输电线路绝缘子运行状况的分析

输电线路绝缘子运行状况的分析

电力线路使用的绝缘材料的质量直接关系到供电线路的安全。本文简略阐述了输电线路用各类绝缘子的材料和结构,针对运行中出现的绝缘子劣化、老化、使用寿命、检测和机电破坏强度等问题进行了分析,并对绝缘子的防雷、防污及防冰闪特性对运行特性的影响进行了论述。概述我国电网正处于快速、健康、持续发展的新时期。以三峡电网为中心,电网互联,形成全国统一大电网的局面将很快形成。截至2003年底,我国66kV及以上的输电线路总长度约为38.6万km。其中110kV输电线路(包括66kV)为19.4万km,220kV输电线路为13.6万km,330kV输电线路为1.3万km,500kV输电线路为3.9万km,±500kV直流输电线路为0.35万km。投入运行的绝缘子总数(复合绝缘子按相应的盘形绝缘子数折算)约为5700万片。在输电线路上采用的绝缘子按结构形式分有盘型悬式和棒型悬式两大类,而按电介质材料分类,有瓷、玻璃、有机合成绝缘子三种类型。在长期的运行中,绝缘子会受到雷击、污秽、鸟害、冰雪、高湿、温差等环境因素的影响,在电气上要承受强电场、雷电冲击电流、工频电弧电流的作用,在机械上要承受长期工作荷载、综合荷载、导线舞动等机械力的作用,综合分析三种类型绝缘子的运行性能及特点,研讨绝缘子在运行中出现的问题及解决措施,对于提高线路的运行可靠性,是很有必要的。¤盘形悬式瓷绝缘子生产盘形悬式瓷绝缘子的电瓷是由石英砂、粘土和长石等为原料,经球磨、制浆、炼泥、成形、上釉并烧结成瓷件。泥坯经高温烧结成一种多晶体,其显微结构由多晶体、玻璃相和气孔组成,是一种非均质材料。瓷件与钢帽、钢脚经高标号水泥胶装成为帽脚式盘形悬式瓷绝缘子。其基本结构见图1。如图1所示,钢帽和钢脚承受机械拉力,瓷件主要受压,瓷件的颈部较薄,也为电场强度集中的区域,当瓷件的颈部存有微气孔等缺陷,或在运行中出现裂纹时,有可能将瓷件击穿,出现零值绝缘子,因此这种类别的绝缘子为可击穿型。¤盘形悬式钢化玻璃绝缘子钢化玻璃体是由石英砂、白云石、长石、石灰石和化工原料经高温熔融成液体,经冷凝而成的一种均质的非晶体,表面进行钢化处理后形成的玻璃件。玻璃件与钢帽、钢脚经高标号水泥胶装成为帽脚式盘形悬式钢化玻璃绝缘子。其结构、外形与瓷绝缘子十分接近,当运行中的玻璃件受到长期的机械力和电场的综合作用而导致玻璃件劣变时,钢化玻璃体的伞盘会破碎,即出现“自爆”。钢化玻璃绝缘子最显著的特点是,当钢化玻璃绝缘子出现劣质绝缘子时它会自爆,因而免去了绝缘子须逐个检测的繁杂程序。¤棒悬式复合绝缘子有机复合绝缘子的硅橡胶伞盘为高分子聚合物,芯棒为引拔成型的玻璃纤维增强型环氧树脂棒,制造成型的棒悬式有机复合绝缘子是由硅橡胶伞裙附着在芯棒外层与端部金具连接成一体,其外形与结构见图2。如图2所示,两端金具与芯棒承受机械拉力。就目前情况来看,芯棒与端部金具的连接方式主要有外楔式、内楔式、内外楔结合式、芯棒罗纹胶装式和压接式。复合绝缘子由于硅橡胶伞盘的高分子聚合物所特有的憎水性和憎水迁移性使得复合绝缘子具有优良的防污闪性能。另外,由于其制造装备和制造工艺相对简单,复合绝缘子产品重量较轻(只有瓷绝缘子的十分之一),因而颇受使用部门的欢迎。¤长棒型瓷绝缘子长棒型瓷绝缘子为实心瓷体,采用高铝配方的C-120等高强度瓷,其晶相为刚玉和莫来石等,晶相间的结合键强,结构致密、分布均匀,因而其机电性能优良。烧制成的瓷材,除了有较高的电气性能之外,机械性能有了大幅的提高。其外形与结构见图3。如图3所示,长棒型瓷绝缘子仅在瓷体两端才有金具,几乎不含有任何内部结应力,因而其机电应力被分离。它的结构特点改变了传统的瓷件受压为抗拉,使得金具数大为减少,输电损耗降低,也降低了对无线电和电视广播的干扰。其外形可使自洁性能提高,不仅在单位距离内较盘形绝缘子爬电距离增加1.1-1.3倍,同时可有效利用爬电距离,其最大特点是属不可击穿型绝缘结构。运行状态及质量安全由于瓷、玻璃及复合绝缘子在材料选取、结构设计以及制造工艺等各方面的差异,其运行性能也是各不相同的。经长期运行,由于外在和内在的各种影响因素作用,会出现影响线路安全运行的各种问题。总结并分析各种绝缘子的运行状况并针对不同问题进行特性比较,择优选取,才能解决运行实践中的突出问题。¤劣化老化问题复合绝缘子的故障率较国产瓷绝缘子的劣化率及玻璃绝缘子的自爆率低,国产瓷绝缘子的年劣化率约为千分之一,玻璃绝缘子的自爆率约为万分之几。目前,从运行情况来看,复合绝缘子的运行可靠性较瓷、玻璃绝缘子好,但随着运行时间的增长,有机材料的老化劣势将逐步突出。一是伞裙材料的老化将会降低防污性能及电气绝缘性能,二是芯棒多年运行后因芯棒蠕变特性将降低机械强度,并暴露出端部金具连接中的问题。而且,由于国内不少产品是楔接式,在长期的运行中可能出现微量滑移,使密封胶开缝,在金具端部强电场的作用下,导致加速老化。¤关于使用寿命玻璃绝缘子具有零值自爆的特性,自爆原因一是来自制造过程中玻璃中的杂质和结瘤,若杂质和结瘤分布在内张力层时,在产品制成后的一段时间内,部分会发生自爆。所以制造单位在产品制造后应存放一段时间,以便发现制造中存在的质量隐患。若杂质或结瘤分布在外压缩层,在输电线路上运行一段时间后,在遇到强烈的冷热温差和机电负荷作用下,有可能引发玻璃绝缘件自爆。另外,运行中玻璃绝缘子在表面的积污层受潮后,在工频电压作用下会发生局部放电。由局部放电引起的长期发热会导致玻璃件绝缘下降,引起零值自爆。所以在污秽严重地区运行的玻璃绝缘子其自爆率会有所增高。但是,玻璃绝缘子的自爆率不同于瓷绝缘子的劣化率和有机复合绝缘子的老化率。玻璃绝缘子的自爆率属早期暴露,随着运行时间的延长,自爆率呈逐年下降趋势,而瓷绝缘子的劣化率属后期暴露,随着时间延长,在机电联合负荷的作用下,其劣化率会逐渐增加,而复合绝缘子由于有机材料本身的老化特性,其老化率及劣化率随着时间会增大,国外一般认为玻璃绝缘件和瓷绝缘件的老化寿命为50年左右,而复合绝缘子的老化寿命不超过25年。¤绝缘子检测问题瓷绝缘子由于瓷件与钢帽、水泥粘合剂之间的温度膨胀系数相差较大,当运行中瓷绝缘子受冷热变化时,瓷件会承受较大的压力和剪应力,导致瓷件开裂,而且瓷绝缘子的瓷件存在剥釉、剥砂、膨胀系数大等问题,受外力作用时,会产生有害应力引起裂纹扩展。瓷绝缘子的劣化表现为头部隐形的“零值”和“低值”,对零值或低值瓷绝缘子,必须登杆进行逐片检测,每年需花大量的人力和物力,而且检测的准确率在很大程度上受大气湿度、人工调整火花间隙距离、作业人员的经验等因素影响。由于检测零值和劣质的准确度不高,即使每年检测一次,也会有相当数量的漏检低值绝缘子仍在线路上运行,导致线路的绝缘水平降低,使线路存在着因雷击、污秽闪络引起掉串的隐患。玻璃绝缘子有缺陷时伞裙自爆,只要坚持周期性的巡检,就能及时发现和更换。合成绝缘子的在线检测在目前还缺乏适当的检测装置及方法,在国内外都是一个正在研究的课题。由于复合绝缘子是棒型结构,一旦失效,对线路影响将大于由多个绝缘子组成的绝缘子串。¤机电破坏强度问题机电破坏负荷试验是检测绝缘子运行特性的一项重要指标。机电破坏负荷试验结果差的产品,随着运行时间的增长,其机械强度会呈现逐渐降低趋势。对在线路上运行年限不同的瓷绝缘子、玻璃绝缘子进行机电性能对比试验,发现部分瓷绝缘子在运行15~25年后,试验值已低于出厂试验标准值,不合格率随运行年限增加。而玻璃绝缘子的稳定性和分散性要好于瓷绝缘子。对瓷和玻璃绝缘子进行高频振动疲劳试验,试验结果表明振后玻璃绝缘子的机电强度变化不大,而振后瓷绝缘子的机电强度明显下降。这一方面是因为国产瓷绝缘子厂家较多,由于材质及制造工艺等方面的因素,造成质量分散性大。另一方面,由于瓷质绕结体是不均匀材料,在长期的运行过程中,受各种机械冲击力、振动力的作用,可能对瓷体造成损失,导致机械性能下降。从目前国内外瓷绝缘子运行记录来看,国产瓷绝缘子与国际水平尚存较大差距。复合绝缘子在运行若干年后取下进行机械强度试验,发现程度不同的存在机械强度下降的问题。有的是芯棒在额定机械负荷下出现滑移,有的是芯棒从端部金具中脱出,有的是出现断裂。分析其原因:一是由于端部联结的结构和工艺存在问题,二是由于芯棒蠕变特性及材料老化。在长期的运行中,由于大气环境、电场、机械力等的联合作用,芯棒中的玻璃纤维会产生机械疲劳,环氧树脂材料会老化,端部金具和芯棒联结配合亦会出现松动,因此,生产单位应在金属端头与芯棒的联结工艺上严格把好质量关。同时对于运行中合成绝缘子的机械强度应采取定期监测措施,结合运行年限的长短,比较机械强度的下降速率,防患于未然。另外,国内外复合绝缘子在运行过程中已发生多起脆断事故,脆断通常发生在绝缘子的导线端的金具联结处附近,产生脆断的原因是由于水介质中的酸长期缓慢腐蚀芯棒截面而造成的。当芯棒剩余截面无法承受外部机械负荷时则出现断裂。雨水经硅橡胶或联结处的缝隙渗透到芯棒,而芯棒中的环氧树脂中残存有酸酐硫化剂,遇水也会生成酸破坏聚合物,因此,水分渗入到芯棒是造成合成绝缘子脆断的主要原因。要防止复合绝缘子在运行中脆断一是要提高端头密封质量,防止出现缝隙;二是要防止硅橡胶护套出现局部缺陷和表面损伤;三是要改善端部电场的分布。事实上,凡是发生脆断的合成绝缘子大多是在制造过程中存在有缺陷或在运输、安装、运行中护套材料受到损伤的绝缘子,因此,在投入运行前应对绝缘子进行仔细的检查,将存有缺陷的绝缘子在投网运行前予以剔除。空气间隙伏秒特性影响放电的未尽事宜¤防雷特性在采用瓷、玻璃绝缘子的输电线路中,雷击故障约占故障总数的50%左右,在全国复合绝缘子的故障统计中,雷电故障约占55%左右。雷击故障次数与雷电活动次数成正比,主要发生在雷电活动频繁的地区。不少地区根据运行情况认为:与瓷、玻璃绝缘子相比较,复合绝缘子的耐雷性能较差。特别是在110kV及以下电压等级的输电线路中显得较为突出。实际上,与瓷、玻璃绝缘子相比较,复合绝缘子在耐雷方面也有优势的一面,复合绝缘子不会发生瓷绝缘子难以避免的零值、低值和玻璃绝缘子的伞裙自爆,因而不致因零值或低值绝缘子降低整串绝缘子的耐雷水平。不利的一面是由于复合绝缘子伞裙直径较小,因而对同一高度来说,其干弧距离总是略小于瓷和玻璃绝缘子。一般来说,绝缘子串的总长度越小,直径对闪络的影响较为明显。另外,运行情况表明:由于复合绝缘子上下端均压环间或接头端头与导线端均压环间的空气间隙偏小,等效于降低了复合绝缘子的有效绝缘长度而造成雷击闪络电压降低。一般来说,装有均压环的复合绝缘子,空气间隙约减少15~20cm或更多。对110kV合成绝缘子的试验情况为:在下端配置一个均压环后,其雷电冲击闪络电压较配置前约下降5%,在上下两端均配置均压环后,其雷电冲击闪络电压较配置前约下降8%。产生这一下降的原因是雷击放电总是选最短的路径、最易于空气击穿的途径发生。当均压环之间的空气间隙伏秒特性曲线低于绝缘子表面的闪络伏秒特性曲线时,放电就首先选择在空气间隙中发生。当然,有利的一面是,当间隙偏小时,两端的均压环同时具有的招弧作用也可起到保护绝缘子的功能。由于它使雷击闪络不在绝缘子表面而在两均压环间的空气间隙中发生,因此防止了放电电弧对硅橡胶表面及端部连接金具的烧蚀。国外也有采用招弧角对瓷和玻璃绝缘子串进行保护的线路。绝缘配合一般为:两招弧角间的雷电冲击放电电压为绝缘子串雷电冲击放电电压的85%左右。一旦线路遭受雷击,雷击放电电弧不沿绝缘子串而在两招弧角间的空气间隙间形成。从而对绝缘子形成保护,大大减少了零值和劣质绝缘子的发生概率。仅从绝缘子的保护来说,两端配置均压环比仅在导线端配置均压环要好。若只在高压端配置均压环,显然不能将电弧完全从绝缘子表面引开。根据运行经验,在发生雷电闪络后,凡复合绝缘子两端均配置有均压环的,绝缘子表面仍保持完好,仅有局部伞裙发白。仅只在导线端安装了均压环的,有的伞裙烧损严重,塔侧的金具也被烧蚀。而两端均没装均压环的则两端金具及伞裙均有烧蚀现象,需要更换。对复合绝缘子的憎水性试验进一步说明,遭雷击闪络但无烧损的绝缘子仍保持较好的憎水性,但有明显烧蚀痕迹的绝缘子,其憎水性能则大大降低,意味着其耐污能力也将大大下降。因此,综合考虑耐雷水平和绝缘子的保护这两个方面,不应该仅为耐雷水平不致降低而取消均压环,应该适当增加绝缘子高度,特别是在雷电活动密集区和雷电易击点,所使用的复合绝缘子更应适当加长,使装配均压环后的空气间隙及放电距离不致减小。装设均压环的另一个好处是使绝缘子串的电场分布更趋均匀,不仅可减缓在长期工作电压下,因局部高场强引发局部放电而造成绝缘子的老化或劣化,而且在同一放电距离下,可因电场均匀而使得放电电压提高,从而提高雷击闪络电压。从运行及试验情况来看,均压环的结构和加工工艺,对放电电压也有一定影响。均压环局部有尖端或因结构不合理形成局部的高场强也会起到降低雷击放电电压的作用。从运行情况来看,复合绝缘子的雷击闪络大多可重合成功,这是因为复合绝缘子属不可击穿结构,当放电在空气中发生时,不会对绝缘性能产生不可逆影响,属可恢复性绝缘,而瓷绝缘子在雷击放电时可能发生内击穿,严重时可能在强大的工频电弧电流作用下发生爆炸,这种情况属不可恢复性绝缘。另需说明的是:复合绝缘子的防污性能是源于其外绝缘材料的特性,防雷性能则与外绝缘材料无关,只与其两端间隙距离及电极形状有关。距离越大,电场越均匀,其雷击放电水平就越高。¤防污特性刚出厂的复合绝缘子憎水性一般达I、II级,比瓷、玻璃绝缘子(V级)的憎水性好得多。而复合绝缘子之所以具有良好的防污性能是因为其伞盘材料(高温硫化硅橡胶)的憎水性和憎水迁移性。对运行中的复合绝缘子而言,如果一直维持较高的憎水性和憎水迁移性,我们认为它是性能优良的复合绝缘子。然而,我们发现许多复合绝缘子在运行若干年,甚至于一段时间以后,其憎水性完全丧失或部分丧失。丧失了憎水性的复合绝缘子,其防污性能及水平还不如普通瓷和玻璃绝缘子。因为复合绝缘子相对于分别具有100多年和70多年悠久历史并具有高可靠性不同吨位、型式和伞裙形状的瓷与玻璃绝缘子而言,其伞裙外形不太合理,大伞裙与小伞裙间距过小,易使相邻伞裙间局部爬电距离被空气放电短路和发生伞裙间飞弧短接现象,使其有效爬电距离减小,污耐压水平大为降低。复合绝缘子在输电线路的采用,作为一种防污对策勿容质疑,但能长期使用、可靠性高、自洁性能好、爬距有效系数大的瓷绝缘子则更为人们所青睐。如图1所示,三伞悬式绝缘子为外伞伞型,由于外伞型的伞盘下部无伞棱,由自然的风、雨所带来的自洁效果明显,因此污秽物附着量少,其污秽耐受电压有了较为明显的提高,各种绝缘子耐污特性的比较见表1。长棒型瓷绝缘子也具有有效爬距大,自洁性能好的特点,在我国华东地区已有了一定数量的采用,但由于运行时间还较短,人们还有一个认识了解的过程。¤防冰闪特性覆冰绝缘子串的最低交流闪络电压随串长或绝缘子片数的增大而增大,但由于长串的电压分布影响以及覆冰后加剧了电压分布的不均匀,因而最低冰闪电压与串长呈较为明显的饱和特性曲线。从绝缘子的结构