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復合絕緣子及其應用

日期：2018-09-27 14:24:02

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為了提高絕緣子的機械強度、絕緣強度和耐污閃性能，提高生產效率和降低成本，克服電瓷和玻璃絕緣子固有的缺點，適應電力系統的發展，世界各國均著手研制以高分子有機材料基材料的復合絕緣子，用來代替傳統的電瓷和玻璃絕緣子。自19世紀末出現高壓輸電線路以來，瓷絕緣子用于高壓外絕緣領域已有100多年歷史，隨著電壓等級的提高，絕緣子所受的機點負荷的加重，以及大氣污染的加劇，瓷絕緣子在使用中暴露出性能上的缺陷。復合絕緣子的使用彌補了瓷絕緣子的缺陷與弱點。
早在20世紀40年代中期，雙酚環氧樹脂絕緣子就開始用于戶內絕緣。這種絕緣子重量輕，耐沖擊能力強，易于加工成復合的絕緣結構。但由于其耐老化性能、耐漏電起跡及耐點蝕性能差，不能用于戶外。20世紀50年代出現了性能更好的脂環族樹脂絕緣子，60年代初，已有少量此類絕緣子運行于400kV輸電線路以及500kV電站。60年代末70年代初，歐洲及美國開始制造用于輸電線路的聚合物絕緣子。早眾多的聚合物中，高溫硫化硅橡膠在耐老化、耐惡劣環境方面優于乙丙橡膠等其他材料，得到了更為廣泛的應用。
隨著時代的發展，復合絕緣子不斷獲得改進和改善。針對早期復合絕緣子在運行中所暴露的問題，除改善了傘裙的配方外，還增加了芯棒的機械強度和耐水解的性能，改進了粘接劑的材質和復合絕緣子兩端的金具的密封結構和金具卡裝結構，從而使復合絕緣子的整體性能得到了改善。
我國電力部門及生產廠家在多年的懸掛式復合絕緣子應用與制造的經驗中，也逐漸體會到復合絕緣子除耐污性能優異外的其他諸多優點，如重量輕、體積小、不易破碎、運輸安裝方便、生產工藝簡單、廢品率低、生產耗能低、生產過程對環境污染小等。在野外施工及運行維護時，電力部門對復合絕緣子的優點則有更深刻的認識，從而不斷擴大了硅橡膠絕緣子的應用范圍，在不少輕污穢區或清潔公司也開始推廣使用復合絕緣子。
復合絕緣子（composite insulator）又稱合成絕緣子、非瓷制絕緣子、聚合物絕緣子、橡膠絕緣子等，其主要結構一般由傘裙護套（hosing and shed）、玻璃鋼芯棒（FRP core）和端部金具（end-fitting）三部分組成。其中傘裙護套一般由有機合成材料制成、如乙丙橡膠、高溫硫化硅橡膠等；FRP芯棒一般是玻璃纖維做作增強材料、還氧樹脂做基體的玻璃符合材料；端部金具一般是外表鍍有熱鋅鋁的碳素鋼或者碳素結構鋼。
早期的復合絕緣子芯棒與傘裙的連接方法是利用傘裙套內徑與芯棒外徑的負公差，夸張套筒，將單個傘裙逐個擠套在芯棒上，芯棒與散套界面用介電類粘接劑密封粘接，由此形成早期的復合絕緣子生產工藝，第二帶復合絕緣子為了保護芯棒免受外界潮濕大氣的侵蝕，開始先在芯棒上包一層彈性材料護套，再用介電類粘接劑將傘裙護套、粘接在護套上，第三帶工藝生產的復合絕緣子也有不少采用護套保護芯棒的方法，但是護套是由擠包機直接擠出包裹在芯棒上的。
芯棒受力的合理與否，對絕緣子的機械壽命影響甚大，因此端部結構的合理設計與安裝是關系復合絕緣子機械性能的關鍵。復合絕緣子的端部連接部分為內楔式、外楔式、機械擠壓、膠裝四種。經過多年的發展，國外已逐漸放棄了早期的內、外鍥式的傳統連接工藝，代之以機械擠壓極粘接劑連接，而國內目前情況是以上四種工藝并存。
復合絕緣子根據使用特點不同，其端部金具的結構也不同，國內用于輸電線路的合成絕緣子大都采用"球頭-碗頭"的結構型式。金屬端頭的設計除了滿足抗張強度、滿足要求、與芯棒可靠連接以外，還需要滿足在高電壓下應用的特殊要求。復合絕緣子一般都制成棒形，自身電容小。因此絕緣子表面的電壓分布很不均勻。這樣，在正常工作時，產生的電暈將帶來危害，因此需要采用均壓措施，此外，合成絕緣材料不能耐受幾十千安電流的電弧，在短路故障時會使靠近導線和桿塔處的傘盤燒毀，因此需要采用引弧措施，國內外普遍采用加裝均壓環的方法來均勻端部電場，減弱電暈，引開故障電弧。
復合絕緣子的均壓環是復合絕緣子的一個組成部分，其作用是：控制絕緣子內部電場強度，避免內部局部放電，減小外部、特別是金屬連接部件表面的局部電場強度，減小無線電干擾，引開工頻電弧，避免燒損絕緣子表面，以及盡量減小靠近端部表面的局部電場強度，提高其抗污閃性能。為了完成不同的作用，均壓環的設計可以是不同的，目前還沒有統一的標準。
復合絕緣子是需要長期運行的外絕緣器件，設計要求其使用壽命一般至少為30~50年。在長期運行中，復合絕緣子承受的載荷形式是變化的但主要的基礎負荷是拉伸載荷，因此，對長期機械性能的研究主要是拉伸性能的研究。復合絕緣子長期拉伸性能的一個*大特點是當載荷超過強度極限時，強度隨時間推移而下降，即具有強度蠕變的特性。為了保證絕緣子在長期運行后的強度仍能滿足運行線路的負荷要求，必須對絕緣子強度蠕變特性進行充分的研究，以保證絕緣子的長期安全運行。
國際上曾對復合絕緣子進行長期試驗，并在IEC61109中制定了絕緣子強度蠕變曲線的要求。國內JB5892只是引用了IEC61109的相關內容，但是國內一直沒有自己的長期試驗數據，國內占主導地位的內鍥模式絕緣子和新型壓接式絕緣子的長期蠕變特性到底如何，對IEC61109中絕緣子強度蠕變曲線如何使用，是主要的研究內容。
有機復合絕緣子的機械強度受到三個方面因素的影響，即金具強度、芯棒強度以及連接結構的強度。目前國內外生產的復合絕緣子金具與芯棒的連接形式多種多樣，其中主要的有鍥接式接頭結構（包括內鍥式、外鍥式以及內外鍥結結合式）和壓接式接頭結構。國內掛網運行的外鍥式復合絕緣子數量比較少，掛網運行中的主要是內鍥式復合絕緣子，在保證生產工藝的基礎上生產出來的內鍥式復合絕緣子，在掛網運行中表現出了良好的性能，在國內電網中得到大規模的使用，使用量增長十分迅速。其中運行時間*長的已達十幾年了，經過這樣長時間的運行后，絕緣子今后繼續運行的安全性是用戶密切關注的問題。壓接式復合絕緣子的生產工藝決定了在其生產過程中不會對芯棒造成損壞，在實驗室中表現出良好的機械性能。目前掛網運行的實際情況也證實了壓接式接頭結構工藝的優勢，運行中表現出良好的機械特性，但國內壓接式結構絕緣子掛網運行時間比較短，運行經驗還很欠缺。
雖然壓接式復合絕緣子在國際上的使用已經有相當長的時間，有很豐富的運行經驗，但是在國內的使用時間還比較短，沒偶什么運行經驗，對其長期性能的了解幾乎是一片空白。另一方面，在這很短的使用期間內，壓接式復合絕緣子已經表現出優良的電氣和機械性能，受到用戶和生產廠家的廣泛歡迎，壓接式復合絕緣子的使用量正在迅猛增長。對壓接式復合絕緣子，用戶同樣關心長期運行性能的穩定性。實驗室模擬的內鍥式復合絕緣子長期蠕變曲線圖如圖9-11所示，其中*長的試驗時間達630天，同樣把其中短時耐受破壞的數據點和長期耐受破壞的數據點合在一起，進行線性模擬，得到圖中所示的壓接式復合絕緣子全程強度強度蠕變曲線，斜率為-2.07%Mav/對數時間單位。此斜率遠優于-0.8%Mav/對數時間單位的要求。
對于老線路改造，我們建議按以下原則選用復合絕緣子。
一、盡可能選擇結構高度大的復合絕緣子
針對結構高度為1240mm及以下的復合絕緣子，發生各種閃絡的概率比較高，有些電力部門就提出了加強復合絕緣子高度的要求，山東電力公司于1995年就下文要求各個電力分公司選用結構高度為1440mm的110kV復合絕緣子，這幾年來，這種絕緣子很少閃絡。
海拔1000m以上的地區，結構高度還應更長些，高海拔地區，特別是有季節性水源的地區，下季是南方的大型候鳥棲息的地方，冬季又是西伯利亞來的大型候鳥棲息地，使用結構高度為1350mm的復合絕緣子，沒有有效的防鳥害措施，發生"不明原因"（鳥害）閃絡概率會很高。
二、選擇用合理均壓環
均壓環的結構形式非常重要，在市場上供應的大多數均壓環，結構不太合理，均壓環相對絕緣子的端部金屬附件的邊緣沒有一定的抬高，均壓效果差，安裝均壓環的螺釘沒有很好的屏蔽，起始電暈電壓很低。同時也沒有防止反裝的措施，現場均壓環反裝的很多，不但均壓效果差，而且連接螺釘完全暴露在電場之中，起始電暈電壓很低，在惡劣氣象條件下電暈很嚴重。所以建議使用對接式合金均壓環。這種對接式均壓環的特性在于均壓環是由兩個結構、形狀相同的半圓環薄殼對接組成，圓環有比較大的曲率半徑和抬高，使沿絕緣子軸線的電場進一步均勻分布，在靠近絕緣子端部附件又有一個圓形電極，對于均壓環的連接螺釘有很好的屏蔽作用，因此，大大提高了絕緣子的起始電暈電壓等電氣性能，同時還有防止反裝結構，能確保均壓環的正確安裝。
三、不宜選擇太大的爬距
復合絕緣子的優勢就是硅橡膠表面有憎水性，而且還有很好的憎水遷移特性，落在復合絕緣子表面的灰塵，72~96h后，其污穢層也具有很好的憎水性，因此，生產了一些爬距比相應瓷和玻璃絕緣子小的復合絕緣子，幾年來在各地瓷和玻璃絕緣子發生大面積閃絡事故時，在重污穢區的復合絕緣子并沒有發生大規模的閃絡事故。
因此，我們認為復合絕緣子的"爬距有效性"比瓷絕緣子好，復合絕緣子的爬電比距可以適當小一點，*多與瓷絕緣子相同，比瓷絕緣子要求更高是沒有必要的，有人提出在不增加結構高度的情況下增加幾個傘裙，這并是不*好的選擇，因為多增加幾個傘裙，會使傘間距離減小，傘間距與傘伸出之比減少，爬距的有效性降低，污閃有可能不沿傘表面發展，而從傘邊直接橋接，限制了污閃電壓的提高，因此，如果要加大爬距，就必須同時增大絕緣子的結構高度。
四、復合絕緣子與瓷和玻璃絕緣子的重量問題
在老線路改造，用復合絕緣子代替瓷和玻璃絕緣子時，絕緣子串要加長，同時重量又減小了，風偏加大了，在刮大風時又可能導致絕緣子串高壓端對桿塔放電，即"風閃"。為此，我們設計了"配重均壓環"，就是將均壓環與電力部門常常使用的配重錘結合起來，配重均壓環用鑄鐵制造，110kV重量為27kg左右，220kV重量為40kg。在不增加復合絕緣子長度的情況下，增加絕緣子串的重量，對110kV而言，帶配重均壓環的復合絕緣子串的重量已經大于瓷絕緣子的重量，所以這樣的絕緣子將比瓷絕緣子串小。
五、適應耐張的復合絕緣子
瓷和玻璃絕緣子耐張串所用的絕緣子比懸垂多1~2片，在以往的污閃事故中，污閃多發在瓷和比例絕緣子懸垂串，當懸垂串大量使用復合絕緣子后，耐張的瓷和玻璃絕緣子串就成了整個線路絕緣的薄弱環節，在21世紀發生的大規模污閃事故中，有很多瓷和玻璃絕緣子耐張串也發生了污閃事故，因此在污穢比較嚴重的地區，要把瓷和玻璃絕緣子耐張串換成復合絕緣子。要實現上述方法，在目前的復合絕緣子制造水平和質量水平來看，是完全可以實現的。

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