我国绝缘子的发展现状及应考虑的问题_吴光亚

文章编号 1003 8337 2010 02 0007 04 收稿日期 2009 11 26 作者简介 吴光亚 1964 男 教授级高级工程师 从事输变电设备用绝缘子 污秽研究及电力电瓷质检和绝缘子行业 管理工作 2010年第2期 总第234 期 2010年4月 电瓷避雷器 Insulators and Surge Arresters No2 2010 Ser 234 Apr 2010 我国绝缘子的发展现状及应考虑的问题 吴光亚 国网电力科学研究院 武汉430074 摘要 介绍了我国交直流悬式瓷 玻璃和复合绝缘子以及变电站和换流站支柱瓷 复合绝 缘子和空心瓷 复合绝缘子及套管制造技术的发展历程和技术水平 并结合我国绝缘子的运行经 验 制造技术水平以及对技术的认识 提出了不同类型绝缘子在制造 设计 选型 运行方面应 考虑的问题及建议 如 330 kV及以上支柱瓷绝缘子应采用等静压干法成型工艺 制造企业应 控制悬式瓷和玻璃绝缘子的铁帽 绝缘件和水泥胶装剂机械强度的分散性 160 kN 210 kN 300kN 400 kN 530 kN机械强度等级的绝缘子 应分别采用 24 24或 28 30 34或 38 38或 40芯棒制造绝缘子 超高压和特高压可选该系列中芯棒较大值 不能在同一电压 等级采用同一直径的芯棒来制造不同机械强度等级的绝缘子 c级及以下污秽等级复合绝缘子 的爬电系数 C F 不大于3 2 d级及以上污秽等级爬电系数 C F 不大于3 5 e级及以上污秽 等级爬电系数 C F 不大于3 8 等 关键词 架空线路 变电站 换流站 瓷绝缘子 玻璃绝缘子 复合绝缘子 中图分类号 TM216 文献标识码 A Development of China s Insulator and the Issue Should Be Considered WU Guang ya State Grid Electric Power Research Institute Wuhan 430074 China Abstract Manufacturing technology development process and technical levels of AC and DC suspension pocelain glass and composite insulators substation and converter station post porcelain composite insulator and hollow porcelain composite insulator and bushing are introduced Combination with the operation experience manufacturing technology level and technology knowledge of insulator in China it is proposed that the problems and recommendations should be considered in manufacturing design selection operation of different types of insulator Such as isostatic dry forming process should be used on330 kV and above post porcelain insulators the decentrality of mechanical strength of the iron cap insulation parts and cement mortar of suspension and glass insulator should be controlled by manufacturing enterprises for160kN 210kN 300kN 400kN 530kNmechanical strength rating insula tors 24 24 or 28 30 34 or 38 40 38 mandrel should be used respectively in manufacturing insulators Larger values mandrel in the series can be chosen for SHV and UHV Insulators of different mechanical strength levels should not be manufactured by the same diameter mandrel at the same voltage level Creepage factor C F of c and below pollution grade composite insulators is not greater than 3 2 Creepage factor C F of d and above pollution grade composite insulators is not greater than 3 5 Creep age factor C F of e and above pollution grade composite insulators is not greater than 3 8 etc Key words overhead line substation converter station porcelain insulator glass insulator com posite insulator manufacturing technology 7 DOI 10 16188 j isa 1003 8337 2010 02 004 2010年第2期我国绝缘子的发展现状及应考虑的问题 总第234 期 0前言 我 国 分 别 于1915年 1958年 1985年 和 1986年成立瓷 玻璃 复合绝缘子和变电站绝缘 子制造企业 我国不同类型绝缘子经受了长期覆 冰 高海拔 污秽 高温 低温 紫外线 淋雨 雷电 地震及台风等特殊运行环境考验 成功运行 经验证明了不同类型绝缘子具有优良的电气 机 械 耐气候 耐地震特性 不同类型绝缘子各有优 劣点 其中悬式瓷绝缘子具有95年的运行经验 伞形丰富 其内在缺陷不易发现 需进行劣化检测 等运行维护工作 悬式玻璃绝缘子具有零值自爆的 特点 不存在零值检测问题 其伞形比较单一 主 要是深棱形 上述两类绝缘子的机电性能优良 使 用寿命在三十年以上 复合绝缘子具有机电性能优 良 防污性能优异 重量轻 制造工艺筒单 直径 和结构高度不易受制造工艺限制 灵活性强 散热 性好 防爆性能优良和运行维护简便独特优点 属 不可击穿型绝缘子 不存在零值检测问题 使用寿 命在二十年以上 悬式复合绝缘子 支柱复合绝缘子和空心复合 绝缘子以及支柱瓷绝缘子 巳广泛使用在交直流高 压 超高压和特高压输变电工程中 反映了二十多 年来复合绝缘子发展至今天 其优良的性能和高可 靠性已被用户接受和肯定 1电力系统和使用环境条件对绝缘子 的要求 根据电力系统和使用环境条件对绝缘子的要 求 我国架空线路需使用交流10 1 000 kV 70 530 kN和直流 500 1 000 kV 160 530 kN悬式 瓷 玻璃和复合绝缘子 变电站和换流站需使用交 流35 1 000 kV 2 25 kN和直流 500 1 000 kV 2 25 kN户内外棒形支柱绝缘子 其结构高度可达 10 m以上 平均直径可达300 600 mm 变电站和 换流站也还需使用交流10 1 000 kV和直流 500 kV 1 000 kV断路器 负荷开关 隔离开关 接 地开关 互感器和电力变压器等电气设备中用空心 绝缘子 其结构高度可达10 5 m以上 平均直径 可达900 mm以上 以及需使用标准外形 空气动 力或开放伞形 防雾外形 交替伞外形 双层伞与 三层伞外形 2绝缘子发展历程及制造技术水平 2 1悬式瓷绝缘子 2001年以前 主要制造160 kN及以下机械强 度等级绝缘子 2001年前后 成功开发300 530 kN 交直流绝缘子 2004年后 已形成交流70 530 kN 和直流160 530 kN系列产品 伞形除标准普通伞 形 草帽形 钟罩形和深棱形外 还有双伞形和三 伞形 其制造技术水平已达国际领先水平 2 2悬式玻璃绝缘子 2003年以前 主要制造160 kN及以下机械强 度等级绝缘子 2005年至2009年 成功开发400kN 530 kN交直流绝缘子 2009年已基本形成交流 70 530 kN和直流160 530 kN系列产品 交流以 普通形 钟罩形 标准形大盘径为主 直流以钟罩 形 标准形大盘径为主 其制造技术水平已达国际 领先水平 2 3悬式复合绝缘子 1988年和1995年分别开始挂网运行交直流复 合绝缘子 1995年开始大批量使用 2001年前后 复合绝缘子伞裙和护套成形工艺 端部压接工艺 端部密封技术和芯棒等关键制造技术成熟 并积累 了大量的成功运行经验 2004年后 300 530 kN 绝缘子成功研发 2007年巳形成交流10 1 000 kV和70 530 kN 直流 500 800 kV和160 530 kN系列产品 其制造技术水平已居国际领先 水平 2 4支柱和空心复合绝缘子 20世纪90年代主要制造110 kV支柱和空心复 合绝缘子 2002年成功开发220 500 kV空心复合 绝缘子 2005年成功开发了交流750 1 000 kV 和 直流 500 800 kV支柱和空心复合绝缘子系列产 品 并于同期在交直流超高压 特高压输变电工程 中使用 结构高为12 270 mm 额定弯曲负荷为 16 kN 额定扭转负荷为12 kN m 最大弯矩负荷 为196 32 kN m的支柱复合绝缘子 以及结构高度 为10 800 mm 额定弯曲负荷为45 kN 最大弯 矩负荷为486 kN m的空心复合绝缘子 代表了我 国制造水平 我国企业通过成功地将高温硫化硅橡 胶这一优良并具有二十多年成功运行经验的外绝缘 材料应用到了大直径 大结构高度的支柱和空心复 合绝缘子上 其制造技术水平居国际领先水平 8 2010年第2期电瓷避雷器 总第234 期 2 5支柱 空心瓷绝缘子及瓷套 我国于1936年和1958年开始生产110 kV空 心 支柱瓷绝缘子和瓷套 之后至1978年成功地 开发了35 330 kV第一代110 kV变压器 电流互 感器 电压互感器 空气断路器 少油断路器和 220 kV空气断路器及330 kV变压器用空心瓷绝缘 子及瓷套 以及交流35 330 kV 额定抗弯负荷 4 kN户外支柱瓷绝缘子 尤其是1978年至1979 年我国成功地开发了GN6 500型隔离开关用500 kV 耐污型支柱瓷绝缘子和500 kV双柱式母线支柱瓷 绝缘子 标志着我国支柱瓷绝缘子向超高电压迈进 了一大步 1983年至1995年我国基本上能生产 35 500 kV母线和隔离开关用4 12 kN系列支柱瓷 绝缘子 其结构包括单柱 双柱和三角锥式三种结 构 爬电比距可达3 5 cm kV 以及SF6断路器 GIS罐式断路器 电容式电压互感器和SF6电流互 感器用系列空心瓷绝缘子和瓷套 2000年成功研 制了35 kV直流支柱瓷绝缘子 2003年至2007年 我国又成功研制了750 kV 1 000 kV支柱瓷绝缘 子和直流 500 kV 800 kV支柱瓷绝缘子 其中 结构高度10 m 额定弯曲破坏负荷不小于16 kN 扭转破坏负荷不小于10 0 kN m交直流支柱瓷绝缘 子的制造技术居世界领先水平 但至目前 我国交 流500 1 000 kV 直流 500 kV 800 kV空心瓷 绝缘子和套管末能完全实现国产化 其制造水平处 于国际先进水平 3市场现状及运行经验 截止2009年10月 我国交流66 1 000 kV和 直流 500 800 kV系统中 分别使用了悬式瓷 玻璃和复合绝缘子约8 110万片 6 620万片和 8 230万片 共计使用了22 960万片绝缘子 三种 类 型 绝 缘 子 分 别 占 使 用 总 量35 32 28 84 35 84 1 2001年和2003年以前 悬式瓷和玻璃绝缘子 的劣化率在0 2 左右 2006年在0 02 左右 复 合绝缘子的年故障率1999年为0 08 2006年为 0 01 年均劣化率在0 02 左右 说明三种类型 绝缘子的可靠性相同 无优劣之分 笔者认为设 计 运行等部门 在工程建设和运行维护时 应根 据我国的国情 并结合绝缘子的运行经验 各自优 缺点和使用条件来选择使用不同类型绝缘子 无论 那一种类型绝缘子的使用量若过大 笔者认为不合 适 应防止若干年后出现大面积更换某一类型绝缘 子 虽然我国早在20世纪90年代开发了110 kV 支柱和空心复合绝缘子 但由于高压支柱 空心瓷 绝缘子制造不困难 再加之我国成功地利用了长效 防污闪涂料RTV涂敷在其外绝缘表面上 较好地 解决了其污闪问题 所以支柱和空心复合绝缘子的 使用量较少 2002年以来 我国成功地研制了超 高压 特高压交直流用支柱和空心复合绝缘子 其 机械 电气 老化性能优良 可靠性高 近五年来 在电力系统中得到了大量使用 并呈急剧增长趋 势 因我国超高压 特高压交直流用空心瓷绝缘子 及瓷套管 制造技术有很大难度 再加之资金投入 不够 导致受制造设备限制仍依赖进口 因此 为 了解决这一问题 建议在超高压 特高压交直流系 统中 应大量使用空心复合绝缘子 在近三至五年 内 只要加大力度投入资金 提高空心瓷绝缘子装 备制造水平 完善套管核心技术 我国完全有能力 研制交流500 1 000 kV 直流 500 1 000 kV空 心瓷绝缘子和套管系列产品 并完全实现国产化 打破国外垄断我国超高压和特高压的局面 4结合制造水平和运行经验建议我国 绝缘子应考虑的问题 4 1电气性能 因我国输电线路末安装招弧角间隙 绝缘子末 能得到有效保护 就要求悬式瓷和瓷玻璃绝缘子耐 工频电弧性能和陡波性能高于IEC国际标准或其 它国家标准 悬式复合绝缘子内外绝缘材料不具备 耐工频电弧性能 因此建议我国运行 设计部门应 选用具有招弧角间隙相同作用的均压装置 同时建 议制造部门加大瓷和玻璃绝缘子头部设计厚度1 2 mm 或采用正偏差 否则 瓷和玻璃绝缘子的陡 波性能满足不了冲击电压幅值为 2 8 3 08 U50的 要求 U50指单只绝缘子的负极性雷电冲击50 闪络 电压 2 4 2机械性能 4 2 1悬式瓷和玻璃绝缘子 我国制造企业一般采用钢脚来控制绝缘子的机 械强度 将机械强度的标准偏差控制在3 10之 9 间 确定绝缘子机械强度的四要素 一是钢脚 二 是铁帽 三是瓷或玻璃绝缘件 四是水泥胶装剂 设计原则是瓷或玻璃绝缘件机械强度大于水泥胶装 剂 水泥胶装剂机械强度大于铁帽 铁帽机械强度 大于钢脚 钢脚的机械强度破坏值一般控制在 1 4 1 5倍额定机械负荷 SML 之间 建议制造 企业除采用钢脚来控制绝缘子的机械强度的分散性 外 还应控制铁帽 瓷或玻璃绝缘件和水泥胶装剂 机械强度的分散性 4 2 2悬式复合绝缘子 确定绝缘子的机械强度四要素 一是金属附件 即钢脚和铁帽 二是芯棒 三是压接工艺 若金 属 附 件 与 芯 棒 连 接 区 的 机 械 破 坏 强 度 高 于1 6 SML 特别是2 0 SML 就会导致芯棒内产生裂纹 玻璃纤维丝断裂等缺陷 而这些缺陷目前我国仍未 有有效的检测技术 因此建议其机械破坏强度应由 钢脚控制 且控制在1 4 1 5 SML之间 金属附件 与芯棒连接区的机械破坏强度控制在1 5 1 6 SML 之间 DL T 557 2005 高压线路绝缘子冲击电压击 穿耐受试验 定义 试验方法和判据 4 3设计和工艺 4 3 1支柱瓷绝缘子 因等静压干法成型工艺较湿法成型工艺筒单 机械化程度高 生产周期短 尺寸和形位公差偏差 小 机械强度高 分散性小 性能稳定 合格率 高 瓷质均匀和结构致密 故建议330 kV及以上 支柱瓷绝缘子采用等静压干法成型工艺 4 3 2悬式复合绝缘子 1 芯棒设计 少数制造企业为了简化制造工序工艺 简化试 验程序和减少模具 在同一电压等级采用同一直径 的芯棒来制造不同机械强度等级的绝缘子 即利用 高吨位的绝缘子来替代低吨位的绝缘子 产生的问 题是现行IEC GB和DL相关标准对其电气 机 械 老化性能等进行评价的判据失效 其长期运行 可靠性不能保证 尤其是造成巨大资源浪费 建议 160 kN 210 kN 300 kN 400 kN 530 kN机械 强度等级的绝缘子 分别采用 24 24或 28 30 34或 38 38或 40芯棒制造绝缘子 超高压和特高压可选该系列中芯棒较大值 2 爬电系数 C F GB T 16434 201X 污秽条件下使用的高压绝 缘子的选择和尺寸确定第三部分 交流系统用复 合绝缘子 报批稿 中规定爬电系数 C F 不小 于4 3 这一规定不合理 运行经验证明该伞形复 合绝缘子易导致其相邻两大伞间爬电距离短接 使 其包括污秽耐压特性的电气特性变差 更严重的是 在高湿度大气条件下易发生工频闪络 因此建议c 级及以下污秽等级复合绝缘子的爬电系数 C F 不大于3 2 d级及以上污秽等级爬电系数 C F 不大于3 5 e级及以上污秽等级爬电系数 C F 不大于3 8 国网公司企业标准Q GDW XXXX 2008 交流架空线路用绝缘子使用导则 第2部分 复合绝缘子 4 3 3空心瓷绝缘子 空心瓷绝缘子的制造工艺 可分整体成型和粘 接成型两种工艺 整体成型工艺不含有成形和熔烧 中的任何接口 整体成型2 600 mm及以下单节直 简或异形绝缘子 胶装后尺寸和形位公差小 外观 光洁无疵点 机械弯曲和扭转负荷高 安全裕度 大 特大形空心瓷绝缘子的成形主要有单片湿修接 后烧成 分节成形后干坯对按接再烧成 分节成形 并烧制 磨接口后有机粘接 分节成形并烧制 磨 接口后用无机粘接剂入窑二次烧成四种工艺 建议 110 kV 220 kV SF6瓷柱式断路器采用整体成型 罐式断路器和GIS出线瓷空心绝缘子采用整体成型 或无机粘接 互感器 电阻 电容器空心瓷绝缘 子 电容式套管采用整体成型 有机粘接或无机粘 接均可 330 kV 500 kV罐式断路器和GIS 出线 瓷空心绝缘子采用无机粘接 互感器瓷空心绝缘 子 电容式套管采用整体成型有机粘接 4 4运行特性 国网公司生技部于2006年对公司系统内交直 流复合绝缘子 包括按电压等级 使用时间 使用 数量 制造企业 区域运行情况进行了统计 并对 包括按使用时间顺序 电压等级 制造企业 地 域 事故原因 故障类型等运行故障进行了统计 使绝缘子行业掌握了复合绝缘子的运行情况 建议 我国应对瓷 玻璃绝缘子的运行情况进行调查 5结论 1 交直流悬式瓷 玻璃绝缘子制造水平已达 国际领先水平 悬式复合绝缘子 支柱瓷绝缘子 支柱复合绝缘子和空心复合绝缘子的制造水平已居 2010年第2期我国绝缘子的发展现状及应考虑的问题 总第234 期 10 2010年第2期电瓷避雷器 总第234 期 国际领先水平 空心瓷绝缘子和套管的制造水平处 于世界先进水平 2 截止2009年10月 我国66 1 000 kV交 流和 500 800 kV直流系统中 分别使用了瓷 玻璃和复合绝缘子约8 110万片 6 620万片和8 230万片 共计使用了22 960万片绝缘子 分别 占绝缘子使用总量35 32 28 84 35 84 3 交直流悬式瓷 玻璃和复合绝缘子的可靠 性相同 各有优缺点 设计和运行等部门 在工程 建设和运行维护时 应根据我国国情 并结合运行 经验 各自优缺点和使用条件选择使用不同类型绝 缘子 4 建议制造企业加大悬式瓷和玻璃绝缘子 头部设计厚度1 2 mm 或采用正偏差 建议运 行 设计等部门应选用具有招弧角间隙相同作用的 复合绝缘子均压装置 5 制造企业应控制悬式瓷和玻璃绝缘子的 铁帽 绝缘件和水泥胶装剂机械强度的分散性 6 复合绝缘子的机械破坏强度应由钢脚控 制 且控制在1 4 1 5 SML之间 金属附件与芯棒 的连接区机械破坏强度控制在1 5 1 6 SML之间 7 330 kV及以上支柱瓷绝缘子应采用等静 压干法成型工艺 8 160kN 210kN 300kN 400kN 530kN 机械强度等级的绝缘子 应分别采用 24 24或 者 28 30 34或 38 38或 40芯棒制造 超高压和特高压可选该系列中芯棒较大值 不能在 同一电压等级采用同一直径的芯棒来制造不同机械 强度等级的绝缘子 9 c级及以