超高压输电线路复合瓷绝缘子的运行状况分析

廖兴华，巢亚锋，岳一石，王珂，段建家，王成

(1. 国网湖南省电力有限公司衡阳供电分公司，湖南衡阳421000；2. 国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南长沙410007；3. 国网湖南省电力有限公司岳阳供电分公司，湖南岳阳414000)

0 引言

复合瓷绝缘子是以瓷为内绝缘件, 以高温硫化硅橡胶伞套材料作为外绝缘, 并将瓷件全部包覆[1-2]。从一定程度上来说, 复合瓷绝缘子具备瓷绝缘子稳定的机械性能, 断串、掉线概率基本为零, 同时具备复合绝缘子的防污性能[3-4]。经过十多年的发展, 复合瓷绝缘子工艺已逐步成熟, 应用面也从局部低电压线路试点走向特高压工程。根据厂家业绩统计显示, 目前我国电网各电压等级在运行的各类复合瓷绝缘子数量已达300 万片。

复合瓷绝缘子是一种新型绝缘子, 目前针对其研究较少, 文献 [5] 抽取两个厂家共计20 片新制复合瓷绝缘子 (A 类) 样品进行实验, 发现复合瓷绝缘子憎水性达到HC1 级, 且具有良好的机械性能和耐工频交流电压性能, 但耐雷击水平有所欠缺。尽管大多数项目实验室测试性能较好, 预期寿命较长, 但用户较为关心的运行状况目前尚无研究。

湖南电网运行环境复杂, d 级及以上污区面积超过29%[6], pH 低于5.6 的酸性湿沉降面积约40%[7], 外绝缘防污形势严峻。湖南电网从20 世纪90 年代开始批量进行复合化改造, 复合绝缘子、防污闪涂料 (RTV、RTV-Ⅱ)、防污闪辅助伞裙等大量应用在超高压线路, 提高了防污水平, 但也出现诸如掉串、劣化快等问题[8-13]。湖南电网自2013 年开始在超高压直流输电线路试用复合瓷绝缘子 (B 类) 至今, 已在超特高压输电线路累积应用20 余万片。本文基于近13 年湖南电网超特高压线路外绝缘防污治理情况, 总结超特高压线路防污治理中发现的问题, 介绍复合瓷绝缘子的应用历史及现状, 对运行4 年的直流复合瓷绝缘子取样并进行抽样试验, 以期为超特高压线路外绝缘治理和设计提供参考。

1 超高压线路外绝缘配置及运行现状

1.1 超特高压线路外绝缘防污配置现状

采用爬电比距法对湖南电网所辖超高压输电线路开展外绝缘配置校核, 结果见表1。500 kV 交直流线路不满足防污闪要求的线路总共有38 条, 杆塔2 149 基, 占总杆塔基数的11.95%, 其中 d 级污区不满足防污闪要求的杆塔数量最多, 共1 778基。

表1 超特高压输电线路不满足防污闪要求杆塔统计表

1.2 历年污闪情况

2002—2018 年, 所辖线路共计发生污闪跳闸134 条次 (其中冰闪跳闸121 条次), 如图1 所示。

图1 历年线路污 (冰) 闪跳闸统计

1.3 外绝缘防污闪治理采取的措施及存在问题

在采用复合瓷绝缘子之前, 湖南电网输电线路防污闪治理主要采取3 种方式: 增加绝缘子片数或采用大爬距绝缘子, 在瓷绝缘子或玻璃绝缘子表面喷涂防污闪材料, 将绝缘子更换为复合绝缘子。2006 年至今, 湖南电网500 kV 交直流输电线路复合化治理5 117 基。目前, 湖南电网65 条500 kV及以上输电线路共17 986 基杆塔中, 复合绝缘子7 125基, 占比39.61%；喷涂防污闪涂料绝缘子2 047基, 占比11.38%。这些防污治理措施在一定程度上提高了线路的防污 (冰) 闪水平, 但也存在一些问题。

1.3.1 直接增加绝缘子或采用大爬距绝缘子调爬

直接在原绝缘子串增加单元数或采用大爬距绝缘子是最广泛采用的调爬措施。然而在应用中, 受导线对地距离的限制, 很多线路绝缘子串长增加有限或根本无法增加, 采用大爬距绝缘子爬距增加有限。

1.3.2 更换复合绝缘子

复合绝缘子因爬距能按需定制且复合材料防污性能优异, 自20 世纪末开始被广泛采用。2006—2018 年, 湖南电网对18 条超高压线路共3 075 基杆塔更换复合绝缘子, 如图2 所示。

图2 2006—2018 年更换复合绝缘子明细

实际运行中, 曾出现5 次复合绝缘子掉串。并且近7 年每年对复合绝缘子的抽检中均发现憎水性丧失的问题, 截至目前, 历年挂网的复合绝缘子有12 条线路、共计 3 012 基憎水性下降到 HC6。此外, 湖南冬季极易覆冰, 多年运行发现复合绝缘子在冰冻情况下易桥接、伞裙下耷, 绝缘性能迅速下降。

1.3.3 采用防污闪涂料

2006—2015 年, 湖南电网在15 条超高压线路共2 042 基杆塔玻璃、瓷质绝缘子喷涂防污闪涂料, 主要采用塔上喷涂方式, 应用情况如图 3所示。

图3 2006—2018 年防污闪涂料应用情况

运行发现, 塔上喷涂施工质量难以控制, 防污涂层老化快, 复涂后最快在一年之内就出现了大面积粉化[13]。防污闪涂料在湖南及其南部使用寿命难以达到原厂家承诺年限, 复涂后效果延续时间较短, 如图4 所示。这主要由综合原因所致: ①现场喷涂 (复涂) 质量难以把控；②喷涂期间雨水较多影响效果；③湖南特殊气候环境 (气温突变,冰冻时间长, 高温多雨) 影响效果。

图4 超高压线路RTV 涂层劣化情况

2 复合瓷绝缘子在湖南电网的应用情况

2.1 盘形悬式复合瓷绝缘子

根据瓷件与复合材料的结合形式, 盘形悬式复合瓷绝缘子通常包括两种类型: A 类, 由瓷芯盘、高温硫化硅橡胶伞套和金属附件构成；B 类, 由盘形悬式瓷绝缘子和高温硫化硅橡胶伞套材料构成[1-2]。本文研究对象均为B 类复合瓷绝缘子。

2.2 复合瓷绝缘子的应用

针对湖南电网防污闪技术措施存在的问题及湖南的特殊气候环境, 2013 年4 月在±500 kV 江城线试点应用防冰闪插花复合瓷绝缘子, 改造杆塔15基, 当年冬季起到了防冰闪作用。2014 年在±500 kV江城线正式开始更换钟罩型复合瓷绝缘子, 如图 5、图 6 所示, 2015 年在 500 kV 复沙Ⅰ线上进行试点, 随后试点范围逐渐扩大至±800 kV复奉线等特高压线路。

图5 直流钟罩型复合瓷绝缘子

图6 2014 年±500 kV 江城线更换复合瓷绝缘子

截至2018 年, 湖南电网共计在超特高压输电线路合计597 基杆塔更换了211 946 片复合瓷绝缘子, 如图 7 所示, 涵盖 160 kN、210 kN、300 kN、420 kN、550 kN 等型号。湖南电网自 2013 年应用复合瓷绝缘子以来, 历年检修过程均组织外观和零值检查, 目前运行中未发现复合层粉化、开裂等异常情况。

图7 历年更换复合瓷绝缘子数量

3 运行复合瓷绝缘子的抽检试验情况

3.1 试品及试验方法

3.1.1 试品

为进一步评估复合瓷绝缘子在线路上的实际应用效果, 对±500 kV 江城线2014 年挂网运行的钟罩型复合瓷绝缘子进行抽检试验, 试品共42 片,试品信息见表2。

表2 试品信息

3.1.2 试验方法

试验项目包括外观检查、电气性能、机械荷载等10 个项目, 试验采用 DL/T1471—2015 推荐方法, 试验设备满足标准要求[2,14-15]。

3.2 试验结果

3.2.1 外观检查

主要对绝缘件表面单个缺陷面积、深度、总缺陷面积及钢脚或钢帽是否锈蚀、钢脚是否弯曲、是否有电弧烧损等进行检查。42 片复合瓷绝缘子外观检查全部符合文献 [2] 要求。

3.2.2 镀层试验

对每个试品进行10 次测量, 这些测量应均匀而随机地分布在整个钢脚和铁帽表面, 避开边缘和尖端处。42 片复合瓷绝缘子镀层试验均合格。

3.2.3 紧锁销检查

紧锁销检查包含紧锁状态的检查、紧锁销的位置检查以及紧锁销操作试验三个部分。紧锁销的操作试验, 是使紧锁销处在锁紧位置, 用试验装置沿其轴线方向将拉伸负荷F施加在R 型销的孔眼上,负荷逐渐增大, 直至锁紧销移动到连接位置；连续进行三次, 记录每次的F值；在达到Fmax时, 锁紧销不应从窝里完全拉脱。三次操作的负荷值F应处于表3 对应的Fmin和Fmax之间。全部42 片复合瓷绝缘子均合格。

表3 R 型紧锁销操作试验的拉伸负荷

3.2.4 憎水性试验

对绝缘子上下表面的憎水性迁移特性、憎水性的丧失特性和憎水性的恢复特性进行试验测量。试验方法采用喷水分级法, 即HC 法。憎水性试验结果见表4, 憎水性恢复特性均小于24 h。

表4 试品憎水性试验结果

3.2.5 水煮试验

将试品放入含有0.1%NaCl 的去离子水中保持沸煮42 h。在沸腾结束后, 试品仍保留在容器中,直到水冷却到大约50 ℃。取出试品, 对每支试品的伞套进行外观检查, 外观有明显破损者为不合格。全部42 片复合瓷绝缘子水煮后, 外观均完好无损。

3.2.6 空气中冲击击穿耐受试验

在水煮试验后48 h 内, 绝缘子界面应能耐受该试验。试验时, 每只绝缘子先被施加正极性冲击5 次, 再施加负极性冲击5 次；然后再施加正极性冲击5 次, 负极性冲击 5 次。每次冲击间隔 1 ～2 min。试品发生击穿或损坏的为不合格。全部42片复合瓷绝缘子均未发生局部或整体击穿。

3.2.7 干工频电压试验

在绝缘子水煮前和空气中冲击击穿耐受试验后分别进行干工频电压耐受试验, 均不发生闪络视为合格。全部42 片复合瓷绝缘子水煮前后的干工频耐压, 均未发生闪络。

3.2.8 干雷电全波冲击耐受试验

采用1.2/50 μs 标准雷电冲击波, 分正极性和负极性分别对绝缘子串进行冲击试验, 闪络电压不低于1.04 倍规定雷电冲击耐受电压时视为合格。全部42 片复合瓷绝缘子均未发生击穿和闪络。

3.2.9 工频击穿耐受试验 (油中)

将试品完全浸入绝缘油中, 浸入时应避免伞裙下窝藏空气, 电压施加于铁帽和钢脚之间, 快速升压至 130 kV, 如试品不发生击穿视为合格。160 kN、210 kN、300 kN 型号各选取一片试品进行油中耐压, 编号分别为 1、15、29。施加电压130 kV, 未发生击穿。

3.2.10 机械破坏试验

于试品铁帽和钢脚之间施加均匀增加的拉力,直至绝缘子 (含铁帽和钢脚) 发生破坏, 测定破坏力值。每个吨位选取两片进行破坏性试验, 其机械破坏负荷试验结果见表5。

表5 绝缘子机械破坏负荷试验结果

3.3 试验结论

除9 件试品憎水性下降到HC3～HC4 外, 其他试验项目均未出现异常现象。

4 复合瓷绝缘子运行分析及建议

4.1 复合瓷绝缘子技术特点

B 类复合瓷绝缘子由盘形悬式瓷绝缘子和高温硫化硅橡胶伞套材料构成, 其外层高温硫化硅橡胶层厚度大, 防污闪工作寿命远高于室温硫化硅橡胶涂料, 保持了原瓷绝缘子稳定可靠的机械拉伸强度以及绝缘子很强的抗污性能, 可以像普通瓷绝缘子一样应用于线路各种不同的塔型上。

4.2 与其他类型绝缘子技术比较

根据各种绝缘子的特点, 考虑瓷质绝缘子、复合瓷绝缘子、玻璃绝缘子以及复合绝缘子各自的积污特性及自洁性能, 其性能对比见表6, 可以得出以下对比结论:

表6 各种绝缘子性能对比

1) 普通瓷质和玻璃绝缘子单片绝缘子的闪络电压较低, 由于其下表面存在凹凸曲面, 在干旱少雨的环境中自洁性差, 容易积污, 不易清扫。在污秽较重的地区不宜选用该种绝缘子。

2) 复合绝缘子耐污闪性能高, 成本便宜, 但复合绝缘子使用寿命受憎水性影响, 在重覆冰地区及耐张塔上使用对线路安全运行有风险, 而且需要更换金具, 所以使用有一定的局限性。

3) RTV 绝缘子 (含工厂化) 涂层属于常温胶, 老化速度高于高温胶, 其劣化涂层难以清理,导致复涂层表面粘接不理想。现场喷涂RTV 室温硫化硅橡胶涂料需要高空作业, 在保证喷涂厚度前提下施工难度极大。

4) 复合瓷耐污盘形悬式绝缘子具有稳定可靠的机械强度, 具备良好的耐污性能、优良的憎水性及憎水迁移性, 但成本较高。

综上, 在不考虑价格情况下, 复合瓷绝缘子与复合绝缘子及绝缘子复合化措施相对比, 具有一定的技术优势。

4.3 复合瓷绝缘子应用建议

1) 复合瓷绝缘子价格较高, 其长期应用效果还待时间考验, 宜结合设备自身情况开展评估后确定是否选用。

2) 加强复合瓷绝缘子储存、搬运和安装管理, 避免人为损伤。加强复合瓷绝缘子的运行维护, 按线路运行维护规程定期巡视, 增加必要的夜巡和恶劣气候条件下的巡视。

3) 应建立复合瓷绝缘子的台帐。台帐内容应包括制造单位、生产日期、规格型号、主要技术参数、投入运行时间、运行环境、巡视情况、检查情况、试验情况、事故处理情况、劣化情况等内容。台帐的更新应及时, 填写应详细、清楚、准确。

4) 复合瓷绝缘子的技术特点决定其运行检测应结合两种不同材质分别开展: 参考复合绝缘子年度检测要求对运行满6 年及以上的进行抽检；结合停电机会进行零值检测。

5 结论

1) B 类复合瓷绝缘子保持了原瓷绝缘子稳定可靠机械拉伸强度的同时, 又保证了绝缘子很强的抗污性能, 可以像普通瓷绝缘子一样应用于线路各种不同的塔型上。

2) 运行4 年后的复合瓷绝缘子取样试品除有21.4%的试品憎水性降低至HC4 (含HC3 ～HC4)外, 其他各项抽检指标均满足标准要求。

3) 复合瓷绝缘子在超高压线路上目前运行的情况较好, 但长期应用效果还需等待时间考验。

4) 应加强复合瓷绝缘子储存、搬运和安装管理, 避免人为损伤, 对在运复合瓷绝缘子应建立台帐, 并对其运行、试验、事故等内容及时更新。

5) 设备管理单位应根据设备实际情况综合评估后, 选择合适的防污技术措施。