將會遇到不同的污染源, 隨著經濟的發展, 交通運輸、水泥造紙等污染行業在快速發展。絕緣子種類的選擇和絕緣配備恰當與否, 對線路的安全運行至關重要。目前架空輸電線路上常用的絕緣子形式有3 種, 分別是瓷絕緣子、鋼化玻璃絕緣子及合成絕緣子。在絕緣子種類選擇及絕緣配置時, 了解各種絕緣子性能及有關情況是非常必要的。現將上述各種絕緣子的特性及有關情況分別敘述如下,以希望對高壓架空輸電線路的絕緣子形式選擇和絕緣配備有所幫助。

2 瓷絕緣子

腳帽式盤型懸式瓷絕緣子是最早使用的絕緣子, 它隨著電力工業的發展而首先發展起來, 已有近10 0 多年的悠久歷史, 也是目前仍然廣泛采用的一種絕緣子。盤型懸式瓷絕緣子具有良好的絕緣性能、耐氣候性、耐熱性和組裝靈活性, 被廣泛應用于各種電壓等級的輸電線路上。近年來, 隨著防污閃事故的需求, 各種防污型懸式瓷絕緣子相繼投人使用, 取得了良好的運行效果。

隨著電網的不斷擴大, 瓷絕緣子的用量迅速增加, 瓷絕緣子也暴露出一些缺點, 它屬于可擊穿型絕緣子, 其絕緣性能隨著運行時間的延長會逐漸降低甚至完全喪失, 即通常所說的瓷絕緣子的" 老化"現象。導致絕緣子老化的原因有外因和內因兩個方面: 其一是在污穢濕潤條件下泄漏電流和雷擊閃絡電弧引起絕緣子表面老化; 另一是在長期機電負荷或溫度變化所引起的老化, 后者常稱為" 經年老化" 。造成經年老化的主要原因有: 瓷件的吸濕性,即瓷件在使用中會吸收外界的水分而逐漸使絕緣強度降低; 一般懸式絕緣子為內膠裝結構, 膠裝粘合劑水泥和鋼腳、鐵帽、瓷件的熱膨脹系數各不相同, 溫度變化時各部件熱脹系數的差異將使瓷件受到壓應力和剪切應力; 水泥的長期膨脹(俗稱"水泥生長")使瓷件和鐵帽受到局部應力和疲勞效應; 瓷件在制造過程中可能殘留的內在微小裂縫, 這種內在缺陷通過冷熱和耐受電壓等項試驗有時難以檢出和剔除, 使用中這種微小裂縫會發展等等。為了剔除這些老化絕緣子, 線路運行部門每年都要花大量的人力和物力, 對絕緣子進行絕緣檢測, 由于測試儀器及測試人員技術水平、責任心等方面的原因, 錯檢、漏檢現象時有發生。由于線路絕緣在設計時考慮了一定的安全系數和裕度, 在線路正常運行情況下, 個別老化絕緣子的存在, 尚不至于對線路的安全運行造成危害。但是混有老化絕緣子的絕緣子串, 在遭受雷擊閃絡(或污閃)時, 由于較高的雷電流和隨后的工頻續流(或短路電流), 可能會使該老化絕緣子頭部因瞬間驟熱而發生爆炸, 絕緣子斷串造成導線落地的惡性事故。19 9 6 年12 月下旬, 我國華東、華中、華北、西北及山東等地區, 發生大面積污閃事故, 共涉及50 OkV 線路巧條,3 3OkV 線路2 條,2 2 OkV 線路5 1 條: 污閃跳閘共3 6 7 次, 其中閃絡絕緣子串中因絕緣子制造質量或老化而炸裂, 導致2 6 串斷串(其中5 0Ok V 線路5串, 3 3OkV 線路2 串),2 3 起導線落地或落于塔窗的嚴重事故(其中5 0 0 kV 3 起, 3 3 0 k V2 起)。

武漢高壓研究所在這方面作過實驗, 老化絕緣子的存在對線路的安全運行是一種潛在的威脅。瓷絕緣子的老化率是隨著其運行時間的延長而逐漸上升的。據調查, 國產絕緣子的年老化率總體水平約0.2 % , 不同廠家的產品, 差異也較大。日本N〔; K 懸式瓷絕緣子的年老化率據稱約為1 忍0 萬。

根據瓷絕緣子的老化率, 運行部門確定相應的測零周期。我國一些運行部門確定測零周期為2年。絕緣子耐污特性的好壞對線路的安全性也至關重要。X W PZ 雙傘形耐污絕緣子耐污特性優良,一方面由于其流體阻力較小, 不易形成渦流, 因此在使用中自然積污較少, 同時它又是敞開式的, 具有較好的自清洗能力, 所以它的自然積污量僅是普通絕緣子的50 % 左右, 再則也便于人工清掃或帶電水沖洗。我省近年大量使用了這種形式的絕緣子, 運行情況良好。

3 鋼化玻璃絕緣子

鋼化玻璃絕緣子具有優良的機電性能, 其抗拉強度是瓷絕緣子的2.2 倍, 耐電擊穿性能是瓷絕緣子的3.8 倍, 耐振動疲勞、耐電弧燒傷和耐冷熱沖擊性能也優于瓷絕緣子。玻璃絕緣子在制造過程中, 將成型制品在比軟化變形溫度稍低的溫度下,快速向爐外取出, 用多個噴嘴吹拂冷空氣進行急冷鋼化, 使玻璃的表層固定有一較大的壓縮應力, 一方面起阻止表面裂紋的形成和擴展, 同時起抗外力的作用, 使玻璃實質上得到鋼化。當鋼化玻璃絕緣子有內部缺陷(例如玻璃體內殘存有雜質)或受大的外力沖擊時, 絕緣子玻璃體外層壓應力和內部張應力的平衡受到破壞, 內部的張應力得到" 釋放" ,使玻璃體爆得粉碎, 這就是通常所說的" 零值自爆" 。

零值自爆是鋼化玻璃絕緣子一大特點, 也是一大優點。因為鋼化玻璃絕緣子具有零值自爆的絕緣自我淘汰的能力, 因而無需對其進行絕緣測試(測零), 大大減輕維護工作量, 也利于及時發現和更換零值絕緣子; 具有零值絕緣子的絕緣子串, 當發生污閃或雷擊閃絡時, 短路電流在零值絕緣子鐵帽和鋼腳的外部通過而不經過鐵帽內部(因自爆后的絕緣子其鐵帽和鋼腳間的空間距離很短), 這就大大減少斷串的概率。零值自破后的殘錘往往使人有不安全感, 但大量的測試表明, 零值自破后的殘余強度仍然很高, 均大于額定負荷的標準值, 因此不會造成導線落地事故。國內外的運行實踐還證明, 鋼化玻璃絕緣子具有長期穩定的機電性能,具有較長的使用壽命, 使用較早的法國、意大利及前蘇聯等國, 認為鋼化玻璃絕緣子不老化, 它使用的壽命取決于絕緣子金屬附件的壽命。

鋼化玻璃絕緣子的自爆, 多發生在施工和運行初期, 隨著時間的延長, 自爆率逐年下降并趨于穩定。這個特點與瓷絕緣子正好相反。從線路運行安全方面考慮, 應當說這是鋼化玻璃絕緣子的一個優點。耐污型鋼化玻璃絕緣子的外型由于其制造技術原因均作成鐘罩型, 一部分地區認為鐘罩型鋼化玻璃絕緣子的自潔性能不如W X PZ 雙傘型瓷質絕緣子、清掃不方便, 使用范圍受到限制, 有待有關部門對其傘型結構進一步研究改進, 完善鋼化玻璃絕緣子產品系列。降低鋼化玻璃絕緣子的年零值自破率水平, 以便更廣泛的推廣使用。

我國南京電瓷廠19 5 8 年開始研制鋼化玻璃絕緣子,1 97 0 年建成一條機械化生產線批量生產。1 9 9 4 年6 月, 該廠引進意大利技術的玻璃絕緣子生產線正式投產, 設計生產能力按L X Y 一70 計算為2 0 0 萬片/ 年。中法合資四川(自貢) 塞迪維爾(Se di ve r )鋼化玻璃絕緣子有限公司一期工程自動膠裝生產線于1 9 9 4 年末建成投產, 設計生產能力為巧O 萬片/ 年。該廠生產的鋼化玻璃絕緣子, 玻璃件系在法國的塞迪維爾公司生產, 鋼帽系中法合資自貢薩法姆鑄鐵有限公司引進法國塞迪維爾技術及設備所生產, 所用鋼腳按Se di ve r 公司的工藝和質量要求定點生產配套。

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4 合成絕緣子

合成絕緣子又稱復合絕緣子, 是近年來開發的一種新型絕緣子, 它具有強度高、重量輕、無零值、污閃電壓高、抗撞擊、不用清掃、不破碎等諸多優點, 自問世以來就受到世界各國的重視, 并于八十年代推出了技術更為成熟的第二代產品。我國自八十年代初著手開發, 中期掛網試運行, 進人九十年代已形成35 一so kV 等級的棒型懸式合成絕緣子批量生產的能力, 目前生產制造及掛網運行的勢頭十分迅猛。

目前國外生產的合成絕緣子, 主要是硅橡膠絕緣子和乙丙橡膠(E PD M )絕緣子, 國內則全部生產硅橡膠合成絕緣子。用硅橡膠制作傘裙與護套的合成絕緣子, 由于硅橡膠表面的憎水性, 以及硅橡膠憎水性的遷移, 使附著在傘裙表面的污穢層也具有憎水性, 這不但大大提高了合成絕緣子的抗污能力, 也免除了人工清掃絕緣子的困難, 從而大大減輕了運行維護的工作量和費用。19 8 9 年元月我國華東地區發生污閃事故,19 90 年春季華北地區發生污閃事故, 以及1 9 9 6 年末華東、華中、華北、西北及山東等地區發生大面積污閃事故, 在這幾次污閃事故中, 合成絕緣子均表現出優良的耐污性能。美國是使用合成絕緣子時間最早、數量最多的國家。早年美國選用合成絕緣子主要是為防槍擊, 近年來提高耐污性能和減少維護費用已成為選用合成絕緣子的首要因素。優良的耐污性能和不清掃, 是合成絕緣子迅猛發展的主要原因。

合成絕緣子具有優良的電氣性能: 其工頻干閃電壓略高于瓷絕緣子串, 工頻濕閃電壓較瓷絕緣子串約高巧%, 雷電沖擊50 % 放電電壓比瓷絕緣子串高5 %。合成絕緣子的閃絕緣距離和外絕緣距離幾乎相等, 結構上屬于不可擊穿型絕緣子, 無需測零, 從而減輕了運行維護的工作量。

合成絕緣子的重量約為瓷絕緣子的1/7一1 /1 0, 抗撞擊, 運輸和組裝都很方便。近年來其它絕緣子的價格在不斷提高, 而合成絕緣子由于成型容易、廢品少、成本低, 價格劣勢在逐步消除。為了減少線路污閃事故的發生, 提高線路運行的可靠性, 近年來, 部分新建的50 0 kV 送電線路已全部或大部分改成合成絕緣子。目前, 我國有近10 家制造廠具備了規模生產的能力, 并已由數萬支合成絕緣子掛網運行。但國產合成絕緣子的各項性能指標, 與進口合成絕緣子相比還有一定的差距。美國是使用合成絕緣子最早、最多、最普遍的國家之一, 據報導, 到8 0 年代末, 合成絕緣子已占美國絕緣子市場的2 0 % , 現已成為美國新建線路部分或全線的唯一選擇。

目前國內使用的合成絕緣子, 2 20k V 線路用國產的500kV 線路有一部分是國產的, 較大部分是進口的。進口的合成絕緣子主要是美國可靠(R e -hab le )公司和德國赫斯特公司兩家的產品。在注意合成絕緣子優良性能的同時, 對合成絕緣子存在的問題也應引起足夠的重視。合成絕緣子是有機材料制成的, 一般來說, 有機材料的老化速度比陶瓷、玻璃等無機材料要快。雖然有資料認為硅橡膠是有機高分子硅氧聚合物, 具有" 接近無機硅酸鹽的各種抗老化性能" , 但是, 國內有的運行時間并不長的合成絕緣子, 就發生過不同程度的老化現象, 如傘裙彈性減弱, 易撕裂, 干閃、濕閃電壓降低, 硅橡膠表面憎水性減弱等。合成絕緣子的老化率和有效壽命, 是值得十分關注的問題。除芯棒材質外, 潮氣入侵芯棒, 是造成合成絕緣子" 脆斷"的主要原因。為解決此問題, 國外采取整體模壓生產工藝。目前國內只有少數廠家開始采用這種生產工藝。整體模壓, 不僅對解決端頭密封有利, 也大大減少傘裙與傘套間連接的界面, 有利于合成絕緣子質量的提高。國內合成絕緣子曾發生過界面擊穿和芯棒"脆斷" 事故。

由于合成絕緣子在我國特別是在我省掛網運行的時間還不算太長, 合成絕緣子自身的老化、機械強度下降、耐雷水平低等問題暴露不明顯, 隨上網時間的加長, 必須加強對其電氣性能、機械強度的檢測, 但檢測手段目前世界上尚無便捷的辦法,還需要在工程中進一步探索。

5 絕緣子形式的選擇

懸式瓷絕緣子、鋼化玻璃絕緣子及合成絕緣子各有其優缺點; 同一種絕緣子, 不同的生產廠的產品質量也可能有很大的差別。因此, 籠統地說上述各種絕緣子孰優孰劣是不妥當的; 不分情況單一地推薦采用某一種絕緣子也是不適宜的。

近年來山東省在2 0 k V 線路絕緣子形式的選擇上基本處于以下模式: 所有的直線懸垂串包括跳線串均采用國產合成絕緣子; 沿海地區的威海、日照、煙臺及內陸的泰安等地區, 線路的耐張串現正在逐步推廣使用鋼化玻璃絕緣子, 其他內陸地區線路的耐張串還是絕大部分采用雙傘型瓷絕緣子。

19 9 9 年9 月投產的鄒縣電廠至臨沂變5 0OkV線路, 全長13 5 km, 線路耐張串全部采用的是中法合資四川(自貢)塞迪維爾(反d ive r )鋼化玻璃絕緣子, 處于污穢嚴重地區的直線串采用進口德國赫斯特公司的合成絕緣子, 一般污穢地區的直線串采用大連電瓷廠的雙傘型瓷絕緣子; 將要投產的東線50 kV 沂蒙變至日照變和青島變至濰坊變兩段全長約21 0 k m, 線路耐張串全部采用的是日本N G K唐山廠的瓷絕緣子, 日照變和青島變段長約1 6 5 k m , 線路耐張串全部采用的是中法合資四川(自貢)塞迪維爾(Se di ve r )鋼化玻璃絕緣子; 線路所有的直線串均采用進口德國赫斯特公司的合成絕緣子, 據最新消息5 0OkV 淄博至黃河北(濱洲) 的線路上將首次采用國產的合成絕緣子。

本文較詳細介紹了高壓架空線路幾種常用絕緣子的有關情況, 以及根據各種具體情況選擇作用的一般原則。需要強調的一點是, 產品質量的好壞是在選擇中需考慮的很重要的因素。

參考文獻

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