加强对1000kV级交流输电线路用复合绝缘子的研究和开发

1、加强对1000kV级交流输电线路用复合绝缘子的研究和开发吴维宁1，胡毅1，王绍武2，苗桂良3，吴光亚1 (1武汉高压研究所，湖北省 武汉市 430074；2国家电网公司，北京市 100031；3电力规划设计院，北京市 100031) 摘要： 简要阐述了我国目前交、直流复合绝缘子的发展现状，提出了1000kV级交流复合绝缘子要向高于400kN的高强度等级发展，进一步改进结构、完善配方，提高复合绝缘子的可靠性。首次提出了复合绝缘子绝缘距离的确定方法。最后结合我国运行经验和对防污闪技术的认识，提出在c级、d级和e级特别是在d级和e级污秽等级地区应优先选用复合外绝缘子。文中还对我国绝缘子制造商和用户提

2、出了希望和建议。 关键词： 绝缘子；复合绝缘子；特高压输电；可靠性；防污闪 1000kV级交流输变电技术对绝缘子提出了更高的要求，如额定机械(电)破坏负荷为210、300、400kN和530kN；绝缘子串长比交流超高压线路长，如串长一般在1014m，约为500kV线路绝缘子串长的23倍；采用24串或更多串并联的绝缘子串布置方式；绝缘子串的数量比超高压线路多几倍，元件数量剧增，并要求每个元件的可靠性更高；绝缘子盘径大，绝缘子串布置方式不同，使其污秽特性可能与超高压也不同；铁塔间距大；分裂导线一般大于8，再加上覆冰、风力等苛刻的运行条件，使其要承受很大的拉、弯、扭机机械负荷。这些皆对复合绝缘子的运

3、行可靠性提出了更高的要求。本文结合我国复合绝缘子的制造现状、发展趋势、使用复合绝缘子的必要性及1000kV级交流输电对输变电技术的要求，提出了应加大力度研制高于400kN高强度等级的复合绝缘子，并对运行部门和制造企业提高了希望和建议。1我国复合绝缘子的制造现状1.1总体评价我国复合绝缘子的制造技术已达国际先进水平，其伞裙形状、端部密封技术、整体注射成型工艺、机械强度的可靠性等已达国际领先水平。1.2制造现状近20年来，国内已成长了一批优秀的复合绝缘子制造企业，其代表企业有襄樊国网合成绝缘子股份有限公司、山东泰光电气有限公司、东莞市高能实业有限公司、广州市迈克林电力有限公司等。目前，东莞、广州、

4、淄博、襄樊等企业已能大规模生产35750kV、70400kV的AC和500kV、70400kN的DC棒型悬式复合绝缘子。迄今已有600700万支(折合110kV)复合绝缘子挂网运行。除广泛应用于国内外，还大量出口。除以上有代表性的4家企业外，我国还有中小型企业约80至100家。其中约10家企业的年销售能力在10003000万元人民币。中小型企业与上述4家企业的差别在于管理、生产设备、检验测试设备及技术人员素质等方面。但主要差别体现在新型技术的应用以及技术人员的综合素质上。2提高对复合绝缘子的研发力度建议按以下思路提高复合绝缘子的可靠性。(1) 优化配方。力争将我国复合绝缘子的寿命提高至2030

5、年。(2) 优化伞裙形状。伞裙形状优化设计原则应是沿空气的击穿强度大于复合硅橡胶与空气界面的击穿强度，否则爬电距离易被短接。(3) 重新设计均压装置。均压装置的设计应满足以下要求：能改善复合绝缘子的电位分布。能保护金属附件、芯棒及伞套不被电弧灼伤。能保护两端金属附件连接区不因漏电起痕及电蚀损而导致密封性能的破坏。对形状、杆径及直径的要求。2.1提高机械强度(1) 加强对高强度绝缘子的研制开发。绝缘子机械强度当高于400kN时，其制造工艺、技术的难度远大于400kN以下的复合绝缘子的要求。(2) 合适的安全系数的确定。1000kN级输电线路高压导线结构比较大，一般采用8400mm2、8500mm

6、2和8630mm2 3种导线，且受线路经过地区的限制，垂直档距大于1000m，故其悬垂串多用24串绝缘子并联，耐张串多用3或4串绝缘子并联。机械负荷比500kN级以下线路有较大增加，这无疑对绝缘子机械强度的安全系数有了新的要求，因此建议安全系数取3032，但应论证。2.2结构(1) 组合结构。1000kV级交流用复合绝缘子的绝缘距离一般为1014m，约为500kV交流复合绝缘子的23倍，而且存在产品成品率下降，包装、运输和安装及运行维护困难的问题。一旦出现局部损坏就应整支更换，使维护费用增加；以及存在电位分布不均匀等问题。建议其结构由整支复合绝缘子设计成2支或3支组合结构，且每支均带均压装置。

7、(2) 招弧角间隙。1000kV级输电线路的污秽绝缘设计现采用污耐压法，相对于传统的爬电比距法其绝缘强度约增强20%40%。足够的绝缘距离，使得在1000kV级线路绝缘子串上采用招弧角间隙可以得到实现。绝缘子安装招弧性能高的防闪络角形件能有效保护绝缘子，并避免掉串和重合闸不成功。因此，特高压线路应考虑安装招弧角间隙。2.3电气特性特高压线路用绝缘子相对于500kV及以下电压等级用绝缘子，其电气特性的要求要高得多，主要反映在以下几个方面：(1) 可见电晕和无线电干扰。现行国家、电力行业相关标准要求应在规定的最高工作电压下不产生电晕，且规定在1.1倍最高运行相电压下绝缘子的无线电干扰水平不应大于6

8、0dB。500kV及以下电压等级用绝缘子，较易满足标准要求，而1000kV级用绝缘子，因其电气强度急剧增加，电位分布畸变严重，因此其可见电晕和无线电干扰水平很难满足运行要求。(2) 电位分布。由上文可知，1000kV级用绝缘子的绝缘距离急剧增加，使其电位分布相对于500kV及以下电压等级绝缘子更不均匀，无疑会导致其电气强度降低。(3) 工频大电弧。交流复合绝缘子工频大电弧特性相对于瓷、玻璃绝缘子较差1，而1000kV级用复合绝缘子，若采用整支结构，就使得其工频大电弧很难满足运行对其要求，且掉串的可能性大大增加。本文建议采用2支或3支组合结构以提高其工频大电弧性能。3复合绝缘子绝缘距离的确定考虑

9、到复合绝缘子运行若干年后其憎水性会降低至瓷、玻璃绝缘子的水平，即HC5级或HC6级1，所以本文认为复合绝缘子的绝缘距离应与瓷、玻璃绝缘子串相同。3.1单个瓷、玻璃绝缘子串片数的确定第一步，确定基本参数。基本参数包括现场等值附盐密度ESDD、现场等值附灰密度NSDD、单片绝缘子50%人工污秽闪络电压值U50和标准偏差0。第二步，确定安全系数K。首先确定单串绝缘子的闪络概率P，然后安全系数K值，按正态系数(K)=1-P分布表确定K值。对1000kV级线路，单片绝缘子的闪络概率P可取12%25%2，K由正态分布表查得对应于12%、15%和25%的K值分别为1.17、1.04和0.67。第三步，确定单

10、片绝缘子的最大耐受电压值。单片绝缘子的最大耐受电压值按式(1)确定。 Umax=(1-K)U50 (1)式中，Umax为单片最大耐受电压；K为安全系数(取1.17、1.04和0.67)；为标准偏差，取7%；U50为单片50%人工污秽闪络电压值，取9.14kV。由式(1)计算出对应于12%、15%和25%的Umax为8.39、8.47kV和8.71kV。第四步，确定污秽设计目标电压值Umax。按式(2)确定Umax。 Umax=K1Usmax(2)式中，Umax为污秽设计目标电压值；Usmax为系统最高运行电压，606kV；K1为按系统的重要性考虑的修正系数，取1.1。由式(2)计算出Umax=

11、666.9kV。第五步，确定绝缘子串片数。绝缘子串片数N按式(3)确定。 N=Umax/Umax(3)由式(3)计算出对应于单串闪络概率分别为12%、15%和25%的绝缘子片数分别为80、78和76片。3.2推荐污耐压法确定污秽绝缘设计的基本参数本文确定1000kV级交流输电线路绝缘子串片数时，取为7%，单片绝缘子的闪络概率P取15%，按系统的重要性考虑的修正系数K1取1.1。由上可知，1000kV级交流用复合绝缘子在d级污秽等级下，即ESDD/NSDD分别为0.1/1.0mgcm-2时，其绝缘距离应为13260mm。4采用复合绝缘子的必要性截止目前，500kV及以下电压等级的绝缘子约有600

12、700万支(折合110kV)在挂网运行，基本上与瓷、玻璃绝缘子形成了三足鼎立的局面。随着复合绝缘子制造技术水平的提高、运行经验的积累、可靠性的提高及对复合绝缘子整体技术水平认识的提高，复合绝缘子在1000kV级仍会大量使用。4.1对选用复合绝缘子的共识(1) 运行经验表明使用复合绝缘子有利于遏制电网污闪事故。运行经验证明，复合绝缘子在我国，特别是在华东、华北、东北、华南等电网中为遏制污闪事故的发生发挥了很好作用。(2) 便于安装和运行维护。4.2使用瓷、玻璃绝缘子的主要问题(1) 由于特高压线路污秽问题十分突出，因而绝缘子片数和串长急剧增加，导致了不同污秽地区杆塔高度的急剧增加(最高达100m

13、以上)。(2) 绝缘子太重。为减少塔窗尺寸，一般还用V型串限制风偏，一基塔用6串绝缘子，绝缘子自重达8910kg，耐张串的4串并联后自重更高，达17820kg3。减少绝缘子质量和串长，对特高压线路杆塔设计非常重要。4.3选择高强度复合绝缘子的优势(1) 质量小。每支复合绝缘子的质量约为瓷、玻璃绝缘子的6.7%。(2) 憎水性能优良(HC1级)。在ESDD/NSDD为0.1/1.0mgcm-2时，其单位爬电距离的污闪电压是瓷、玻璃绝缘子的2.53.0倍。(3) 重污秽地区选用复合绝缘子既可缩短绝缘子串长，减少塔窗尺寸，又可显著降低铁塔负载。(4) 可大幅度降低工程造价。例如300kN瓷绝缘子价格

14、约为3.2万元，而1000kV特高压300kV复合绝缘子价格仅为瓷绝缘子的一半，1.6万元。4.4我国防污闪技术取得的进步(1) 采用污耐压法来进行AC、DC污秽绝缘配置(针对线路)，而不采用爬电比距法。(2) 不仅考虑ESDD，还应考虑NSDD和SES(等值盐度)作为污秽绝缘配置基础数据。(3) 在进行污秽绝缘设计时，还应考虑上下表面污秽度的不均匀比。(4) 污秽等级的划分不仅应考虑ESDD，还应将NSDD和SES(等值盐度)作为污秽绝缘配置的基础数据。对以上防污闪技术认识的提高，使得在进行污秽绝缘设计时，应从根本上改变观念。对于同一ESDD，由于NSDD不同，其污秽等级可能是GB/T 16

15、4341996中的或或，也可能将为或。同一ESDD情况下，其绝缘子串片数可能不同，甚至差别很大。如1000kV级交流线路使用XP-160绝缘子，在ESDD/NSDD为0.1/0.4mgcm-2和0.1/1.0mgcm-2时，其单片污耐压值为9.0kV和8.5kV，按前面推荐方法计算单个绝缘子串片数分别为74片和78片。若NSDD相差较大，其绝缘子串片数就相差很远。这也是武汉高压研究所近几年在学术上一直强调线路应采用污耐压法和应考虑NSDD的原因。在1000kV级线路中，仅考虑采用污耐压设计单个绝缘子串片数，在ESDD和NSDD比较大(即ESDD超过0.1mg/cm2，NSDD超过1.0mg/c

16、m2)时，1000kV级用绝缘子串的片数可达80片以上，串长约在14m，杆塔高度会超过100m，所以本文强调了在污秽等级为c级、d级和e级，特别是在d级和e级污秽等级地区，应优先选用复合外绝缘子。5结论(1) 我国复合绝缘子的制造技术已达国际先进水平，其伞裙形状、端部密封技术、整体注射成型工艺、机械强度的可靠性等已达国际领先水平。(2) 建议应在配方、伞裙形状、均压装置等方面采取优化设计，以提高1000kV级复合绝缘子的可靠性。(3) 建议在研制开发1000kV级交流复合绝缘子时，应重点考虑机械强度、结构、可见电晕、无线电干扰、电位分布和工频大电弧等问题。(4) 随着复合绝缘子运行经验的积累，制造技术水平和运行可靠性的提高，对复合绝缘子整体技术水平的认识和对防污闪技术的认识提高，以及在重污秽地区瓷、玻璃绝缘子存在的主要问题和选择复合绝缘子的优势，建议在1000kV级交流输电线路中的c级、d级和e级地区，特别在d级和e级污秽等级地区，应优先选用复合外绝缘