特高压输电线路中复合绝缘子应用探讨

2023-12-21上海电力设计院有限公司

电力设备管理 2023年21期

上海电力设计院有限公司苏锋李艳孙振

1 高压输电线路的特点及构成部分分析

1.1 高压输电线路的特点

高压输电线路由于其所需的信息量较小，因此其成本也相对较低。其需要用两根导线，一条连接正级，一条连接负级[1]。电力传输的直流线路具有持久性，并且其电流传递的距离相对较远。在我国的某些高压输电设施中，交流电的运输也被广泛采用，这在日常生活中尤为明显。高压输电线路如图1所示。

图1 高压输电线路

1.2 高压输电线路是电气设计的主要构成部分

在基础的设计工作中，施工所需的工程图纸一定要认真制作，并依照工作规程进行。施工方案的原材料选择，施工团队需要对施工路线和施工方法以及相应的存储难点进行合理的设计。确保电力线路的正常运行，提高工作效率，提高施工工作的效率。同时，必须做好避雷和防冰措施，避免发生事故破坏输电线路。工程图的设计要按照国内的规范和规范来编制，以保证准确。

2 特高压输电线路发展状态

与普通线路相比，特高压线路也提出了更高的要求，例如，外线路绝缘水平、电力工程技术以及线路保护措施。如果特高压输电线的外部绝缘水平不达标，保护措施不充分，线路的污闪、过电压、击穿等故障就会增加[2]。因此，在特高压输电线路上使用复合绝缘子是十分必要的，也是现代各种电网建设中不可或缺的一环。

3 复合绝缘子在特高压输电线路中存在的问题

3.1 界面击穿

复合绝缘子电气损坏问题以雷击为主，占损坏总数一半以上。虽然材料在不断地改进，但依然存在着界面多次被破坏的问题。在生产过程中，芯棒、套管均有明显的剥落现象，套管界面和杆体直径也会受到侵蚀，甚至有可能造成界面破坏，从而影响绝缘子的服役寿命。为此，必须持续地对产品进行优化和改进，以减少界面崩溃的概率。

3.2 芯棒脆断

芯棒脆断是一种比较常见的复合型绝缘子故障，在特高压输电线路上比较常见。在芯棒脆断的过程中，由于酸蚀作用，芯棒丝在酸蚀作用下逐步碎裂，甚至在较小的载荷下都会造成整个芯棒断断。其主要特征如下。

一是通常出现在高电压终端场强度相对较高的位置。若将均压环接反，将导致复合材料绝缘子的脆断。解决了这一难题，可对均压环进行设计与加工，确保磁场强度达到规定的水平，从而有效地避免材料的脆断。

二是当护套或端面被破坏时会产生裂纹现象。然而，采用新型的无硼纤维耐酸芯棒，其总体的抗酸性能得到了显著提升，这将大大降低这个问题。值得强调的是，不是每一种纤维芯棒都拥有优秀的抗酸特性，因此，必须对其进行性能评估与挑选。尽管脆断对工作产生重要影响，但其发生概率较低，可通过多种手段加以干预以降低概率[3]。芯棒脆断如图2所示。

图2 芯棒脆断

图3 玻璃和瓷绝缘子

3.3 老化问题

绝缘子在使用一段时间之后，会出现老化问题，主要是由于温度以及表面放电等因素造成的。尽管硅橡胶材料的老化周期比较长，但是在投入运行的早期就会出现老化现象，这与环境污染和材料配方技术有很大关系。大部分地区都可以通过硅胶来维持其良好的状况和特性，但是老化是无法避免的。为了确保绝缘子的安全运行，必须尽早对其进行测试。因此，需要对复合材料绝缘子进行周期性的检测，并对其进行检测，以避免其进一步恶化。

3.4 机械问题

复合材料绝缘子在使用过程中存在着严重的力学性能退化问题。目前，采用的是内插式绝缘子，但其对接接法的要求太高，而且其蠕变坡度与卷边式绝缘子的设计有很大差异。

4 特高压线路绝缘子串长和最小间隙距离确定

4.1 特高压线路设计中考虑的电气绝缘距离

1000kV 交流特高压线路的绝缘匹配要求在工频、工作过电压和雷击过电压等多种情况下都能安全、可靠地运行。绝缘子工频闪污是绝缘子串的主要控制因子，外部绝缘结构通常按污染承受能力法进行片数计算，同时参照现有的工程运行经验，将海拔、覆冰等场地条件综合考虑。对于操作过电压，过电压倍数取1.6p.u．、1.7p.u．，系统最高运行电压取1100kV 时，操作过电压无法控制绝缘子片数，若计算值不及绝缘子串50%冲击放电电压值，则存在冲击放电的情况。在特高压系统中，雷电过电压与运行电压并无直接关系。输电线路的高外绝缘水平，使得绝缘设计中雷电过电压并不是决定因素[4]。

4.2 绝缘子串长

在有污情况下，用抗污法来测定绝缘子串的长度。一是在大气条件下测定不同绝缘子的污闪电压，得到不同绝缘子的50%污闪电压与盐密度的关系；二是对绝缘子耐压进行测定；三是对可溶盐类的盐密进行了修正，并对其进行了计算；四是采用灰、盐比例对绝缘子表面积垢情况进行了校正；五是针对上、下两个面的不均匀性，对其不均匀性进行了校正；六是在高海拔的情况下，做了高程校正；七是在最大工作电压条件下，对绝缘子串节的个数进行了计算。

4.3 特高压线路最小空气距离确定

4.3.1 满足正常运行的绝缘子最小片数计算

本文围绕特高压输电线路的最小间隔选择这一关键科学问题，以单回路输电线路为研究对象，研究工频电压和雷电作用下气隙间距对输电塔尺寸的影响规律，利用实测的气隙间距确定输电塔的最小间隔，同时考虑绝缘子劣化对输电塔结构的影响，提出考虑绝缘子劣化的输电塔最小间隔。

4.3.2 操作过电压间隙确定

一是运行过电压统计匹配因子的测定，根据单个气隙工作脉冲放电电压 U50%的计算：

其中，Us为工作过电压，单位为 kV；Z 为一个常数，所以取2.45；对于单个空隙，σ1取0.06；其中，σm 为多重空隙的方差，取0.024。所以：

所以线路空气间隙操作过电压统计配合系数kc为：

5 复合绝缘子在特高压输电线路中的应用

通过对我国既有线路的实际运营，发现使用复合绝缘子，既可减少线路维修费用，又可减少对电网的污染。在受污染的地区，推荐采用复合绝缘子。1000kV 输电线路推荐采用9m 左右的高绝缘子，重污染地区采用17m 以上的绝缘子。若采用多串并联的方式，则可进一步调节绝缘子的高度，但也会使绝缘子的质量及串长增大，增加了线路的造价。在高海拔、重污染地区，采用复合绝缘子具有较高的经济性、工艺性。当组合子串长度不超过10m 时，既能减小塔窗面积，又能控制塔荷载，又能减少污闪事故的发生。所以，复合材料绝缘子在上述几个方面都有着显著的优越性。

为保证超高压输电线路的长期稳定可靠运行，必须对其进行深入研究。一方面，开展超大吨位复合材料绝缘子力学特性的研究，形成高效的标准与检测方法。另外，在保证合成绝缘子均匀压力的同时，也要注意对电磁干扰、电晕等问题进行适当的处理，尽量减少突发性的事故。合理的引弧方式，确保了引弧效果。经过优化的力学结构，保证一根绝缘的断线不会掉到地上。制定验收标准，禁止不合格的产品，对芯棒及裙板的材质进行严格控制，并对制造技术进行改进，从源头上控制，减少操作中的安全隐患。在建造过程中，应制定科学的仓储程序，对可能产生的各类损坏进行严格控制。执行并执行有效的维修、巡检计划，及时发现安全隐患，采取相应措施，确保生产安全。