电站设备外绝缘全复合化趋势

周曙琛，刘西中，朱勇，方江，范克强，张伟，王中阳，周庆庆，邢琳

（1.江苏神马电力股份有限公司，江苏南通 226553；2.青海省电力公司经济技术研究院，青海西宁 810008；3.西北电网有限公司，陕西西安 710048；4.陕西省电力公司规划评审中心，陕西西安 710065）

变电站主要设备分为一次设备和二次设备。一次设备（也称主设备）是构成电力系统的主体，它是直接生产、输送和分配电能的设备，包括变压器、断路器、隔离开关、电力母线、互感器、电抗器、补偿电容器、避雷器、电力电缆等。

绝缘子作为一次设备的外绝缘，主要有瓷绝缘子和复合绝缘子2种。其中复合绝缘子采用非脆性材料，外部伞套材料是硅橡胶，内部绝缘管材料是玻璃纤维增强环氧树脂，相比传统的瓷绝缘子，具有以下优越性能：重量轻、运输安装方便；强度高、不易破碎，抗震性能佳；耐污、湿闪性能优异；免清洗，减少运行维护费用等。正是这些优点，使复合绝缘子逐渐取代瓷绝缘子，成为电站设备外绝缘的首选。国家电网公司在《智能变电站技术导则》中就明确指出“一次设备应具备高可靠性，其外绝缘宜采用复合材料，与当地环境相适应。”所以，复合绝缘子逐步取代传统瓷绝缘子应用于电站设备外绝缘，实现电站外绝缘的全复合化是电网发展的必然趋势[1-3]。

1 电站设备用传统瓷绝缘子的弱点

瓷绝缘子是主要由黏土、长石、石英（或铝氧原料）等铝硅酸盐原料混合配制，经过加工成一定形状，在较高温度下焙烧成的无机绝缘材料，并在表面覆盖一层玻璃质的平滑薄层釉。作为一次设备外绝缘的瓷绝缘子有很多难以克服的先天弱点，下面从瓷绝缘子的材料特性、制造工艺、结构特点等方面论述。

1.1 材料特性

瓷绝缘子的材料是由离子键或共价键所组成的多晶结构,它缺乏能促使材料变形的滑移系统，材料一旦受到外加的负荷,再加上陶瓷工艺所很难避免在材料表面所构成的微缺陷的存在,它们都有可能构成应力并且在这些应力尖端集中。在瓷材料中又没有其他可以消耗外来能量的系统,只有以新的自由能予以交换，所谓新的自由能就是应力尖端的扩展所形成新的表面所吸收的能量。这样的结果就造成应力的快速扩展，进而造成绝缘子的断裂或爆炸。这是瓷绝缘子材料最重要的力学性质。

1.2 制造工艺

瓷材料显微组织复杂且不均匀，这是由于瓷材料的生产制造过程所致。瓷绝缘子一般经过原料的粉碎配制、成型和烧结等过程，其显微组织由晶体相、玻璃相和气相组成，而且各相的相对量相差很大，分布也不均匀。瓷绝缘子一旦烧制成形，其显微组织无法通过冷热加工加以改变。如果瓷件在制作过程中配方不当，工艺流程中原料混合不均匀，焙烧火力不足等，则瓷件易形成吸湿性气孔；而结构不合理或者成型时失误、受力不均等,也会使瓷件内部产生内应力，在使用过程中内应力释放，引起微裂纹，并在载荷作用下逐渐扩大失稳导致断裂。

所以说瓷绝缘子的制造工作有很多不可控因素，在各段工序中都可能引进缺陷，造成瓷绝缘子易断裂或爆炸。表1说明在瓷绝缘子生产工序中可能引进的各类缺陷。

表1 瓷绝缘子生产工序中可能引进的各类缺陷Tab.1 The defects in the production process of porcelain insulators

1.3 结构特点

瓷绝缘子由瓷件、水泥、铸铁法兰这3种材料黏结在一起组成，而3种材料的线膨胀系数和导热系数都是不同的，瓷的膨胀系数为（3.5~4.0）×10-6/℃，水泥为10×10-6/℃，铸铁为12×10-6/℃。由于各部件的膨胀系数不同，在环境温度发生变化的情况下对瓷件造成不均匀的结构应力。由于长期受到过大的应力，会使瓷材料自然劣化，引起原有性能的逐步降低。

由于法兰部分采用水泥作为胶合剂，水泥易吸收水分和CO2后体积会增大，冬季水泥吸收水分后在结冰体积增大情况下，压迫瓷件，久而久之促使瓷件的机械强度下降。

1.4 其他因素

瓷绝缘子在运输、装配和搬运过程中，如果没有妥善的保护措施，在受到外力冲击等因素下，也易造成不同程度的应力损伤。

正是由于上述各种瓷绝缘子本身固有且难以克服的特性，使得瓷绝缘子在使用过程中有易爆炸伤害、闪络跳电、脆断坍塌、湿闪污闪、覆冰闪络等缺点，且瓷绝缘子的制造和使用中会造成资源和环境污染严重、运输和安装不便和维修费用巨大等不利因素。

2 电站设备用复合绝缘子与瓷绝缘子的比较

复合绝缘子作为电力行业外绝缘的新生力量，已逐步大量应用于电站设备。其基本结构图如图1所示（以空心复合绝缘子为例）。相比前节所述的传统瓷绝缘子，其突出的优点如下。

图1 复合绝缘子的结构[2]Fig.1 The structure of the composite insulator[2]

2.1 优异的抗破坏性能

复合绝缘子提供机械强度的绝缘管是由玻璃纤维增强树脂（FRP）材料制成，外部伞套材料是高温硫化硅橡胶（HTV），伞套和内部绝缘管均为非脆性材料，在运输、安装、运行过程中，不易碰损、爆炸、脆断。FRP材料阻尼比是瓷的2倍。阻尼比越大，抗震性能就越好，并且具有优异的抗弯强度，地震时动力反应小，无需加装减震装置。而且，同等抗弯强度的电站用复合绝缘子的重量仅为瓷的40%，重量上的优势同样保证了震动时的结构稳定性。FRP管材内压力许用应力是高强瓷的2~3倍，即使在内压力过大的极端情况下也不发生爆炸，而仅仅通过破口或裂缝泄压，存在对周围设备及人员伤害性小，易于抢修等特点。

而复合绝缘子由于是由非脆性材料制成，所以具有良好的抗破坏性，图2是对复合绝缘子进行的砖击破坏实验，实验结果表明，复合绝缘子未发生断裂及破损，性能优越。

图2 复合绝缘子的抗砖击破坏实验[2]Fig.2 Resistance to destruction test of composite insulators[2]

2.2 优异的抗震性能

电站设备用瓷绝缘子的特点决定了其在地震中的脆弱性，是地震中的易损件。因为陶瓷是脆性材料，抗弯性能很差，加上电站外绝缘设备的结构形状特殊，不仅又细又长，而且上部质量较大，地震时瓷套管的根部承受很大的弯矩，使瓷套管强度不足而断裂，尤其是在瓷套与其他材料的连接处；同时，这类设备的固有频率在1~10 Hz范围内，与地震波的卓越频率相接近，同时这类设备阻尼值较小，其主材料瓷柱属脆性材料，储能能力较小，因此在地震中极易因类共振影响设备遭受破坏。

而复合绝缘子采用的是玻璃纤维增强树脂（FRP）材料，属于韧性材料，阻尼比较大（见表2），储能能力较大，抗弯强度高，且复合绝缘子重量轻，约为瓷绝缘子的1/3，大幅降低设备重心，所以电气设备在地震中更不易损坏。

表2 复合绝缘子和瓷绝缘子相关参数比较Tab.2 Related parameters comparison between composites insulator and porcelain insulators

在2008年5月12日的汶川大地震中，运行在四川的数百支某复合产品成功经受8级地震考验，在瓷套出现断裂事故的情况下完好无损。图3为四川某电站地震后现场图。

图3 复合绝缘子与瓷绝缘子的抗震性能比较Fig.3 The seismic performance of the composite insulator and porcelain insulator

2.3 优异的耐污、雨和冰闪性能

图4 为瓷材料表面亲水性和硅橡胶表面憎水性的对比。在雨水和雾气等湿润的环境中，亲水性的瓷质材料表面会形成连续的水膜，再加上可溶性的污秽物质溶解于其中，形成电导率较高的污湿层，当污秽较重时易发生污闪。

图4 瓷质材料表面亲水性和硅橡胶表面憎水性对比Fig.4 Comparisons between the porcelain surface hydrophilicity and the silicone rubber surface hydrophobic

而复合绝缘子采用高温硫化硅橡胶作为外绝缘伞套材料，其化学结构决定了优异的表面憎水性；并且硅橡胶具有独特的憎水性迁移特性，即使绝缘子表面积污，表面污秽也会很快获得憎水性。从而赋予了复合绝缘子优异的耐污、湿闪性能。研究结果（见图5）表明：其污闪电压比相同泄漏距离的瓷绝缘子高出50%以上[4]。

图5 复合绝缘子和瓷绝缘子污耐压对比[4]Fig.5 Comparison of pollution withstand voltages between the composite insulator and porcelain insulator[4]

正是由于憎水性的不同，复合绝缘子较瓷绝缘子的覆冰闪络要优异很多。图6为2008年南方雪灾中江西500 kV进贤变电站绝缘子覆冰对比，瓷绝缘子覆冰，冰棱桥接闪络，甚至产生爆炸。复合绝缘子由于材料特有的良好热容性及憎水性，不会形成连接的冰棱，避免了闪络及爆炸事故。

图6 复合绝缘子和瓷绝缘子表面覆冰对比Fig.6 Comparison of ice covered conditions between the composite insulator and porcelain insulator

2.4 胶装工艺

瓷绝缘子由于胶装时各项材料的膨胀系数不同而导致的密封性能不佳，经常造成事故。例如2010年12月14日05时24分，在无任何操作和异常信号情况下，某电力公司500 kV变电站发生断路器A相在运行中自行断落故障。检查发现灭弧室法兰与瓷套结合部位封装油漆劣化；法兰与瓷套结合处内1 cm左右处的瓷件断面有发黄痕迹，如图7所示，判断是胶状工艺不良导致水汽渗入，进而破坏断路器外绝缘，致事故发生。

复合绝缘子法兰胶装部位采用与玻璃钢同种材质的树脂作为胶黏剂，有效保证了与玻璃钢的黏结度，同时由于材料性质相同，无膨胀系数差异，因而受外界温度变化的影响较小。此外，在法兰与管体结合面采用有效的密封措施，保证胶装区不受外界湿气等影响。

对神马电力复合绝缘子进行密封性能试验，样品放置在试验箱中，2 h从室温升温到100℃，并保持8 h；保温结束后的4 h逐渐降温到-50℃，并保持8 h；保温结束后的4 h逐渐升温到100℃，并保持8 h；一次高温和一次低温为一个循环，共计10个循环，最后从低温-50℃恢复到室温。测试密封性能，绝缘子无损坏且密封性能良好。实验参数如图8。

图8 冷热循环试验（-50~+100℃）Fig.8 High and low temperature cycle test（-50~+100℃）

在试验完成后测试密封性能，年泄漏率仍为0.001 4%（国标要求年泄漏率小于0.5%）。此后，进行了内压力试验，冷热循环后破坏值为5.4 MPa，而未进行高低温循环试验的同批产品内压力平均破坏值为5.5 MPa，几乎未有变化。从而得出结论：剧烈的温差变化对某复合绝缘子胶装区域几乎没有任何影响。

2.5 清洗和维护

瓷绝缘子为了防止污闪，须定期喷涂RTV维护，复合绝缘子免维护，所以在电站的全生命周期中瓷绝缘子维护成本远高于复合绝缘子[3]。复合绝缘子由于其独有的憎水性和憎水性迁移，使其在运行过程中可以无需清扫维护。表3是对瓷绝缘子和复合绝缘子的清扫与维护评估比较。

表3 瓷绝缘子和复合绝缘子的清扫与维护评估比较Tab.3 Comparative evaluation of the cleaning and maintenance between the porcelain insulator and composite insulator

2.6 资源节约和环境保护优势

传统瓷绝缘子采用不可再生的黏土作为原材料，对环境破坏较大。在其制造过程中采用大量油、气烧制，且重量大，其生产、运输和安装全流程能源消耗和碳排放量极高。复合绝缘子采用蕴含量极大的石英矿和金属硅矿作为原材料，在生产、运输和安装全流程的能源消耗与碳排放量是瓷产品的1/3，属于典型的“资源节约型”和“环境友好型”产品。

2.7 生产周期优势

瓷绝缘子的材料特性和加工工艺决定了产品交货周期长，甚至于一些工程出现了整体进度受制于瓷绝缘子交货期的现象。复合绝缘子的材料特性和加工工艺决定了产品易于形成批量、规模化生产，在保证质量稳定的同时，极大地缩短了交货周期。一般来说，某公司复合绝缘子的交货周期是瓷绝缘子的50%左右，并且产品采用大型数控自动化设备，产品一次合格率高，大大提高了产品生产效率和质量的稳定性、一致性。

瓷质材料脆性的致命弱点以及生产工艺和生产过程中可控性差，复合绝缘子无论在材料性能还是生产过程的可控性都具有无可比拟的优势，以神马公司生产的复合绝缘子为例主要表现在以下几点：

1）神马公司的复合绝缘子主体为高性能环氧树脂玻璃钢筒，由环氧树脂胶液浸透玻璃纤维缠绕而成。在成型过程中，环氧树脂胶液经过一系列物理、化学变化过程，形成环氧树脂基体（环氧树脂固化物），并与纤维结合成一个整体，从而充分发挥了原材料的潜在能力，使材料呈现出优异的复合效果。玻璃钢筒体采用湿法缠绕成型技术制造，恒温恒湿的全封闭环境和四维全自动数控缠绕设备，全流程可控的工艺有效保证了玻璃钢筒性能的稳定性和可靠性，杜绝了局部弱点出现的可能性，实现了整体产品优异的机械和电气性能。

2）伞裙采用整体真空注射成型工艺，通过对注射装备、注射模具和注射工艺进行技术创新，实现了特大型高精度全密封注射结构设计与制造技术、16点冷流道注射系统及模具流道系统设计、特大型复合绝缘子整体真空注射成型工艺技术，有效保障了产品内外绝缘的可靠黏接。由于产品采用一次真空注射成型工艺，杜绝了硅橡胶内部可能出现的缺陷，确保了产品质量的稳定与可靠。

3）法兰胶装部位采用与玻璃钢同种材质的树脂作为胶黏剂有效保证了与玻璃钢的黏结度，同时由于材料性质相同，无膨胀系数差异，因而受外界温度变化的影响较小。此外，在法兰与管体结合面采用有效的密封措施，保证胶装区不受外界湿气等影响。为了考核绝缘子胶装区域耐冷热循环及热老化性能，产品顺利通过了Alstom热稳定试验及热老化试验，热稳定试验即绝缘子在-50~+100℃的温度下循环10次，热老化试验即绝缘子在+100℃下维持2 000 h，试验后绝缘子仍能保持优异的密封性能，且机械性能（内压力及弯曲）未见明显下降。2种试验充分考虑了复合绝缘子胶装区域耐受冷热循环及长期高温的运行环境，有效证明了神马公司的复合绝缘子远胜于瓷质绝缘子的性能。

复合绝缘子与瓷质绝缘子性能对比如表4。

3 复合绝缘子在各类电站设备的应用

在电站设备外绝缘的应用上，复合绝缘子比瓷质绝缘子具备更优异的运行可靠性，能够将设备事故率降至最低。某复合空心绝缘子能够满足电站全部设备外绝缘使用要求，运行时间最长已达到12 a，挂网运行业绩丰富，在国家电网及南方电网特高压交、直流工程中得到广泛应用，无一例事故，实践证明神马复合绝缘子性能优越，安全可靠。下面就神马复合绝缘子在全球各地电站设备的应用举例。

3.1 变压器

3.1.1 复合绝缘子在变压器中的使用优势

除了第2节提到复合绝缘子相对于瓷绝缘子有着优异的抗破坏性能、优异的耐污闪、冰闪等性能。由于变压器用绝缘子很多是接触变压器油的，所以变压器中的复合绝缘子还需要考虑其耐油性。

而在耐油性方面，神马对管耐油性及硅橡胶耐油性进行了大量深入研究。对于绝缘管耐油性，复合绝缘子内衬选用耐油材料，根据GB/T 17623-1998绝缘油中溶解气体组分含量的气相色谱测定法进行了验证，结论合格；对于硅橡胶耐油性，硅橡胶材料表面粘变压器油后对其性能影响甚微。图9显示的是神马硅橡胶的耐变压器油实验，表5显示实验结果。

表4 复合绝缘子与瓷质绝缘子性能对比Tab.4 Performance comparison between the composite insulator and porcelain insulator

图9 是神马硅橡胶的耐变压器油实验Fig.9 Transformer oil resistance test of SHENMA silicon rubber

表5 神马硅橡胶的耐变压器油实验结果Tab.5 Transformer oil resistance test results for SHENMA silicon rubber

3.1.2 复合绝缘子在变压器上的应用举例

图10为神马公司空心复合绝缘子用于昆明特高压2 250 kV试验变压器运行情况图，证明神马复合绝缘子完全满足变压器外绝缘使用。

图10 2 250 kV试验变压器用空心复合绝缘子昆明特高压运行实景Fig.10 2 250 k V UHV test transformer with hollow composite insulator running at Kunming

3.2 柱式断路器

3.2.1 复合绝缘子在柱式断路器中的使用优势

在柱式断路器上最为重要的要求是在开关开断时灭弧单元承受内压力强，而瓷绝缘子由于是脆性材料，在压力下其本身的裂纹扩大，易发生断裂或爆炸。而复合绝缘子的内压力许用应力是高强瓷的2~3倍。即使在内压力过大的极端情况下不发生爆炸，而仅仅通过破口或裂缝泄压。

断路器外绝缘的复合绝缘子和瓷质绝缘子在内部过压对比试验结果见图11，瓷绝缘子过压即发生爆炸、断裂，碎片四溅；而复合绝缘子，气体从相对薄弱点释放，不会爆炸，更无散射的碎片，整体结构能够得到保持，对断路器无损伤，对周围设备也无损害。

图11 复合与瓷绝缘子柱式断路器的过压对比试验[2]Fig.11 Shatter test of live tank circuit breaker[2]

另外耐电弧能力是断路器非常重要的性能。某公司研发的复合绝缘子内衬采用可耐腐蚀和耐受极限高温的新型材料，可以满足断路器设备极限开端的苛刻要求。某某公司252 kV及550 kV 2支空心复合绝缘子已经在某院运行1 a多时间，其中252 kV在一个月时间内累积电流超过2 000 kA，550 kV累积电流达到4 000 kA以上，经过多次观察，绝缘子内壁完好，无明显损伤，完全能满足灭弧室开断要求。图12为该绝缘子的内壁情况。

图12 复合绝缘子耐电弧后内壁情况Fig.12 Composite insulator liner after arc resistance test

3.2.2 复合绝缘子在柱式断路器上应用举例

图13为某公司复合绝缘子应用与某550 kV断路器，相关运行数据表明该复合绝缘子完全能够满足柱式断路器的使用需要。

图13 复合绝缘子应用与550 kV断路器Fig.13 550 kV circuit breaker applied in composite insulator

3.3 避雷器

3.3.1 复合绝缘子在避雷器中的使用优势

一般情况下，避雷器设备与其保护的设备并联。因此，避雷器用绝缘子除了承受长期的工频耐受电压外还间断地承受工频过电压、雷电过电压和操作过电压等暂态过电压的作用。复合绝缘子承受高电压方面较瓷绝缘子具有明显的优势，复合绝缘子护套的伞裙采用模具整体注射成型，在与瓷套有着相同干弧距离的情况下，可以达到远大于四级污秽的爬距。此外，由于避雷器大多属于细长结构，重心较高，根部承受很大的弯矩，如采用瓷套管因强度不足易发生根部断裂，而复合绝缘子在此方面拥有明显的优势。

3.3.2 复合绝缘子在避雷器上的应用举例

图14为某空心复合绝缘子应用于印度CG1 200 kV避雷器，并通过了相关型式试验。

图14 空心复合绝缘子应用于1 200 k V避雷器Fig.14 Hollow composite insulator applied in 1 200 k V surge arrester

3.4 互感器

3.4.1 复合绝缘子在互感器中的使用优势

一般互感器上端有线圈，在风力作用及振动（比如说地震情况）下，会在下端的绝缘子根部产生较大的抗弯力。在相同的强度要求下，瓷套的厚度及重量要远大于复合护套。第2节提到，由于脆性材料的缘故，瓷套管容易断裂；而复合绝缘子由非脆性材料制成，抗弯强度远大于瓷绝缘子。

3.4.2 复合绝缘子在互感器上的应用举例

图15显示的是神马复合绝缘子应用于洛大变电站363 kV电流互感器，自投运以来，运行情况良好。

图15 洛大变电站363 kV电流互感器Fig.15 363 kV CT at Luoda Substation

3.5 开关设备（GIS、HGIS、罐式断路器、PASS、COMPASS）

3.5.1 复合绝缘子在开关设备中的使用优势

开关设备用复合绝缘子承受SF6气体内压力，第2节已经论述，瓷绝缘子由于是脆性材料，在内压力下其本身的裂纹扩大从而导致发生断裂或爆炸；而复合绝缘子由于是由非脆性材料制成，其内压力许用应力是高强瓷的2~3倍，即使在内压力过大的极端情况下也不发生爆炸，而仅仅通过破口或裂缝泄压。

3.5.2 复合绝缘子在开关设备中的应用举例

某开关设备用复合绝缘子已用于湖北荆门站1 100 kV GIS、青海官亭站750 kV GIS、宁夏贺兰山变电站750 kV罐式断路器和宁夏黄河变电站750 kV罐式断路器等。图16、图17是部分应用示意图。

图16 复合绝缘子用于湖北荆门站1 100 kV GISFig.16 Composite insulator applied in 1 100 kV GISat Jinmen Substation

图17 750 kV复合绝缘子应用于宁夏黄河变电站罐式断路器Fig.17 Composite insulator applied in 750 kV DTB at Huanghe Substation

3.6 支柱绝缘子

支柱绝缘子对很多设备起支撑作用，在电站中应用非常广泛，可以用在电抗器、母线支柱和隔离开关上等[5]。

3.6.1 复合绝缘子在支柱绝缘子中的使用优势

常见的支柱绝缘子有棒形瓷支柱绝缘子，其缺点是：易碎断，抗震性差，在直流系统表面易积污的情况下，因其外绝缘耐污秽能力差，运行中必须定期清扫，工作量很大，图18为瓷支柱绝缘子的断裂情况。

图18 瓷支柱绝缘子的断裂情况Fig.18 Porcelain post insulator rupture

复合支柱绝缘子由于采用的是环氧树脂玻璃钢筒，阻尼比是瓷的2倍，具有优异的弯曲作用应力和抗弯强度，解决了瓷支柱绝缘子的缺陷，绝缘性能好，抗震性能优异，运行中无需定期清扫，维护工作量小。

3.6.2 支柱复合绝缘子的应用举例

神马支柱复合绝缘子已用于±1 560 kV昆明特高压基地母线支柱[6]、±660 kV宁东工程宁夏银川东换流站、山东青岛换流站电抗器和母线支柱等。图19、图20是部分应用示意图。

图19 ±800 kV支柱复合绝缘子配套应用在平波电抗器上Fig.19 Composite post insulator applied in±800 kV smoothing reactor

图20 ±1 560 kV母线支柱Fig.20 ±1 560 k V bus bar

4 结论

1）近年来，电站设备用瓷绝缘子事故频发，且呈上升趋势。

2）瓷质材料固有的脆性和亲水性特点，加之瓷绝缘子在生产过程中环节较多，质量上的不完全可控性客观存在，瓷绝缘子胶装结构的缺陷等因素都是造成瓷绝缘子损坏的主要原因。

3）复合绝缘子优异的防爆及抗震性能，耐污、雨和冰闪性能、材料性质均一的胶状结构，以及完全可控的真空注射一体成型工艺决定了其在电站设备上应用的优势，可从根本满足电站一次设备外绝缘要求。

4）针对电站设备用复合绝缘子，神马通过深入研究彻底解决了耐老化问题，并在多项老化试验及实际运行中得到性能验证。

总之，面对目前电站设备用瓷绝缘子污闪、湿闪，频频损坏，不断危害电网安全运行的严峻情况，神马空心复合绝缘子的出现必定能够彻底解决这一行业难题，复合绝缘子在电站设备上的应用是电站设备外绝缘全复合化发展的必然趋势。

[1] 关志成.绝缘子及输变设备外绝缘[M].北京：清华大学出版社，2006.

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