摘要: 本文對(duì)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(diǎn)和性能上進(jìn)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(duì)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(duì)線路的安全運(yùn)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(dāng), 一方面會(huì)帶來(lái)電網(wǎng)安全運(yùn)行的不安全因素, 另一方面使線路運(yùn)行單位減人增效的要求難以落實(shí)。一條高壓輸電線路鉆山越嶺, 經(jīng)過(guò)各種地形, 將會(huì)遇到不同的污染源, 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展, 交通運(yùn)輸、水泥造紙等污染行業(yè)在快速發(fā)展。絕緣子種類(lèi)的選擇和絕緣配備恰當(dāng)與否, 對(duì)線路的安全運(yùn)行至關(guān)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(lèi)選擇及絕緣配置時(shí), 了解各種絕緣子性能及有關(guān)情況是非常必要的。現(xiàn)將上述各種絕緣子的特性及有關(guān)情況分別敘述如下,以希望對(duì)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(pán)型懸式瓷絕緣子是最早使用的絕緣子, 它隨著電力工業(yè)的發(fā)展而首先發(fā)展起來(lái), 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(pán)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(yīng)用于各種電壓等級(jí)的輸電線路上。近年來(lái), 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(yùn)行效果。
隨著電網(wǎng)的不斷擴(kuò)大, 瓷絕緣子的用量迅速增加, 瓷絕緣子也暴露出一些缺點(diǎn), 它屬于可擊穿型絕緣子, 其絕緣性能隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)逐漸降低甚至完全喪失, 即通常所說(shuō)的瓷絕緣子的" 老化"現(xiàn)象。導(dǎo)致絕緣子老化的原因有外因和內(nèi)因兩個(gè)方面: 其一是在污穢濕潤(rùn)條件下泄漏電流和雷擊閃絡(luò)電弧引起絕緣子表面老化; 另一是在長(zhǎng)期機(jī)電負(fù)荷或溫度變化所引起的老化, 后者常稱(chēng)為" 經(jīng)年老化" 。造成經(jīng)年老化的主要原因有: 瓷件的吸濕性,即瓷件在使用中會(huì)吸收外界的水分而逐漸使絕緣強(qiáng)度降低; 一般懸式絕緣子為內(nèi)膠裝結(jié)構(gòu), 膠裝粘合劑水泥和鋼腳、鐵帽、瓷件的熱膨脹系數(shù)各不相同, 溫度變化時(shí)各部件熱脹系數(shù)的差異將使瓷件受到壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力; 水泥的長(zhǎng)期膨脹(俗稱(chēng)"水泥生長(zhǎng)")使瓷件和鐵帽受到局部應(yīng)力和疲勞效應(yīng); 瓷件在制造過(guò)程中可能殘留的內(nèi)在微小裂縫, 這種內(nèi)在缺陷通過(guò)冷熱和耐受電壓等項(xiàng)試驗(yàn)有時(shí)難以檢出和剔除, 使用中這種微小裂縫會(huì)發(fā)展等等。為了剔除這些老化絕緣子, 線路運(yùn)行部門(mén)每年都要花大量的人力和物力, 對(duì)絕緣子進(jìn)行絕緣檢測(cè), 由于測(cè)試儀器及測(cè)試人員技術(shù)水平、責(zé)任心等方面的原因, 錯(cuò)檢、漏檢現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。由于線路絕緣在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了一定的安全系數(shù)和裕度, 在線路正常運(yùn)行情況下, 個(gè)別老化絕緣子的存在, 尚不至于對(duì)線路的安全運(yùn)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(luò)(或污閃)時(shí), 由于較高的雷電流和隨后的工頻續(xù)流(或短路電流), 可能會(huì)使該老化絕緣子頭部因瞬間驟熱而發(fā)生爆炸, 絕緣子斷串造成導(dǎo)線落地的惡性事故。19 9 6 年12 月下旬, 我國(guó)華東、華中、華北、西北及山東等地區(qū), 發(fā)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(luò)絕緣子串中因絕緣子制造質(zhì)量或老化而炸裂, 導(dǎo)致2 6 串?dāng)啻?其中5 0Ok V 線路5串, 3 3OkV 線路2 串),2 3 起導(dǎo)線落地或落于塔窗的嚴(yán)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(guò)實(shí)驗(yàn), 老化絕緣子的存在對(duì)線路的安全運(yùn)行是一種潛在的威脅。瓷絕緣子的老化率是隨著其運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸上升的。據(jù)調(diào)查, 國(guó)產(chǎn)絕緣子的年老化率總體水平約0.2 % , 不同廠家的產(chǎn)品, 差異也較大。日本N〔; K 懸式瓷絕緣子的年老化率據(jù)稱(chēng)約為1 忍0 萬(wàn)。
根據(jù)瓷絕緣子的老化率, 運(yùn)行部門(mén)確定相應(yīng)的測(cè)零周期。我國(guó)一些運(yùn)行部門(mén)確定測(cè)零周期為2年。絕緣子耐污特性的好壞對(duì)線路的安全性也至關(guān)重要。X W PZ 雙傘形耐污絕緣子耐污特性優(yōu)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(shí)它又是敞開(kāi)式的, 具有較好的自清洗能力, 所以它的自然積污量?jī)H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(yùn)行情況良好。
3 鋼化玻璃絕緣子
鋼化玻璃絕緣子具有優(yōu)良的機(jī)電性能, 其抗拉強(qiáng)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(dòng)疲勞、耐電弧燒傷和耐冷熱沖擊性能也優(yōu)于瓷絕緣子。玻璃絕緣子在制造過(guò)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(gè)噴嘴吹拂冷空氣進(jìn)行急冷鋼化, 使玻璃的表層固定有一較大的壓縮應(yīng)力, 一方面起阻止表面裂紋的形成和擴(kuò)展, 同時(shí)起抗外力的作用, 使玻璃實(shí)質(zhì)上得到鋼化。當(dāng)鋼化玻璃絕緣子有內(nèi)部缺陷(例如玻璃體內(nèi)殘存有雜質(zhì))或受大的外力沖擊時(shí), 絕緣子玻璃體外層壓應(yīng)力和內(nèi)部張應(yīng)力的平衡受到破壞, 內(nèi)部的張應(yīng)力得到" 釋放" ,使玻璃體爆得粉碎, 這就是通常所說(shuō)的" 零值自爆" 。
零值自爆是鋼化玻璃絕緣子一大特點(diǎn), 也是一大優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)殇摶ＡЫ^緣子具有零值自爆的絕緣自我淘汰的能力, 因而無(wú)需對(duì)其進(jìn)行絕緣測(cè)試(測(cè)零), 大大減輕維護(hù)工作量, 也利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和更換零值絕緣子; 具有零值絕緣子的絕緣子串, 當(dāng)發(fā)生污閃或雷擊閃絡(luò)時(shí), 短路電流在零值絕緣子鐵帽和鋼腳的外部通過(guò)而不經(jīng)過(guò)鐵帽內(nèi)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(cè)試表明, 零值自破后的殘余強(qiáng)度仍然很高, 均大于額定負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)值, 因此不會(huì)造成導(dǎo)線落地事故。國(guó)內(nèi)外的運(yùn)行實(shí)踐還證明, 鋼化玻璃絕緣子具有長(zhǎng)期穩(wěn)定的機(jī)電性能,具有較長(zhǎng)的使用壽命, 使用較早的法國(guó)、意大利及前蘇聯(lián)等國(guó), 認(rèn)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(fā)生在施工和運(yùn)行初期, 隨著時(shí)間的延長(zhǎng), 自爆率逐年下降并趨于穩(wěn)定。這個(gè)特點(diǎn)與瓷絕緣子正好相反。從線路運(yùn)行安全方面考慮, 應(yīng)當(dāng)說(shuō)這是鋼化玻璃絕緣子的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。耐污型鋼化玻璃絕緣子的外型由于其制造技術(shù)原因均作成鐘罩型, 一部分地區(qū)認(rèn)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(zhì)絕緣子、清掃不方便, 使用范圍受到限制, 有待有關(guān)部門(mén)對(duì)其傘型結(jié)構(gòu)進(jìn)一步研究改進(jìn), 完善鋼化玻璃絕緣子產(chǎn)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(guó)南京電瓷廠19 5 8 年開(kāi)始研制鋼化玻璃絕緣子,1 97 0 年建成一條機(jī)械化生產(chǎn)線批量生產(chǎn)。1 9 9 4 年6 月, 該廠引進(jìn)意大利技術(shù)的玻璃絕緣子生產(chǎn)線正式投產(chǎn), 設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力按L X Y 一70 計(jì)算為2 0 0 萬(wàn)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(dòng)膠裝生產(chǎn)線于1 9 9 4 年末建成投產(chǎn), 設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為巧O 萬(wàn)片/ 年。該廠生產(chǎn)的鋼化玻璃絕緣子, 玻璃件系在法國(guó)的塞迪維爾公司生產(chǎn), 鋼帽系中法合資自貢薩法姆鑄鐵有限公司引進(jìn)法國(guó)塞迪維爾技術(shù)及設(shè)備所生產(chǎn), 所用鋼腳按Se di ve r 公司的工藝和質(zhì)量要求定點(diǎn)生產(chǎn)配套。
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4 合成絕緣子
合成絕緣子又稱(chēng)復(fù)合絕緣子, 是近年來(lái)開(kāi)發(fā)的一種新型絕緣子, 它具有強(qiáng)度高、重量輕、無(wú)零值、污閃電壓高、抗撞擊、不用清掃、不破碎等諸多優(yōu)點(diǎn), 自問(wèn)世以來(lái)就受到世界各國(guó)的重視, 并于八十年代推出了技術(shù)更為成熟的第二代產(chǎn)品。我國(guó)自八十年代初著手開(kāi)發(fā), 中期掛網(wǎng)試運(yùn)行, 進(jìn)人九十年代已形成35 一so kV 等級(jí)的棒型懸式合成絕緣子批量生產(chǎn)的能力, 目前生產(chǎn)制造及掛網(wǎng)運(yùn)行的勢(shì)頭十分迅猛。
目前國(guó)外生產(chǎn)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(guó)內(nèi)則全部生產(chǎn)硅橡膠合成絕緣子。用硅橡膠制作傘裙與護(hù)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(yùn)行維護(hù)的工作量和費(fèi)用。19 8 9 年元月我國(guó)華東地區(qū)發(fā)生污閃事故,19 90 年春季華北地區(qū)發(fā)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(qū)發(fā)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(xiàn)出優(yōu)良的耐污性能。美國(guó)是使用合成絕緣子時(shí)間最早、數(shù)量最多的國(guó)家。早年美國(guó)選用合成絕緣子主要是為防槍擊, 近年來(lái)提高耐污性能和減少維護(hù)費(fèi)用已成為選用合成絕緣子的首要因素。優(yōu)良的耐污性能和不清掃, 是合成絕緣子迅猛發(fā)展的主要原因。
合成絕緣子具有優(yōu)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(jié)構(gòu)上屬于不可擊穿型絕緣子, 無(wú)需測(cè)零, 從而減輕了運(yùn)行維護(hù)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(yùn)輸和組裝都很方便。近年來(lái)其它絕緣子的價(jià)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(jià)格劣勢(shì)在逐步消除。為了減少線路污閃事故的發(fā)生, 提高線路運(yùn)行的可靠性, 近年來(lái), 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(guó)有近10 家制造廠具備了規(guī)模生產(chǎn)的能力, 并已由數(shù)萬(wàn)支合成絕緣子掛網(wǎng)運(yùn)行。但國(guó)產(chǎn)合成絕緣子的各項(xiàng)性能指標(biāo), 與進(jìn)口合成絕緣子相比還有一定的差距。美國(guó)是使用合成絕緣子最早、最多、最普遍的國(guó)家之一, 據(jù)報(bào)導(dǎo), 到8 0 年代末, 合成絕緣子已占美國(guó)絕緣子市場(chǎng)的2 0 % , 現(xiàn)已成為美國(guó)新建線路部分或全線的唯一選擇。
目前國(guó)內(nèi)使用的合成絕緣子, 2 20k V 線路用國(guó)產(chǎn)的500kV 線路有一部分是國(guó)產(chǎn)的, 較大部分是進(jìn)口的。進(jìn)口的合成絕緣子主要是美國(guó)可靠(R e -hab le )公司和德國(guó)赫斯特公司兩家的產(chǎn)品。在注意合成絕緣子優(yōu)良性能的同時(shí), 對(duì)合成絕緣子存在的問(wèn)題也應(yīng)引起足夠的重視。合成絕緣子是有機(jī)材料制成的, 一般來(lái)說(shuō), 有機(jī)材料的老化速度比陶瓷、玻璃等無(wú)機(jī)材料要快。雖然有資料認(rèn)為硅橡膠是有機(jī)高分子硅氧聚合物, 具有" 接近無(wú)機(jī)硅酸鹽的各種抗老化性能" , 但是, 國(guó)內(nèi)有的運(yùn)行時(shí)間并不長(zhǎng)的合成絕緣子, 就發(fā)生過(guò)不同程度的老化現(xiàn)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(guān)注的問(wèn)題。除芯棒材質(zhì)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(wèn)題, 國(guó)外采取整體模壓生產(chǎn)工藝。目前國(guó)內(nèi)只有少數(shù)廠家開(kāi)始采用這種生產(chǎn)工藝。整體模壓, 不僅對(duì)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(zhì)量的提高。國(guó)內(nèi)合成絕緣子曾發(fā)生過(guò)界面擊穿和芯棒"脆斷" 事故。
由于合成絕緣子在我國(guó)特別是在我省掛網(wǎng)運(yùn)行的時(shí)間還不算太長(zhǎng), 合成絕緣子自身的老化、機(jī)械強(qiáng)度下降、耐雷水平低等問(wèn)題暴露不明顯, 隨上網(wǎng)時(shí)間的加長(zhǎng), 必須加強(qiáng)對(duì)其電氣性能、機(jī)械強(qiáng)度的檢測(cè), 但檢測(cè)手段目前世界上尚無(wú)便捷的辦法,還需要在工程中進(jìn)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(yōu)缺點(diǎn); 同一種絕緣子, 不同的生產(chǎn)廠的產(chǎn)品質(zhì)量也可能有很大的差別。因此, 籠統(tǒng)地說(shuō)上述各種絕緣子孰優(yōu)孰劣是不妥當(dāng)?shù)? 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(lái)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(guó)產(chǎn)合成絕緣子; 沿海地區(qū)的威海、日照、煙臺(tái)及內(nèi)陸的泰安等地區(qū), 線路的耐張串現(xiàn)正在逐步推廣使用鋼化玻璃絕緣子, 其他內(nèi)陸地區(qū)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(chǎn)的鄒縣電廠至臨沂變5 0OkV線路, 全長(zhǎng)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(yán)重地區(qū)的直線串采用進(jìn)口德國(guó)赫斯特公司的合成絕緣子, 一般污穢地區(qū)的直線串采用大連電瓷廠的雙傘型瓷絕緣子; 將要投產(chǎn)的東線50 kV 沂蒙變至日照變和青島變至濰坊變兩段全長(zhǎng)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(zhǎng)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(jìn)口德國(guó)赫斯特公司的合成絕緣子, 據(jù)最新消息5 0OkV 淄博至黃河北(濱洲) 的線路上將首次采用國(guó)產(chǎn)的合成絕緣子。
本文較詳細(xì)介紹了高壓架空線路幾種常用絕緣子的有關(guān)情況, 以及根據(jù)各種具體情況選擇作用的一般原則。需要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是, 產(chǎn)品質(zhì)量的好壞是在選擇中需考慮的很重要的因素。
參考文獻(xiàn)
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