复合绝缘子耐张串安全系数取值的建议

吴庆华，汪雄，王昕

(1.中南电力设计院，武汉市 430071;2.南方电网超高压输电公司，广州市 510620)

0 引言

目前，复合绝缘子串大量用于电网工程，在防污闪方面发挥了很大作用。高压输电线路中复合绝缘子大多用于悬垂串，也有少量用于耐张串。设计规程针对盘式绝缘子规定了最大使用荷载条件下，绝缘子机械强度安全系数取2.7。当复合绝缘子被大量使用后，根据其特点和运行经验，设计规程做出了新的规定。新规定中棒式绝缘子(其中包括复合绝缘子)最大使用荷载条件下机械强度安全系数取3.0，高于盘式绝缘子;绝缘子在正常运行的常年荷载下满足机械强度安全系数不小于4.0。

复合绝缘子在长期机械负荷作用下存在蠕变，其机械强度会降低［1-5］。为有效控制复合绝缘子质量，IEC 61109—2008标准对复合绝缘子蠕变斜率做出了规定:长期蠕变特性曲线的斜率取8%，短时破坏强度相对标准偏差取8%。我国特高压工程考虑到工程的重要性和已提升的生产技术水平，上述2个绝缘子控制值相对IEC 61109—2008标准都有所提高，分别为 4%和 5%［6］。

尽管复合绝缘子存在长期蠕变问题，但制造和工程设计时采取了相应的技术控制措施，复合绝缘子悬垂串还是得到了广泛应用，且运行中总体表现良好，并未因蠕变出现绝缘子故障。复合绝缘子长期蠕变与其受力直接相关，当用于耐张串时，蠕变特性与悬垂是否一致需要注意。目前，复合绝缘子耐张串用量较少，且运行时间短，暂时未有相关绝缘子故障报道。为了确保长期使用过程中，复合绝缘子耐张串机械性能满足使用要求，有必要对复合绝缘子耐张串设计安全系数取值进行研究。

1 悬垂串和耐张串受力比较

考虑2种典型的气象区:无冰区，最大风速为27 m/s，年平均气温为20℃，最低气温为-5℃;有冰区，最大风速为27 m/s，年平均气温为15℃，最低气温为-10℃，覆冰为10 mm，最高气温为40℃。水平档距取600 m，垂直档距取800 m，代表档距取600 m。导线选取6×LGJ-630/45型。导线的计算拉断力为148.7 kN，设计最大允许张力为56.46 kN，年平均气温条件下张力为35.26 kN。不同气象条件下悬垂串和耐张串的受力计算结果如表1所示。

表1 不同气象条件下绝缘子串的受力计算值Tab.1 Stress calculated value of insulator string in different meteorological conditions

由表1可以得出以下几个结论:

(1)耐张串与悬垂串受力比。当水平档距取600 m，垂直档距取800 m时，耐张串与悬垂串受力比为2.1～2.3;当垂直档距由1 000 m变化到600 m(水平档距、代表档距考虑相应的变化)时，耐张串与悬垂串受力比由3.1变化到1.6，耐张串的受力远大于悬垂串。

(2)绝缘子串受力的变化，即负荷波动区间。悬垂串在无冰区中最大最小负荷差为29.8 kN，为最大负荷的23.5%;而耐张串在无冰区中最大最小负荷差为71.7 kN，为最大负荷的26.0%。悬垂串在有冰区中最大最小负荷差为59.1 kN，为最大负荷的37.9%;而耐张串在有冰区中最大最小负荷差为135.9 kN，为最大负荷的40.2%。耐张串最大最小负荷差不仅比悬垂串的大，而且占最大负荷的比例也高，这说明耐张串的受力状态比悬垂串恶劣。研究发现，动载条件下绝缘子的抗疲劳能力会下降。

(3)绝缘子机械强度的控制气象条件。在无冰区，绝缘子机械强度控制条件为常年荷载(年平均气温)下满足安全系数不小于4.0;最大负荷条件出现在最大风时，悬垂串、耐张串安全系数均为3.06。在有冰区，绝缘子机械强度控制条件是安全系数3.0，最大负荷条件出现在覆冰条件下。悬垂串常年荷载(年平均气温)下安全系数为4.83，耐张串常年荷载(年平均气温)下安全系数为4.79，耐张串的安全储备不比悬垂串好。

(4)绝缘子机械强度的选择根据使用条件进行。理论上，耐张串的实际使用机械强度可以采用100%允许使用机械强度，而悬垂串的机械强度的数学期望值是100%允许使用机械强度，实际为70% ～100%允许使用机械强度。试验发现，短时机械强度过高的绝缘子试品，其长期蠕变性能往往变差。

因此，耐张串机械性能的运行环境比悬垂串恶劣得多。

2 气候条件变化引起的负荷波动

气候条件变化导致的负荷波动变化对复合绝缘子机械强度是有影响的。高频的负荷振动对复合绝缘子机械强度的影响有较多研究，但低频的负荷振动对复合绝缘子机械强度的影响未见报道。对于存在蠕变特性的复合绝缘子来说，需要研究这种变化的特点。

针对绝缘子受力变化，气候条件中的主要影响因素有风速、覆冰和温度等。其中，温度变化在一般档距下对悬垂串受力影响不大。以百色、楚雄和宜宾3个城市的气象记录为条件，进行温度变化对耐张串影响的研究。

百色市气象站某年2、6、10月逐日最高气温如图1所示，2月份最高气温变化时绝缘子串的受力如图2所示。从图2中可以看出，高温条件下绝缘子串张力的变化在1个月内大约经历了3个周期，平均10天变化1次，变化幅度约为5%。

图3是以百色、楚雄和宜宾3个城市某年逐月平均最低气温条件得出的绝缘子串受力。从图3中可以看出，在月平均最低气温条件下绝缘子串张力的变化在1年中经历了1个周期，变化幅度为2% ～5%。

图3 三地逐月平均最低气温时的绝缘子串张力变化Fig.3 Stress of insulator string of three cities in monthly mean minimum temperature condition

考虑实时气温变化，同时计及风或冰的作用，绝缘子串受力的变化幅度巨大，且表现为复杂的多频变化。从表1可以看出，随着设计气象条件的变化，绝缘子最大负荷是常年负荷的1.3～1.6倍，极端条件下绝缘子最大负荷是常年负荷的1.4～1.7倍。

3 耐张串设计安全系数取值的建议

目前，复合绝缘子设计安全系数的取值是基于绝缘子50年蠕变特性确定的［7］。绝缘子的额定机械负荷在50年中以蠕变斜率直线下降至最低持续耐受负荷。根据复合绝缘子试验数据，复合绝缘子的短时破坏强度一般为其额定机械负荷的1.5～1.65倍。按照4%的蠕变斜率，可以求得复合绝缘子运行50年后的机械强度为其额定机械负荷的1.0～1.1倍。由此可以看出，当蠕变斜率取4%时，复合绝缘子运行50年后的机械强度不低于其额定机械负荷(90%概率)。

通过选择恰当的约束条件，使得绝缘子在各种工况下的实际负荷始终在额定机械负荷至最低持续耐受负荷这根下降的直线之下，并保持一定的安全裕度，便可保证绝缘子的安全运行。当绝缘子瞬间最大运行负荷小于最低持续耐受负荷时，便可保证绝缘子长时间安全运行。

同时为了尽量减少复合绝缘子的蠕变，绝缘子常年负荷也不宜大于短时破坏强度的15%。

当绝缘子瞬间最大运行负荷小于最低持续耐受负荷时，可以推导出设计稳态负荷与绝缘子额定机械负荷安全系数为2.9～3.1。当常年负荷小于短时破坏强度的15%时，可以推导出常年负荷与绝缘子额定机械负荷安全系数约为4.0。50年后2个安全系数分别下降为2.1和2.8。规程规定，棒式绝缘子最大使用荷载安全系数不小于3.0，常年荷载安全系数不小于4.0［8-9］，但是以上安全系数取值并未区别耐张串和悬垂串。

4 结语

耐张串的运行环境比悬垂串恶劣，绝缘子串设计的安全系数应有所区别。考虑到耐张串长期受力大、受气象条件影响严重、实际安全储备低等多种因素，建议最大使用荷载条件下机械强度安全系数取3.5，正常运行常年荷载条件下满足安全系数不小于4.5。这样，50年后2个安全系数分别下降后，不小于悬垂串的安全系数2.1和2.8。

［1］GB 50545—2010 110～750 kV架空输电线路设计规范［S］.

［2］吴庆华，谢帮华.输电铁塔中相采用T型串减小塔窗尺寸的分析［J］.电力建设，2011，32(4):39-41.

［3］吴庆华，李健，万志方，等.500 kV单回路耐张塔边相跳线直跳上绕布置［J］.电力建设，2009，30(12):14-17.

［4］卢明，马晓久，阎东，等.复合绝缘子芯棒脆断原因分析［J］.电磁避雷器，2007(4):1-4.

［5］梁曦东，戴建军.防护复合绝缘子芯棒脆断的方法［J］.中国电机工程学报，2006，26(10):138-142.

［6］GB/T 19519—2004标称电压高于1 000 V的交流架空线路用复合绝缘子:定义、试验方法及验收准则［S］.

［7］梁曦东，薛家麒.棒形悬式合成绝缘子许用负荷的选取方法［J］.中国电力，1994(8):35-38.

［8］石玉东.220 kV瓷芯复合绝缘子耐张串的设计与应用［J］.电力建设，2008，29(11):49-51.

［9］张福林，陈虹丽，王黎明.复合绝缘子振动蠕变特点及试验参数的确定［J］.电磁避雷器，2004(4):1-4.