聚合金硅绝缘子在油田电力线路中的应用

熊春宇

大庆油田工程有限公司

绝缘子是用来支持导体并使其绝缘的器件,能够耐受电压和机械应力作用.在架空线路中,绝缘子主要用于牢固地支持和固定载流导线,并在载流导线与支撑金具之间形成良好的绝缘.绝缘子作为一种特殊的绝缘控件,在架空输电线路中起着重要作用.绝缘子不应该由于环境和电负荷条件发生变化而失效,否则就会降低整条线路的使用和运行寿命[1].

1 绝缘子的发展过程

作为输电线路主要构件之一的绝缘子,可由4种材质构成,即陶瓷、玻璃、有机复合和聚合金硅绝缘子.

1.1 瓷绝缘子

自电源诞生起,输电的绝缘器件一直沿用陶瓷质绝缘子(以下简称瓷绝缘子).瓷绝缘子具有机械强度高、电绝缘强度好、使用寿命长、抗气候变化的性能强、组装灵活等优点,长期以来受到电力部门的重视和采用.但是,随着科技的进步和电力产品迫切发展的需求,常规瓷绝缘子的生产工艺和产品的机电性能呈现出诸多不足[2].首先,瓷绝缘子生产周期长、工序多,实现机械化、自动化生产的难度大,受原材料的材质尤其是矿物原料的质量波动影响大,又因其在生产过程中受工艺因素影响较多,产品质量时有波动,给输电线路安全运行带来隐患.其次,在输电线路架设前,需对瓷绝缘子逐只摇测绝缘电阻或做耐受电压等预防性试验,在电力运行过程中需登塔逐只带电检测,每年需要花费大量的人力和物力.而且检测的准确率在很大程度上受到大气湿度、人工调整火花间隙的大小、作业人员的经验和责任心等因素的影响,难免有漏检或错判的瓷绝缘子仍在线路上运行,给电力线路安全运行留下隐患.

1.2 玻璃绝缘子

为解决瓷绝缘子在产品性能和生产工艺上的不足,20世纪30年代,英国首先在输电线路上试用退火玻璃绝缘子.但因其机械强度低,耐冷热急变的温差小(35 K),于1933年转产盘形悬式钢化玻璃绝缘子(以下简称玻璃绝缘子).玻璃绝缘子是瓷绝缘子派生产品,能够弥补瓷绝缘子的不足.玻璃绝缘子的生产过程可以实现机械化和自动化,工序少(元件制造仅四道工序),能实行计算机控制,工艺因素影响少,产品质量稳定.而且钢化玻璃件不易老化,产品使用寿命长.另外,玻璃绝缘子具有零值自爆的特性,钢化玻璃的每种损坏都会造成绝缘子的破坏,运行人员在巡线时很容易发现,使之具有便于检测的优点[3].

1.3 有机复合绝缘子

20世纪60年代,法国在美国投产了玻璃绝缘子生产线,产品在输电线路上取得了较好的运行业绩.但是,由于在美国大量私人拥有枪支,枪击输电线路绝缘子尤其是玻璃绝缘子的事件频繁发生,愈演愈烈,形成了公害,电网的停电事故时有发生.为稳定美国电网安全,科技人员研制出有机复合绝缘子,基本上解决了绝缘子受到枪击破坏的问题.同时该产品结构简单,与瓷绝缘子和玻璃绝缘子相比,其电气和机械性能可调范围大,加之体积小、质量轻、耐污性能强和无须检测零值等优点,已成为电力部门大量采用的新一代绝缘子[4].

有机复合绝缘子在我国研制并大批量应用是在20世纪80年代,主要用来提高绝缘子的防污能力.原因是我国工业化程度的加速发展,大气污染日趋严重,电网污闪事故不断发生.为遏制污闪事故,有机复合绝缘子获得蓬勃发展的机遇.但在发展中亦存在一些不足之处:如生产厂家众多,质量分散性较大,芯棒脆断时有发生;蠕变导致机械强度下降,尤其是积污层过厚,憎水性能得不到瞬时恢复,导致污闪事故重演.

1.4 聚合金硅绝缘子

从2001年开始,我国开始创新研发聚合金硅绝缘子.历时15年,聚合金硅绝缘子研发成功.聚合金硅绝缘子具有伞裙机械强度高、硬度大、电气性能好的特点.配以优质高强的芯棒,聚合金硅绝缘子材料的性能和产品的机电强度均优于目前生产的复合绝缘子,尤其是它的体积电阻达到10X 1015Ω,是瓷和玻璃绝缘子难以达到的,可以大批量地应用在交流和直流输电线路上.另外,聚合金硅绝缘子的伞裙光滑无棱,不易积污且硬度高,有利于线路维护人员进行清扫.

2 绝缘子应用及存在的问题

油田配电线路一般采用10(6)kV架空线路,大部分线路采用瓷绝缘子,部分采用复合绝缘子.从2015年开始,油田开始挂网试用聚合金硅绝缘子.玻璃绝缘子一般用于35 kV以上架空线路,在油田10(6)kV架空线路使用较少.

2.1 瓷绝缘子

(1)支柱瓷绝缘子.支柱瓷绝缘子由铁帽、绝缘瓷件和钢脚组成,并用胶合剂胶合为一体[5].支柱瓷绝缘子在油田10(6)kV架空线路应用极为广泛,主要用于直线杆、分支杆上,具有绝缘、支撑固定导线的作用.支柱瓷绝缘子绝缘性能优良,使用过程中很少发生绝缘子击穿故障.但是,由于支柱瓷绝缘子采用"瓷包铁"结构,部件之间采用胶合方式连接,两种材质的机械强度和热膨胀系数均不同,在气温较低时,两种材质交接处形成热应力,易发生断裂,造成线路接地故障,需要停电更换.以喇嘛甸油田为例,2016-2018年配电线路共发生支柱瓷绝缘子断裂28起,其中大部分发生在12月至次年3月温度极低的冬季.

(2)悬式瓷绝缘子.悬式瓷绝缘子由瓷绝缘件和金属附件(如钢脚、铁帽、法兰等)通过胶合剂胶合或机械卡装而成[6].悬式瓷绝缘子在油田10(6)kV架空线路应用也很广泛,主要用于分支杆、转角杆、耐张杆和终端杆上,具有绝缘、牵引固定导线的作用.由于单片悬式瓷绝缘子经常发生雷击闪络,直至绝缘击穿,在油田一般采用加装双片悬式瓷绝缘子的方法,以增大爬电距离,提高绝缘性能,避免绝缘子雷击击穿故障.但是,由于双片悬式瓷绝缘子质量成倍增加,长期运行易造成导线弛度增大,导致导线相间距离不足,造成相间短路跳闸故障.喇嘛甸油田仅在2018年就发生过13起此类故障,造成线路跳闸停电.

2.2 玻璃绝缘子

玻璃绝缘子在油田中主要用于35 kV以上架空线路.由于其电击穿强度、抗老化性、耐油污性、耐电弧性能等均优于瓷绝缘子,在油田35 kV以上架空线路应用很广泛.

2.3 有机复合绝缘子

有机复合绝缘子主要由玻璃纤维环氧树脂引拔棒、硅橡胶伞裙、金具三部分组成.其硅橡胶伞裙采用整体注压工艺,从而解决了影响有机复合绝缘子可靠性的关键问题(界面击穿).玻璃引拔棒与金具的联结采用最先进的压接工艺,配有全自动声波探伤检测系统,具有强度高、外型美观、体积小等特点[7].有机复合绝缘子在油田10(6)kV架空线路虽应用较少,但使用效果较好.存在的问题是伞裙易被鸟啄坏,造成绝缘子绝缘性能下降.

2.4 聚合金硅绝缘子

聚合金硅绝缘子由聚合金硅绝缘材料制成,聚合金硅绝缘子串由环氧树脂玻纤棒、聚合金硅伞套伞裙、金属件三部分组成.产品质量轻,仅为瓷质绝缘子质量的35%,不易碎,易于装卸和运输,可以大大减少配电线路和电杆的荷载,避免导线拉伸导致导线弛度增大造成的相间短路故障.

喇嘛甸油田从2017年起开始采用聚合金硅绝缘子替换油田配电线路断裂的瓷支柱绝缘子,采用聚合金硅绝缘子串替换相间短路故障点的双片悬式瓷绝缘子,使用后未再发生故障.

聚合金硅绝缘材料是由两种高分子聚合物和硅化合物材料合金改性而成的一种新型合金绝缘材料,呈白色固体颗粒状,具有热塑特性,其流动性好,易加工,合金材料结构稳定,绝缘性优异,且具有抗电击穿、抗拉伸等性能.聚合金硅绝缘子具有以下优越性:

(1)比瓷绝缘子、复合绝缘子具有更好的电气性能.

(2)可设计多种结构尺寸,满足不同电气性能和机械性能,可避免鼠类、鸟类的侵害;结构形状

表1 瓷、玻璃、有机复合和聚合金硅绝缘子技术性能对比Tab.1 Technical properties comparison of porcelain,glass,organic composite and polymeric gold silicon insulators

3 聚合金硅绝缘子的优越性

稳定,在风沙、台风、雷雨、暴雪等恶劣气象环境下形状稳定,有利于线路安全运行.符合我国瓷绝缘子的各项指标要求,且比其具有更优异的憎水性能,同时满足美国ANS129.5、ANS129.6标准的技术要求.

(3)设计耦合多层伞裙结构,具有递降的直径和长爬距,比瓷绝缘子更具有可设计性,可满足不同电气性能需求.

(4)一旦伞裙表面汇聚较多水分和污秽时具有自动下流的特性,其耐污秽性能远优于瓷绝缘子.

(5)采用高抗冲击设计,特别是在低温条件下,更具有优势.

(6)材料质量轻、强度高,绝缘子本体具有荷载能力,其质量仅是瓷绝缘子材料的35%,大大减少了运输费用和安装工作量,且减小了安装人员高空作业的风险.

(7)可减小对输电线缆的磨损,保护了线缆.

(8)无线电干扰极小,减小了线路无线电干扰程度.

(9)具有稳定的耐紫外线老化性能,经1 000 h全天候老化试验后仍保持优异的特性,其使用寿命可达30~35年.

(10)材料可回收再生循环使用,环保性强.

目前在输电线路上常用的有瓷、玻璃、有机复合、聚合金硅4种绝缘子,因材质不同和生产工艺各异,在技术性能上各不相同[8].4种绝缘子的技术性能对比见表1.从对比结果上可以看出,聚合金硅绝缘子弥补了另外3种绝缘子的不足,更具有综合优势.

4 结束语

聚合金硅绝缘子与传统的瓷、玻璃、有机复合绝缘子相比具有更优异的综合性能,弥补了传统绝缘子性能的不足.聚合金硅绝缘子具有绝缘性能更好,抗雷电性能更强,体积小、质量轻,便于安装,运行更安全的特点,可进一步提高油田配电线路输电的稳定性和可靠性.在喇嘛甸油田试用2年来,从未发生过绝缘子断裂、击穿事故,也未发生过因绝缘子太重造成的导线弛度增大而导致的相间短路故障,值得在油田大力推广应用.