美国绝缘子标准现状及分析

王兰义, 李任展, 赵 卉, 李 凡

(1.美国安富公司,美国 田纳西州 孟菲斯 38118; 2.恒大电气有限公司,浙江 丽水 323000; 3.西安高压电器研究院股份有限公司,西安 710077;4.国家电器安全质量检验检测中心,浙江 嘉兴 314001)

0 引言

绝缘子是供承受电位差的电器设备或导体电气绝缘和机械固定用的器件,它是输配电设备中的重要元器件[1-2]。它主要用于高压输变电线路和各种电器设备之中,起绝缘、机械联结和支持作用,对输变电系统的绝缘水平和安全有着重要的意义。按材质分为瓷质、玻璃和聚合物(非瓷质)绝缘子,其中聚合物绝缘子又分为弹性体复合绝缘子(如硅橡胶和氟硅橡胶)和硬质聚合物/复合绝缘子(如环氧树脂、聚烯烃和高密度聚乙烯(High Density Polyethylene, 简称HDPE))[3-4];按应用领域分为线路、电站和设备绝缘子;按用途和结构分为(狭义)绝缘子、套筒(亦称空心绝缘子)和套管等3大类,其中绝缘子又分为针式、线轴式、拉紧式、盘形悬式、悬式、长棒形、耐张、线路柱式、支柱、空心等绝缘子[1-2,5]。

标准是质量的技术基础,是世界通用的语言。一个国家标准,由全国的利益相关方共同制定;一个国际标准,由全球的利益相关方共同制定。在追求质量过程中,标准将成为关键性因素。因为标准是质量的技术基础, 要抓质量就一定要抓标准,要有高质量就一定先有高标准[6]。可见标准在产品质量上的重要性。

美国绝缘子标准主要由美国电气制造商协会(National Electrical Manufacturers Association, 简称NEMA)[7]制定,该协会成立于 1926 年,是一家获得美国国家标准学会(American National Standards Institute,简称ANSI)[8]认证的标准制定组织,由商业领袖、电气专家、工程师、科学家和技术人员组成。NEMA下属的电力线路绝缘子认可标准委员会(C29)负责绝缘子标准的制定和修改,并批准提交给ANSI以便作为国家标准出版。ANSI成立于 1918 年,是一家私营的非营利组织,负责管理和协调美国的自愿性标准和合格评定系统。部分涉及到绝缘子维护、选择、应用及试验的标准由美国电气与电子工程师协会 (The Institute of Electrical and Electronics Engineers, 简称IEEE)制定。

1 美国绝缘子标准现状

NEMA制定了21个有关绝缘子的标准[9-29],其中17个由ANSI批准成为美国国家标准。这些标准包含了大部分不同材质、不同用途和不同类型的绝缘子。这些标准规定了产品的最低要求,并根据尺寸、电气和机械特性将它们分类—从而确保了可互换性并为工程师提供必要的信息,以此为基础进行安全有效的系统设计[30-31]。IEEE制定了9个有关绝缘子的标准[32-40],但有的已经撤销。

NEMA、IEEE和ANSI标准都是自愿采用的,3大机构发布和维护的绝缘子相关标准的详情见表1。美国绝缘子标准针对的是美国自己的生产厂家和客户,是一个相对独立的标准体系,几乎不直接采用国际电工委员会 (International Electrotechnical Commission, 简称IEC)标准。

表1 美国标准机构发布的绝缘子标准和分类Table 1 Standards and classifications of insulators issued by the American standard agency

美国HDPE绝缘子,我国国内称为硬质复合绝缘子,这类绝缘子在美国已经有几十年的应用历史[41-42],涉及该产品的美国标准NEMA C29.15即将在今年发布[43]。

美国的绝缘子分类方法如下,按用途和结构的分类见表1。

1.1 ANSI和NEMA绝缘子标准现状

1.1.1 ANSI/NEMA C29.1-2018标准简介[9]

C29.1-2018《电力绝缘子的试验方法》是指导所有绝缘子(包括瓷、钢化玻璃和非瓷类)产品试验的基本标准,对各种类型的绝缘子及附件的电气试验和机械试验项目进行了规定,包括不同类型绝缘子的各种电气性能试验及试验时试品安装方式、机械性能试验、镀层试验和逐个试验。详细的电气性能和机械性能试验项目列于表2。

表2 C29.1-2018中电气性能和机械性能试验项目Table 2 Electrical and mechanical tests per C29.1-2018

1.1.2 瓷和钢化玻璃绝缘子标准比较

NEMA和ANSI 发布的涉及具体瓷和钢化玻璃绝缘子的标准共有C29.2A～C29.10等10个[10-19],这些标准的具体要求和试验项目比较见表3。

表3 瓷和钢化玻璃绝缘子标准的要求和试验项目比较表Table 3 Comparison table of requirements and test items per wet process porcelain and toughened glass insulator standards

1.1.3 ANSI/NEMA C29.11-2020标准简介[20]

C29.11-2020 《复合绝缘子的试验方法》是关于所有复合绝缘子产品试验的基础方法标准,对各种型式的复合绝缘子及附件的电气试验和机械试验项目具有指导意义,标准规定了试验项目和试验方法,规定了外观尺寸及误差要求、产品标识和不同试验接收准则;本标准将产品试验分为4个试验类型,即:定型试验、设计试验、抽样试验和逐个试验。具体的试验项目见表4。

表4 C29.11-2020中关于复合绝缘子的试验项目Table 4 Test items of composite insulator per C29.11-2020

1.1.4 复合绝缘子标准比较

NEMA和ANSI 发布的涉及复合绝缘子的标准共有7个,编号为:C29.12～C29.19等[21-27],它们的具体要求和试验项目比较见表5。

表5 复合绝缘子标准的要求和试验项目比较表Table 5 Comparison table of requirements and test items per composite insulator standards

1.1.5 NEMA HV 2-2019和HV 3-2019标准简介

首先,NEMA HV 2-2019《架空电力线路用悬式和柱式绝缘子的一般使用信息》[28]标准涉及的绝缘子有:

1)架空电力线路用悬式瓷和玻璃绝缘子(对应C29.2A和C29.2B)。

2)高压线路柱式瓷绝缘子(对应C29.7)。

3)线路复合绝缘子(对应C29.12、C29.13、C29.17和C29.18)。

标准HV 2-2019对绝缘子的材质、绝缘子的运输和安装,以及现场检查进行了说明,规定了绝缘子电气性能和机械性能的额定值、抽样验证试验、复合绝缘子的现场电气检测,并详细规定了机械破坏负荷值,见表6。

表6 悬式和柱式绝缘子的破坏负荷极限Table 6 Suspension and post insulator damage limits

其次,NEMA HV 3-2019《高压绝缘子采购建议规范指南》[29]的目的是致力于选择优质的高压绝缘子,以保障提供当今电力基础设施所需的长期可靠运行服务。本标准由“合格供应商的评定”、“供应商质量保证程序”、“绝缘子采购标准”、“包装运输质量保证”、“售后保证”和“绝缘子的使用”等几个部分组成。

1.2 IEEE绝缘子标准现状

IEEE制定了9个有关绝缘子的标准,其中IEEE Std 987-2001、IEEE Std 1024-1988 和IEEE Std 1572-2004等3个标准已经废止,现有6个标准正在实施中,它们是:IEEE Std 957-2005 、IEEE Std 1523-2018、IEEE Std 1783-2009、IEEE Std 1820-2020、 IEEE Std 1898-2016和IEEE Std C135.20-1998,在此,将分别简单介绍这6项标准。

1.2.1 IEEE Std 957-2005标准简介[32]

IEEE Std 957-2005《绝缘子清洗指南》提供了使用各种设备和技术清洗电力绝缘子所有类型的污秽(不包括核、有毒和危险化学污秽物)的程序。规定了被清洗的绝缘子类型、污秽类型、带电与不带电的清洗方法、清洗设备、用水带电清洗时的技术参考和行业惯例。

1.2.2 IEEE Std 1523-2018标准简介[35]

IEEE Std 1523-2018《户外瓷绝缘子的室温硫化硅橡胶(RTV)涂层的应用、维护和评价指南》概述了获得令人满意的RTV硅橡胶高压绝缘子涂层 (HVIC) 的长期性能而需要考虑的各个重要方面。描述了应用方法、预涂层应用、涂层应用的维护问题、影响长期性能的因素、耐腐蚀性、憎水性暂时丧失、老化、实验室加速老化试验、涂层部分绝缘和户外性能评估。

1.2.3 IEEE Std 1783-2009标准简介[37]

IEEE Std 1783-2009为《冰冻条件下评估绝缘子电气性能的试验方法和程序指南》,自 1999 年以来,IEEE 电介质和电气绝缘学会和 IEEE 电力和能源学会的绝缘子结冰工作组对结冰条件(包括覆冰和积雪)的试验方法进行了完善。在本标准中,对讨论的观点进行了整合,推荐了选择适当绝缘子的可操作的、适用的,且可重复的试验方法,其中包括配电和输电电压等级的电站和线路绝缘子的试验方法。标准详细说明了重现影响冰冻条件下闪络风险的环境和绝缘子参数的特殊措施,还建议在绝缘子的选择过程中,可以使用统计方法来解决。规定了绝缘子覆冰试验的一般要求、试验程序和评价方法、积雪试验程序和评价方法、凝雾试验程序和评价方法、盐雾试验程序和评价方法和冰冻条件下的大气压校正方法。

1.2.4 IEEE Std 1820-2020标准简介[38]

IEEE Std 1820-2020 《寒冷气候条件下输配电绝缘子的选择》规定了可能在包括污秽、覆冰、积雪或凝雾等组合的户外环境下外绝缘的选择程序和方法,推荐的方法适用于额定电压高于1 kV的绝缘子、避雷器、套管、带电线路工具和其它高压交直流电气设备的外绝缘选择。标准规定了雷电、操作冲击、污秽和覆冰条件下的绝缘配合,推荐了设计风险等级,确立了覆冰条件下的绝缘设计参数,并且,最后列举了在高压、超高压、特高压输电线路和带电线路工具设计中绝缘子选择的应用示例。

1.2.5 IEEE Std 1898-2016标准简介[39]

IEEE Std 1898-2016《高压直流系统用复合支柱绝缘子》涵盖了用于高压直流输电系统的户内和户外电站支柱复合绝缘子,标准中涉及的电站支柱复合绝缘子由承受机械负荷的绝缘芯棒(或管)、弹性体材料(如硅橡胶或乙丙橡胶)制成的外套(在实心绝缘棒或绝缘管外层)和安装在绝缘芯棒(或管)端部的装配件组成。标准规定了环境条件及其影响因素、机械负荷额定值、绝缘等级和额定爬电距离。将试验类型分为设计试验、型式试验、抽样试验、逐个试验和附加试验等,并对每种试验的试验项目进行了详细的规定。

1.2.6 IEEE Std C135.20-1998标准简介[40]

IEEE Std C135.20-1998《架空线路用绝缘子铸铁线夹的镀锌层》标准涉及线路结构中支撑或固定导线的线轴式绝缘子的U形夹、圆柱销和锁紧销,本标准对这类绝缘子附件的材料组成、尺寸、强度、试验、防腐、抛光和标识等进行了规定。

1.3 HDPE绝缘子的应用及其标准化

1.3.1 HDPE绝缘子的研究和应用

HDPE绝缘子(硬质复合绝缘子),就是伞套材料具备非柔性特性的复合绝缘子,在美国已经有几十年的应用历史,早期主要用作针式绝缘子,代替针式瓷绝缘子,现在还可作为线轴式绝缘子、配电线路柱式绝缘子和线路悬式绝缘子[41,44-47]。

近几年,美国安富公司研究和生产HDPE绝缘子,其产品型式有针式绝缘子、线轴式绝缘子和配电线路柱式绝缘子,相关的研究和试验结果证明[46-47],HDPE绝缘子的电气和机械性能并不低于同类型的瓷绝缘子或硅橡胶绝缘子,有些性能甚至要优于这些绝缘子,主要优点如下:相对于瓷和玻璃绝缘子,具有更优良的憎水性,防污闪性能突出,产品重量轻,方便运输和安装;相比硅橡胶复合绝缘子具有更高的伞套拉伸强度和硬度,实现抗鸟啄、抗鼠咬和抗风沙损伤的目的;相比环氧复合绝缘子具有更好的韧性、电性能、耐化学腐蚀性,耐高低温性能突出;运行性能稳定,在爬电距离、抗闪络等各方面有非常好的优势,耐污性强,具有很好的自洁性能,且容易清洗维护[47]。因此,HDPE绝缘子由于其独特的性能,在国内外的应用会越来越广。

1.3.2 HDPE绝缘子的标准化

美国HDPE绝缘子标准NEMA C29.15即将在今年发布。然而,国内的HDPE绝缘子的标准化已取得了一定的成绩,2019年11月21日,中国电力企业联合会发布了由电力行业绝缘子标准化技术委员会制定的团体标准T/CEC 269-2019《标称电压高于1 000 V交流系统架空线路用棒形悬式硬质复合绝缘子—定义、试验方法及接受准则》,实施日期为:2020年1月1日,该标准可能是国内外首次公开发布的HDPE绝缘子标准[42]。该标准的发布和实施有利于促进HDPE绝缘子技术完善和进步,同时,也有利于消除与发达国家的技术壁垒,促进我国的硬质复合绝缘子进入美国与国际市场。

2 美国绝缘子标准分析

通过对美国现行的绝缘子标准的研究分析,我们认为美国绝缘子标准主要有以下特点:1)与IEC标准不同,美国绝缘子标准针对的是美国自己的生产厂家和客户,因此标准制定的比较详细,产品分类比较具体(见图1)。2)标准中英制单位、公制单位共同标注或只标注英制单位。3)每一种型式的绝缘子基本上都有相对应的标准(见表1)。虽然仍有一些绝缘子不在这些标准范围内,如大爬距电站支柱绝缘子和超高强度电站支柱绝缘子,但它们仍是根据 C29.1 和最接近特定设计的相关 ANSI 标准的要求设计、制造和测试(包括逐个试验)的[31]。4)标准制定的国际化,参与度比较广泛,只要是IEEE标委会委员就可以参加大多数标准的制定和投票,而成为IEEE标委会委员的要求是只要缴纳每年的会费。例如,在上述的IEEE Std 1820-2020标准和IEEE Std 1898-2016标准的制定和投票中,至少有三分之一的委员来自中国。

图1 56-2类高压针式瓷绝缘子的附图Fig.1 Figure of high voltage pin insulator, class 56-2

需要说明的是:图1是ANSI/NEMA C29.6-2022高压针式瓷绝缘子标准[15]中56-2类针式瓷绝缘子的附图,图中上边为产品图,标有主要尺寸和公差(英制单位),中间部分为对产品的详细说明,下边的表格为该绝缘子的主要尺寸、机械性能和电气性能的额定值(英制与公制单位),并附有依据的标准条款。由上图可知,美国绝缘子标准针对性强、具体详细且主要使用英制单位,这对标准使用各方都具有明确的指导意义。

3 对中国绝缘子标准工作的借鉴意义

3.1 中国绝缘子标准的现状

中国绝缘子标准主要由国家标准和行业标准组成[48]。根据GB/T 1.2-2020和ISO/IEC Guide 21-1:2005标准,我国或其他国家和地区标准采用国际标准的程度,分为等同(Identical, IDT)、修改(Modified, MOD)和非等效(Not Equivalent, NEQ)等3种情况[49-50]。中国绝缘子国家标准由全国绝缘子标准化技术委员会(SAC/TC80)组织相关专家制定,大部分修改采用IEC相关标准,这有利于我国与其他国家绝缘子产品的评价和贸易。绝缘子行业标准主要有电力行业标准和机械行业标准,电力行业标准由电力行业绝缘子标准化技术委员会归口。一般来说,行业标准比国家标准的要求严格,是对国家标准的细化和补充。

全国绝缘子标准化技术委员会(SAC/TC80)是在绝缘子技术领域内,从事全国性标准化工作的非法人技术组织,受国家标准化管理委员会领导和管理,主要负责绝缘子领域标准化的技术归口工作, 目前归口的现行标准共72项,其中,国家标准47项、机械行业标准23项、能源行业标准两项。我国绝缘子标准体系最初沿用前苏联的标准体系,随着我国加入WTO后,该体系逐渐向IEC绝缘子体系靠拢,目前已经基本一致。

我国绝缘子标准体系框架图见图2。我国绝缘子标准体系的层级是以产品用途分类为基点的,即,第一层分为输电线路用绝缘子、电站电器用绝缘子和套管3大类,第二层又按其使用条件或材料类型分。我国目前的绝缘子标准体系运行了十多年,符合我国输变电行业发展和贸易的实际状况的要求,相对完备合理。绝缘子欧洲标准体系和IEC标准基本相同,而美国标准体系和IEC体系存在差异。

图2 绝缘子专业领域技术标准体系框架图Fig.2 Technical standard system diagram of insulator professional field

复合绝缘子30多年来在中国高速发展使得复合绝缘子已经成为中国电力系统中用量最大的绝缘子,而中国已经成为世界上第一个在特高压输电系统中以有机外绝缘为主的国家[51]。随着特高压在中国输电线路的应用,对绝缘子产品的性能提出了更高的要求,促进了绝缘子标准的修订和新的标准的制定。例如由全国特高压交流输电标准化技术委员会(SAC/TC569)负责制定的GB/T 24839-2018 1 000 kV交流系统用支柱绝缘子技术规范、DL/T 1181-2012 1 000 kV交流棒形悬式复合绝缘子技术规范和GB/T 24840-2018 1 000 kV交流系统用套管技术规范等特高压绝缘子标准,IEEE和IEC还没有相应的特高压绝缘子标准。

积极参加国际标准化活动,参与国际标准制定工作并把适合国情的国际标准转化为中国标准,保护我国的技术经济利益和促进对外贸易,是我国标准化工作的一贯政策和标准化工作的重要组成部分[52]。我国积极地参与IEC绝缘子标准制定工作并主导了有些标准的制定工作。例如全国绝缘子标准化技术委员会主导的IEC 60120: 2020、IEC 60372:2020 及 IEC 60471: 2020 等3项绝缘子领域 IEC 标准发布,体现了我国在超、特高压输变电领域的最新成果[53-56]。2019年11月21日,中国电力企业联合会发布的团体标准T/CEC 269-2019可能是世界上首次公开发布的HDPE绝缘子标准[42]。

3.2 对中国绝缘子标准工作的借鉴意义

美国绝缘子标准针对性强和具体详细,这对标准使用各方都具有明确的指导意义。由于IEC标准是成员国共同参与制定的,因此标准的制定要考虑到各成员国的具体情况,并且最后投票决定标准的通过与否,可以说IEC标准是最基本的标准。我国的大部分绝缘子国家标准是修改采用IEC相关标准,标准大的框架不变,因此在针对性和详细程度上不如美国绝缘子标准。但是我国的部分行业标准弥补了这方面的不足。中国绝缘子标准是否也制定针对每种型号绝缘子的标准,给出绝缘子的参考图纸并细化具体尺寸和性能参数,值得考虑。鉴于美国HDPE绝缘子标准NEMA C29.15即将发布和中国硬质绝缘子团体标准T/CEC 269-2019的发布,能否由我国主导制定IEC有关HDPE绝缘子(硬质复合绝缘子)标准也是全国绝缘子标准化技术委员会应该考虑的问题。

4 结语

美国绝缘子标准以ANSI和NEMA标准为主,还有一部分IEEE标准,这些标准都是自愿采用的。这些标准涉及不同材质、不同应用领域和不同类型的绝缘子。与IEC标准不同,美国绝缘子标准针对的是美国自己的生产厂家和客户,因此标准制定的比较详细,产品分类比较具体,在标准中有许多产品的附图,标准中采用的主要是英制单位,所有这些信息对生产厂家和客户都具有重要的参考价值。通过对美国绝缘子标准体系以及具体标准的比较与分析,有利于找到ANSI、NEMA和IEEE标准与我国的国家标准以及IEC标准的区别和联系,对今后我国绝缘子标准的制修订工作、绝缘子产品的检测检验工作,以及产品进出口贸易具有重要的参考价值。另外,HDPE绝缘子(硬质复合绝缘子)由于其独特的性能,在国内外的应用会越来越广,能否由我国主导制定IEC相关标准值得关注。