复合绝缘子在特高压直流工程中应用探讨

汪晶毅

（广东省电力设计研究院，广州 510663）

0 引言

硅橡胶复合绝缘子具有重量轻、强度高等优点,在广东地区，复合绝缘子在110～500 kV交直流线路的悬垂串上已得到了广泛应用，效果良好，但在耐张串上应用较少，尤其是在500 kV交直流线路的耐张串上，在特高压直流线路的耐张串上采用复合绝缘子更是缺乏运行经验[1-2]。

本文对复合绝缘子在特高压直流线路中的应用可行性和应用范围进行了探讨，为特高压直流工程中复合绝缘子的推广应用提供参考。

1 直流复合绝缘子的应用现状

1.1 直流复合绝缘子的应用现状

国外从20世纪70年代开始在直流线路上应用高压直流复合绝缘子，截至1992年，美国、新西兰等国的直流线路现场挂网运行9种复合绝缘子800余根[3]，运行区域包括内陆区、海岸区、盐湖工业区及公路污秽区，线路运行电压从±270～±500 kV，运行经验5 500支·a。从运行情况来看，在各种污秽区域，复合绝缘子均显现出良好的耐污闪性能。

我国在1995年成功研制出直流复合绝缘子并挂网运行，葛南、天广、龙政、三广和贵广线(I回)上使用的复合绝缘子已达11 000支[4-5]。超高压直流线路中使用的复合绝缘子数量如表1所示。在运行数年后的电气、机械试验表明，复合绝缘子性能良好，用于±500 kV直流输电线路是可行的。因此在后续的调爬中，这些线路应用了更多的复合绝缘子。

表1 直流超高压线路复合绝缘子使用情况[6]

1.2 特高压直流工程采用复合绝缘子的必要性

南方电网公司于2007年开始建设云南至广东±800 kV直流工程，国家电网正在建设向家坝—上海特高压直流[7]。在“十二五”期间，南网和国网还将建设糯扎渡—广东、锦屏—苏南等特高压直流工程。这些特高压输电工程的落点都是在沿海经济发达地区，污区等级高，一旦发生污闪，势必造成严重的后果。具体地说，特高压直流工程采用复合绝缘子的必要性表现如下。

1）特高压直流工程的电压等级高，输电线路的直流电场强度大，有较强的电晕放电，同时直流积污能力很强。一般统计表明，直流绝缘子表面积污是交流的2～3倍。考虑到我国的大气污染程度随工业发展日益加重，特高压直流线路的污闪将会对系统造成巨大冲击，因此需要采用复合绝缘子提高特高压绝缘子串的耐污闪能力，以保证输电线路可靠、安全运行。

2）特高压直流导线截面大、分裂数多、重量大、杆塔外负荷使用条件要求高，同时由于特高压直流外绝缘水平要求很高，必须采用大吨位的绝缘子。应用大吨位复合绝缘子可以大大减轻绝缘子的重量（约为瓷、玻璃绝缘子的10%），降低杆塔的荷载。

3）复合绝缘子由于优良的憎水性在应用时可以缩短爬距（在重污秽地区其爬电距离可取瓷绝缘子的75%），减小绝缘子长度，有效降低塔头尺寸和工程造价。同时，复合绝缘子的价格也较瓷和玻璃绝缘子便宜，采用复合绝缘子本身就可以节约成本。

4）应用复合绝缘子后期的维护运行较为简单，可有效免除采用瓷绝缘子时的清扫和检测零值工作，大大减轻运行维护的工作量及费用。

在特高压直流上使用复合绝缘子具有显著的经济性，不仅是可行的，同时也是必然的要求。但是考虑到在超高压线路耐张串中复合绝缘子的使用经验仍然偏少，因此对特高压直流耐张串采用复合绝缘子仍需要进一步分析和研究。

2 复合绝缘子在耐张串上的应用

虽然超高压交直流工程中的悬垂串已经广泛使用了复合绝缘子，但是对于耐张串是否能应用复合绝缘子目前还存在争议[8]，运行部门仍持怀疑态度。例如，文献[9]主张“耐张串宜选用玻璃绝缘子或瓷绝缘子，不宜使用复合绝缘子”，主要原因在于：担心复合绝缘子芯棒的脆断和长期运行后的机械性能下降；在耐张串上为了避免踩踏伞裙造成对导线检修困难。

实际上，对广东地区110～500 kV交直流耐张串上复合绝缘子的运行情况统计表明[8]，在较低电压等级下（220 kV和110 kV），耐张串上使用复合绝缘子并未出现芯棒脆断等事故。在较高电压等级下（直流±500 kV和交流500 kV），尽管耐张串上试用的复合绝缘子数量较少，但其运行良好，运行数年后的检验测试也表明复合绝缘子的机械性能未出现下降。例如，在超高压直流线路的耐张串上曾先后试用过复合绝缘子，其中±500 kV龙政线4基耐张塔使用了64支210 kN直流复合绝缘子；±500 kV贵广（Ⅱ回）直流线路在广东境内重污区的1.5基耐张塔上试用了6串24支耐张串直流复合绝缘子，每串采用4×300 kN、双挂点。运行经验表明，复合绝缘子的运行情况均良好。

以上事实说明复合绝缘子具备应用于耐张串的可能性。清华大学对复合绝缘子低吨位的动载试验也表明了这一点[10]。文献[11]分析了耐张串复合绝缘子的在承受运行中可能出现的拉伸、扭转、弯曲、振动等各种载荷，认为复合绝缘子完全可应用在耐张串上。

运行经验和研究结论为推广复合绝缘子在耐张串上的进一步使用奠定了良好的基础，积累了重要的数据。

由于特高压直流耐张塔外负荷很大，如采用玻璃、瓷绝缘子，片数多，重量重，不但绝缘子材料费用上昂贵，同时对耐张塔的强度要求很高。采用复合绝缘子，可以提高耐污闪能力，有效减小串长，降低杆塔的荷载，节省铁塔投资，同时后期维护也较为方便，经济效益显著。

3 国内复合绝缘子的研制和生产情况

经过20多年的生产、研究和应用，国内已出现了众多复合绝缘子生产厂家，产品涵盖了各种电压等级、多种机械强度的交流线路和直流线路，复合绝缘子的制造技术已达国际先进水平。

国产厂家不仅具备了雄厚的复合绝缘子生产能力，在技术水平上也在不断进步，能采用整体注射和压接式工艺研制开发特高压（±800 kV）、大吨位（530 kN及以上）直流复合绝缘子，并通过了相关技术鉴定。除了生产工艺外，生产厂家以及高校、研究所等科研机构在绝缘子型式[6]、均压环设计[12-16]、破坏负荷与额定负荷的关系[17-18]、机械强度的下降[8]、大负荷弯曲、振动影响以及运行维护[8]等方面都展开了广泛深入的研究，取得了十分可喜的成果。

4 复合绝缘子在特高压直流耐张串中的应用

以云广±800 kV直流工程为例，导线采用6×LGJ－630/45钢芯铝绞线，年平均气温条件下的应力为35.316 3 kN。如果耐张串使用双联550 kN复合绝缘子，在最大使用荷载下的安全系数、常年荷载下的绝缘子机械强度安全系数以及断联时的安全系数如表2中所示。

表2 双联550 kN复合绝缘子耐张串荷载计算

根据相关规定[19]，棒型绝缘子在最大使用荷载下机械强度安全系数取3.0，在常年荷载下机械强度安全系数取4.0，断联时安全系数取1.5。从表2耐张绝缘子串荷载安全系数的计算结果看，采用双联550 kN复合绝缘子配置，均能满足规程要求。但是在风速较大地区，安全系数裕度较小。

对于±800 kV直流线路在不同海拔高度中污区的绝缘配置，耐张串按双联考虑，使用复合绝缘子和盘型绝缘子的材料费用计算如表3所示。

由表3可见，即使是在低海拔地区（盘形绝缘子1），耐张串上使用复合绝缘子后，每串能比盘型绝缘子节约近6万元，则每基耐张塔上仅绝缘子材料费用就可节约20余万元。而复合绝缘子串重量不到盘型绝缘子串重量的20%（含金具）。随着海拔高度的增加，以及污秽严重程度的增加，复合绝缘子重量轻、价格便宜的优点会更为显著。由此可见，在耐张串上采用大吨位复合绝缘子的经济效益是非常明显的。

表3 特高压直流线路复合绝缘子与盘型绝缘子的经济效益对比

从安全考虑，耐张串复合绝缘子可通过增加并联联数或提高每联吨位来提高机械可靠性。双联绝缘子的结构简单，受力清晰，运行期间绝缘子出现故障的概率低，便于维护，在国内有着丰富的设计、运行经验，是工程上成熟的、常用的串型。因此，可在线路地形平坦地区、风速小、使用条件较小的耐张塔上挂网试用530 kN/550 kN大吨位复合绝缘子，采用双联配置、双挂点，留足裕度，适当提高安全系数。

特高压直流大吨位复合绝缘子，相对于以往使用的耐张串上的复合绝缘子，在运行时须承受更大载荷和更高的运行电压，复合绝缘子是否会出问题，尚待实际运行检验，绝缘子的长期机械性能也有待实际运行的验证，因此需要谨慎从事。

云广工程中在耐张串上均只少量试用了大吨位复合绝缘子（见图1），全线仅挂36支530 kN复合绝缘子，主要用于广东侧进站段的耐张塔上。“十二五”期间建设的糯扎渡等工程可根据运行情况再调整复合绝缘子在耐张串上的试用范围。

图1 云广特高压直流线路耐张串试用复合绝缘子

5 结论

国内外复合绝缘子多年的运行经验，表明复合绝缘子具有优异的耐污闪性能，可以减轻污秽地区绝缘子表面清扫及零值检测等运行维护管理方面的工作，此外复合绝缘子还具有重量轻、强度高、价格便宜等优点。复合绝缘子在超高压线路耐张塔上的试用经验，说明复合绝缘子也具备应用于耐张串的可能性。

对特高压直流输电工程，导线截面大、分裂数多、重量大、杆塔外负荷使用条件高，同时线路外绝缘水平要求很高，采用复合绝缘子尤其是在耐张串上试用大吨位复合绝缘子，具有显著的经济效益。经过多年的发展，国内涌现出了一批优秀的绝缘子生产厂家，研制开发了大吨位复合绝缘子，其产品可以满足工程的需要。

对特高压直流，电压等级高，在系统中的地位相当重要，在耐张串上使用大吨位复合绝缘子，既需谨慎，也需积极研究和试验。云广±800 kV直流工程已经在耐张串上试用了复合绝缘子。可根据这些绝缘子的运行情况，结合糯扎渡特高压直流等工程的建设需要，再考虑进一步扩大复合绝缘子在耐张串上的使用范围。

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