復(fù)合絕緣子在特高壓直流工程中應(yīng)用探討

汪晶毅

（廣東省電力設(shè)計研究院，廣州 510663）

0 引言

硅橡膠復(fù)合絕緣子具有重量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點,在廣東地區(qū)，復(fù)合絕緣子在110～500 kV交直流線路的懸垂串上已得到了廣泛應(yīng)用，效果良好，但在耐張串上應(yīng)用較少，尤其是在500 kV交直流線路的耐張串上，在特高壓直流線路的耐張串上采用復(fù)合絕緣子更是缺乏運行經(jīng)驗[1-2]。

本文對復(fù)合絕緣子在特高壓直流線路中的應(yīng)用可行性和應(yīng)用范圍進(jìn)行了探討，為特高壓直流工程中復(fù)合絕緣子的推廣應(yīng)用提供參考。

1 直流復(fù)合絕緣子的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 直流復(fù)合絕緣子的應(yīng)用現(xiàn)狀

國外從20世紀(jì)70年代開始在直流線路上應(yīng)用高壓直流復(fù)合絕緣子，截至1992年，美國、新西蘭等國的直流線路現(xiàn)場掛網(wǎng)運行9種復(fù)合絕緣子800余根[3]，運行區(qū)域包括內(nèi)陸區(qū)、海岸區(qū)、鹽湖工業(yè)區(qū)及公路污穢區(qū)，線路運行電壓從±270～±500 kV，運行經(jīng)驗5 500支·a。從運行情況來看，在各種污穢區(qū)域，復(fù)合絕緣子均顯現(xiàn)出良好的耐污閃性能。

我國在1995年成功研制出直流復(fù)合絕緣子并掛網(wǎng)運行，葛南、天廣、龍政、三廣和貴廣線(I回)上使用的復(fù)合絕緣子已達(dá)11 000支[4-5]。超高壓直流線路中使用的復(fù)合絕緣子數(shù)量如表1所示。在運行數(shù)年后的電氣、機(jī)械試驗表明，復(fù)合絕緣子性能良好，用于±500 kV直流輸電線路是可行的。因此在后續(xù)的調(diào)爬中，這些線路應(yīng)用了更多的復(fù)合絕緣子。

表1 直流超高壓線路復(fù)合絕緣子使用情況[6]

1.2 特高壓直流工程采用復(fù)合絕緣子的必要性

南方電網(wǎng)公司于2007年開始建設(shè)云南至廣東±800 kV直流工程，國家電網(wǎng)正在建設(shè)向家壩—上海特高壓直流[7]。在“十二五”期間，南網(wǎng)和國網(wǎng)還將建設(shè)糯扎渡—廣東、錦屏—蘇南等特高壓直流工程。這些特高壓輸電工程的落點都是在沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，污區(qū)等級高，一旦發(fā)生污閃，勢必造成嚴(yán)重的后果。具體地說，特高壓直流工程采用復(fù)合絕緣子的必要性表現(xiàn)如下。

1）特高壓直流工程的電壓等級高，輸電線路的直流電場強(qiáng)度大，有較強(qiáng)的電暈放電，同時直流積污能力很強(qiáng)。一般統(tǒng)計表明，直流絕緣子表面積污是交流的2～3倍?？紤]到我國的大氣污染程度隨工業(yè)發(fā)展日益加重，特高壓直流線路的污閃將會對系統(tǒng)造成巨大沖擊，因此需要采用復(fù)合絕緣子提高特高壓絕緣子串的耐污閃能力，以保證輸電線路可靠、安全運行。

2）特高壓直流導(dǎo)線截面大、分裂數(shù)多、重量大、桿塔外負(fù)荷使用條件要求高，同時由于特高壓直流外絕緣水平要求很高，必須采用大噸位的絕緣子。應(yīng)用大噸位復(fù)合絕緣子可以大大減輕絕緣子的重量（約為瓷、玻璃絕緣子的10%），降低桿塔的荷載。

3）復(fù)合絕緣子由于優(yōu)良的憎水性在應(yīng)用時可以縮短爬距（在重污穢地區(qū)其爬電距離可取瓷絕緣子的75%），減小絕緣子長度，有效降低塔頭尺寸和工程造價。同時，復(fù)合絕緣子的價格也較瓷和玻璃絕緣子便宜，采用復(fù)合絕緣子本身就可以節(jié)約成本。

4）應(yīng)用復(fù)合絕緣子后期的維護(hù)運行較為簡單，可有效免除采用瓷絕緣子時的清掃和檢測零值工作，大大減輕運行維護(hù)的工作量及費用。

在特高壓直流上使用復(fù)合絕緣子具有顯著的經(jīng)濟(jì)性，不僅是可行的，同時也是必然的要求。但是考慮到在超高壓線路耐張串中復(fù)合絕緣子的使用經(jīng)驗仍然偏少，因此對特高壓直流耐張串采用復(fù)合絕緣子仍需要進(jìn)一步分析和研究。

2 復(fù)合絕緣子在耐張串上的應(yīng)用

雖然超高壓交直流工程中的懸垂串已經(jīng)廣泛使用了復(fù)合絕緣子，但是對于耐張串是否能應(yīng)用復(fù)合絕緣子目前還存在爭議[8]，運行部門仍持懷疑態(tài)度。例如，文獻(xiàn)[9]主張“耐張串宜選用玻璃絕緣子或瓷絕緣子，不宜使用復(fù)合絕緣子”，主要原因在于：擔(dān)心復(fù)合絕緣子芯棒的脆斷和長期運行后的機(jī)械性能下降；在耐張串上為了避免踩踏傘裙造成對導(dǎo)線檢修困難。

實際上，對廣東地區(qū)110～500 kV交直流耐張串上復(fù)合絕緣子的運行情況統(tǒng)計表明[8]，在較低電壓等級下（220 kV和110 kV），耐張串上使用復(fù)合絕緣子并未出現(xiàn)芯棒脆斷等事故。在較高電壓等級下（直流±500 kV和交流500 kV），盡管耐張串上試用的復(fù)合絕緣子數(shù)量較少，但其運行良好，運行數(shù)年后的檢驗測試也表明復(fù)合絕緣子的機(jī)械性能未出現(xiàn)下降。例如，在超高壓直流線路的耐張串上曾先后試用過復(fù)合絕緣子，其中±500 kV龍政線4基耐張塔使用了64支210 kN直流復(fù)合絕緣子；±500 kV貴廣（Ⅱ回）直流線路在廣東境內(nèi)重污區(qū)的1.5基耐張塔上試用了6串24支耐張串直流復(fù)合絕緣子，每串采用4×300 kN、雙掛點。運行經(jīng)驗表明，復(fù)合絕緣子的運行情況均良好。

以上事實說明復(fù)合絕緣子具備應(yīng)用于耐張串的可能性。清華大學(xué)對復(fù)合絕緣子低噸位的動載試驗也表明了這一點[10]。文獻(xiàn)[11]分析了耐張串復(fù)合絕緣子的在承受運行中可能出現(xiàn)的拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲、振動等各種載荷，認(rèn)為復(fù)合絕緣子完全可應(yīng)用在耐張串上。

運行經(jīng)驗和研究結(jié)論為推廣復(fù)合絕緣子在耐張串上的進(jìn)一步使用奠定了良好的基礎(chǔ)，積累了重要的數(shù)據(jù)。

由于特高壓直流耐張塔外負(fù)荷很大，如采用玻璃、瓷絕緣子，片數(shù)多，重量重，不但絕緣子材料費用上昂貴，同時對耐張塔的強(qiáng)度要求很高。采用復(fù)合絕緣子，可以提高耐污閃能力，有效減小串長，降低桿塔的荷載，節(jié)省鐵塔投資，同時后期維護(hù)也較為方便，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3 國內(nèi)復(fù)合絕緣子的研制和生產(chǎn)情況

經(jīng)過20多年的生產(chǎn)、研究和應(yīng)用，國內(nèi)已出現(xiàn)了眾多復(fù)合絕緣子生產(chǎn)廠家，產(chǎn)品涵蓋了各種電壓等級、多種機(jī)械強(qiáng)度的交流線路和直流線路，復(fù)合絕緣子的制造技術(shù)已達(dá)國際先進(jìn)水平。

國產(chǎn)廠家不僅具備了雄厚的復(fù)合絕緣子生產(chǎn)能力，在技術(shù)水平上也在不斷進(jìn)步，能采用整體注射和壓接式工藝研制開發(fā)特高壓（±800 kV）、大噸位（530 kN及以上）直流復(fù)合絕緣子，并通過了相關(guān)技術(shù)鑒定。除了生產(chǎn)工藝外，生產(chǎn)廠家以及高校、研究所等科研機(jī)構(gòu)在絕緣子型式[6]、均壓環(huán)設(shè)計[12-16]、破壞負(fù)荷與額定負(fù)荷的關(guān)系[17-18]、機(jī)械強(qiáng)度的下降[8]、大負(fù)荷彎曲、振動影響以及運行維護(hù)[8]等方面都展開了廣泛深入的研究，取得了十分可喜的成果。

4 復(fù)合絕緣子在特高壓直流耐張串中的應(yīng)用

以云廣±800 kV直流工程為例，導(dǎo)線采用6×LGJ－630/45鋼芯鋁絞線，年平均氣溫條件下的應(yīng)力為35.316 3 kN。如果耐張串使用雙聯(lián)550 kN復(fù)合絕緣子，在最大使用荷載下的安全系數(shù)、常年荷載下的絕緣子機(jī)械強(qiáng)度安全系數(shù)以及斷聯(lián)時的安全系數(shù)如表2中所示。

表2 雙聯(lián)550 kN復(fù)合絕緣子耐張串荷載計算

根據(jù)相關(guān)規(guī)定[19]，棒型絕緣子在最大使用荷載下機(jī)械強(qiáng)度安全系數(shù)取3.0，在常年荷載下機(jī)械強(qiáng)度安全系數(shù)取4.0，斷聯(lián)時安全系數(shù)取1.5。從表2耐張絕緣子串荷載安全系數(shù)的計算結(jié)果看，采用雙聯(lián)550 kN復(fù)合絕緣子配置，均能滿足規(guī)程要求。但是在風(fēng)速較大地區(qū)，安全系數(shù)裕度較小。

對于±800 kV直流線路在不同海拔高度中污區(qū)的絕緣配置，耐張串按雙聯(lián)考慮，使用復(fù)合絕緣子和盤型絕緣子的材料費用計算如表3所示。

由表3可見，即使是在低海拔地區(qū)（盤形絕緣子1），耐張串上使用復(fù)合絕緣子后，每串能比盤型絕緣子節(jié)約近6萬元，則每基耐張塔上僅絕緣子材料費用就可節(jié)約20余萬元。而復(fù)合絕緣子串重量不到盤型絕緣子串重量的20%（含金具）。隨著海拔高度的增加，以及污穢嚴(yán)重程度的增加，復(fù)合絕緣子重量輕、價格便宜的優(yōu)點會更為顯著。由此可見，在耐張串上采用大噸位復(fù)合絕緣子的經(jīng)濟(jì)效益是非常明顯的。

表3 特高壓直流線路復(fù)合絕緣子與盤型絕緣子的經(jīng)濟(jì)效益對比

從安全考慮，耐張串復(fù)合絕緣子可通過增加并聯(lián)聯(lián)數(shù)或提高每聯(lián)噸位來提高機(jī)械可靠性。雙聯(lián)絕緣子的結(jié)構(gòu)簡單，受力清晰，運行期間絕緣子出現(xiàn)故障的概率低，便于維護(hù)，在國內(nèi)有著豐富的設(shè)計、運行經(jīng)驗，是工程上成熟的、常用的串型。因此，可在線路地形平坦地區(qū)、風(fēng)速小、使用條件較小的耐張塔上掛網(wǎng)試用530 kN/550 kN大噸位復(fù)合絕緣子，采用雙聯(lián)配置、雙掛點，留足裕度，適當(dāng)提高安全系數(shù)。

特高壓直流大噸位復(fù)合絕緣子，相對于以往使用的耐張串上的復(fù)合絕緣子，在運行時須承受更大載荷和更高的運行電壓，復(fù)合絕緣子是否會出問題，尚待實際運行檢驗，絕緣子的長期機(jī)械性能也有待實際運行的驗證，因此需要謹(jǐn)慎從事。

云廣工程中在耐張串上均只少量試用了大噸位復(fù)合絕緣子（見圖1），全線僅掛36支530 kN復(fù)合絕緣子，主要用于廣東側(cè)進(jìn)站段的耐張塔上?！笆濉逼陂g建設(shè)的糯扎渡等工程可根據(jù)運行情況再調(diào)整復(fù)合絕緣子在耐張串上的試用范圍。

圖1 云廣特高壓直流線路耐張串試用復(fù)合絕緣子

5 結(jié)論

國內(nèi)外復(fù)合絕緣子多年的運行經(jīng)驗，表明復(fù)合絕緣子具有優(yōu)異的耐污閃性能，可以減輕污穢地區(qū)絕緣子表面清掃及零值檢測等運行維護(hù)管理方面的工作，此外復(fù)合絕緣子還具有重量輕、強(qiáng)度高、價格便宜等優(yōu)點。復(fù)合絕緣子在超高壓線路耐張塔上的試用經(jīng)驗，說明復(fù)合絕緣子也具備應(yīng)用于耐張串的可能性。

對特高壓直流輸電工程，導(dǎo)線截面大、分裂數(shù)多、重量大、桿塔外負(fù)荷使用條件高，同時線路外絕緣水平要求很高，采用復(fù)合絕緣子尤其是在耐張串上試用大噸位復(fù)合絕緣子，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)涌現(xiàn)出了一批優(yōu)秀的絕緣子生產(chǎn)廠家，研制開發(fā)了大噸位復(fù)合絕緣子，其產(chǎn)品可以滿足工程的需要。

對特高壓直流，電壓等級高，在系統(tǒng)中的地位相當(dāng)重要，在耐張串上使用大噸位復(fù)合絕緣子，既需謹(jǐn)慎，也需積極研究和試驗。云廣±800 kV直流工程已經(jīng)在耐張串上試用了復(fù)合絕緣子。可根據(jù)這些絕緣子的運行情況，結(jié)合糯扎渡特高壓直流等工程的建設(shè)需要，再考慮進(jìn)一步擴(kuò)大復(fù)合絕緣子在耐張串上的使用范圍。

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