输电线路设计—绝缘子

1 输电线路设计 2011年7月22日 张鸣 绝缘子 2 1 绝缘子的用途 分类2 绝缘子的基本要求3 玻璃绝缘子4 复合绝缘子5 瓷绝缘子6 三种绝缘子优劣性能比较 7 绝缘子设计选取8 绝缘子常见的型号 参数9 绝缘子常见的故障形式10 绝缘子串 3 4 1 绝缘子用途 架空线路的绝缘子是用来支持导线 它同金具组合将导线固定在杆塔上 并使导线同杆塔可靠绝缘 绝缘子在运行时不仅要承受工作电压的作用 同时要承受操作过电压和雷电过电压的作用 加之导线自重 风力 冰雪以及环境温度变化的机械荷载的作用 所以绝缘子不仅要有良好的电气绝缘性能 同时要具有足够的机械强度 高压针式绝缘子多用在10kV直线杆塔上 顶部有一个槽型 将导线放置槽型中进行绑扎 它主要承受导线下压力 其制造安装简单 但耐雷水平低 容易闪络 主要用于是10kV线路上 或导线拉力不大的直线杆上 5 绝缘子分类 绝缘子可按电压等级 使用材料和功能进行分类 1 按结构形式可分为针式绝缘子 棒式绝缘子和悬式绝缘子 2 按功能不同可分为普通型绝缘子和防污型绝缘子 3 按使用材料可分为瓷质绝缘子 钢化玻璃绝缘子和复合绝缘子 6 2 绝缘子的基本要求 1 要有良好的绝缘性能 使其在干燥和阴雨的情况下 都能承受标准规定的耐压 2 绝缘子不但承受导线的垂直荷重和水平荷重 还要承受导线所受的风压和覆冰等外加荷载 因此要求绝缘子必须有足够的机械强度 3 架空线路处于野外 受环境温度影响较大 要求绝缘子能耐受较大的温度变化而不破裂 4 绝缘子长期承受高电压和机械力的作用 要求其绝缘性能的老化速度要比较慢 有较长的使用寿命 5 空气中的腐蚀气体会使绝缘子绝缘性能下降 要求绝缘子应有足够的防污秽和抵御化学气体侵蚀的能力 7 3 玻璃绝缘子 用钢化玻璃做伞裙的悬式绝缘子叫钢化玻璃绝缘子是由石英砂 白云石 长石 石灰石和化工原料经过高温熔融成液体后冷凝而成的一种均质的非晶体 玻璃绝缘子主要由铁帽 钢脚 玻璃件 弹簧销组成 钢化玻璃绝缘子特点 1 机械强度高 比瓷质绝缘子的机械强度高1 2倍 2 性能稳定不易老化 其电气性能高于瓷质绝缘子 3 生产工序少 生产周期短 便于机械化 自动化生产 生产效率高 4 由于钢化玻璃具有透明性 故对伞裙进行外部检查时 容易发现细小的裂纹及各种内部缺陷或损伤 8 5 钢化玻璃绝缘子的质量较瓷质绝缘子轻 6 因钢化玻璃绝缘子具有 自爆 特性 在线路运行中 不需对绝缘子进行预防性测试 在巡视线路时 容易发现损坏的绝缘子 便于及时更换 7 由于制造设备 工艺的原因 钢化玻璃 自爆 率较高 影响钢化玻璃绝缘子的普遍应用 玻璃绝缘子使用注意事项 1 不宜在居民区使用 2 污秽严重地区要慎用悬垂玻璃绝缘子串 3 自爆 后应及时更换 以保证每串最小片数和最小空气间隙 线路绝缘子每串最小片数和最小空气间隙 9 4 复合绝缘子 复合绝缘子定义及其特点复合绝缘子是棒形悬式有机硅橡胶绝缘子的简称 复合绝缘子与传统的瓷质绝缘子 钢化玻璃绝缘子相比 具有质量轻 体积小 便于运输和安装 机械强度高以及耐污秽性能好等优点 同时在运行中可以免清扫 免预防性测试 可避免污闪事故 特别适用于城市电网和中等以上污秽地区使用 由于复合绝缘子的表面多具有憎水性 其表面泄漏状况与瓷绝缘子完全不同 在能源部能源办 1993 45号文 关于颁发电力系统电瓷防污有关规定的通知 中 暂定复合绝缘子单位泄漏距离 爬电比距 可按瓷绝缘的75 设计 10 复合绝缘子结构复合绝缘子是由伞盘 芯棒及金属端头三部分组成 对电压等级为11OkV及以上线路使用的复合绝缘子 为改善其电压分布 在复合绝缘子两端 或一端 装配有均压环 复合绝缘子材料及特点复合绝缘子的伞盘是由硅橡胶为基体的高分子聚合物制成 具有良好的合水性 水在伞盘表面呈水珠状 不会形成放电通路 另外 复合绝缘子伞盘还具有优良的耐电腐蚀性和良好的抗氧 抗臭氧及抗老化性能 复合绝缘子的芯棒采用环氧玻璃纤维棒制成 具有很高的抗张强度 约为普通钢的1 5 2倍 为高强度瓷的3 5倍 芯棒又具有良好的绝缘性能和良好的减振性 抗蠕变性及抗疲劳断裂性能 11 复合绝缘子均压屏蔽环输电线路绝缘子串所承受的电压 并不是均匀分布于每个绝缘子上 在绝缘子串中间的绝缘子 所承受的电压比两端的小 靠近导线的绝缘子承受的电压最大 而这种电压分布不均匀的情况 随线路电压的升高而严重 为使绝缘子串电压分布较均匀 一般要求110kV及以上线路上应装设均压屏蔽环 12 复合绝缘子金属端头的连接结构 1 内楔式内楔式是将芯棒端部锯开一条切口 在切口压入楔形的金属件 芯棒外部是一个锥形内腔的套筒 相互之间靠静摩擦力来传递机械负荷 13 2 外楔式外楔式是将套筒做成锥形 套在芯棒的端部 再把三个环形的外楔均匀地插入锥形内腔与芯棒之间 楔片厚度大小非常关键 相互之间也是靠静摩擦力来传递机械负荷 14 3 压接式压接式是将套筒套入芯棒后 用专用机械压接后使金属筒体与芯棒连成一体 压接式具有以下特点 1 结构简单 轻巧 外形美观 2 连接牢固可靠 分散性小 3 便于机械化操作 4 工艺简单 工效高 生产周期短 这种结构型式靠芯棒与金属端头的静摩擦来承受和传递负荷 其摩擦力一般取决于正压力大小 15 4 三种结构型式简单分析内楔式 外楔式和三种连接是通过被连接部件本身的过盈配合来实现的 相互之间是靠静摩擦力来传递机械负荷 在连接区内 芯棒是在应力下受压缩而产生弹性变形 由弹性应力作为产生摩擦力的正压力 压接式端部附件的连接结构 由于应力状态较理想 结构和装配工艺简单 便于电脑监控 连接较理想 综合成本较低 被认为是目前较理想的的连接结构型式 5 复合绝缘子的优缺点优点 防污性能优越 安装方便 清扫 价格便宜 缺点 界面击穿 芯棒断裂 伞裙老化 抗扭性能差 耐张串上使用不理想 16 复合绝缘子的机械承载能力目前制作复合绝缘子用的芯棒一般采用抗拉强度为800 1000MPa的芯棒 计算时一般取值500MPa 复合绝缘子芯棒的直径d可用以下公式计算 式中 T为设计抗拉力 例 试计算T 100kN的复合绝缘子需用多大直径的芯棒 17 5 瓷绝缘子 瓷绝缘子采用硅酸盐材料 是由石英砂 粘土和长石等原料经过球磨 制浆 炼泥 成形 上釉并经高温烧结而成 其结构由多晶体 玻璃相和和气孔组成 是一种非均匀材料 加工制作容易控制 取材方便 价格便宜 在80年代以前大量使用 我国80年代以后生产的瓷绝缘子 其年劣化率可稳定在十万分之几 这一指标已接近日本NGK公司生产的十万分之二的水平 瓷绝缘子优点是劣化率低 一般为十万分之几 但也存在2方面的致使弱点 一是在污秽潮湿条件下 绝缘子在工频电压作用时绝缘性能急剧下降 常产生局部电弧 严重时会发生闪络 二是绝缘子串或单个绝缘子的电压分布较不均匀 在电场集中的部位常引起电晕 因而产生无线电干扰 不均匀的电压分布 加速了瓷体老化 另外 由于绝缘子零值后需要检测才能发现 所以运行维护工作量大 发生污闪后的瓷绝缘子串 2003年220kV南北线 18 6 三种绝缘子优劣性能比较 19 7 绝缘子设计选取 外绝缘选择的一般原则 1 对绝缘子的选择除应考虑电气特性外 还要考虑机械特性 耐老化能力 运行维护特性以及价格因素 对绝缘子的性能要求 20 2 选择绝缘子首先要确定绝缘子的种类 电瓷 玻璃和复合绝缘子各有优 缺点 选择何种绝缘子要综合考虑它的全面性能 价格 运行维护的简易程度 使用寿命等因素 悬式电瓷绝缘子的形状有很多种 我国常用的主要是标准型 钟罩型 空气动力型 空气动力型中 平板型用的较少 双层伞型用的较多 三层伞型出现时间较晚 目前应用还不多 绝缘子形状的选取和使用地区的地理 气象 污秽等因素有关 价格因素也起重要作用 在清洁地区一般选用标准型 主要考虑的是价格因素 在沿海污秽能急剧积聚的地区 钟罩型的使用效果较好 在污秽缓慢积聚的内陆地区 钟罩型绝缘子的下表面会积聚较多的污秽 使其耐污闪能力下降 该型绝缘子在我国的使用效果并不好 双层伞型绝缘子的自清洗效果较好 在同一地区的积污数量要明显少于钟罩型和标准型绝缘子 表现出较强的耐污闪能力 在我国已大量使用 并取得很好的运行经验 我国一般称之为防污型或防尘型绝缘子主要是指双层伞型绝缘子 3 绝缘子形状的选取 21 根据污区级别和爬电比距确定绝缘子片数或串长 输电线路绝缘子的绝缘水平取决于所选取绝缘子的种类 形状 结构尺寸和串长 在绝缘子种类 形状和结构尺寸确定的前提下 每串绝缘子的片数由下式确定 m Um keL0 式中m为每串绝缘子的片数Um为系统最高运行线电压或者系统的额定线电压 取决于 的定义 为绝缘子的爬电比距L0为每片悬式绝缘子的几何爬电距离Ke为绝缘子爬电距离的有效系数爬电比距 是根据大量污闪实验结果和运行经验所确定的参数 的大小和污区的级别有关系 二者之间的关系如表3所示 表3的数据取自国家标准GB T16434 1996 高压架空线路和发电厂 变电所环境污区分级及外绝缘选择标准 Ke的定义为实际采用的绝缘子和标准悬式绝缘子在同样的自然条件下积污 沿单位泄漏距离污闪电压值的比值 通常是小于1的系数 它同时反映出绝缘子的耐污闪能力和积污特性 Ke的获得需通过大量自然积污和污闪试验获得 可能在不同污源地区Ke值是不同的 目前我国尚未给出不同绝缘子的Ke值 这对该工程设计方法的实际应用造成困难 通常对Ke值都取为1 这进一步增加了该设计方法的不确定性 22 污区的划分方法 线路和发电厂 变电所污秽等级 污区的划分主要根据运行经验 湿污特征以及等值盐密的测量值这三个因素 规程规定污区的划分应以前两个因素为主 最后一个因素 等值盐密的测量仅作为参考因素 实际上往往以后一个因素为最主要判断依据 因为只有这个因素是定量的 容易操作 划分污区的实际执行情况和制定划分污区的原则并不相符 其原因主要是前两个因素是定性的 难以操作 我国目前正开展测量饱和盐密的工作 推荐以饱和盐密代替基于一年一清扫测出的盐密 按现行运行规程规定 输电线路的绝缘子要作到一年一清扫 然而实际执行很困难 而且难以保证清扫质量 以饱和盐密划分污区比较符合我国大部分地区的实际清扫情况 进行绝缘设计时