電站設(shè)備外絕緣全復(fù)合化趨勢

周曙琛，劉西中，朱勇，方江，范克強，張偉，王中陽，周慶慶，邢琳

（1.江蘇神馬電力股份有限公司，江蘇南通 226553；2.青海省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，青海西寧 810008；3.西北電網(wǎng)有限公司，陜西西安 710048；4.陜西省電力公司規(guī)劃評審中心，陜西西安 710065）

變電站主要設(shè)備分為一次設(shè)備和二次設(shè)備。一次設(shè)備（也稱主設(shè)備）是構(gòu)成電力系統(tǒng)的主體，它是直接生產(chǎn)、輸送和分配電能的設(shè)備，包括變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、電力母線、互感器、電抗器、補償電容器、避雷器、電力電纜等。

絕緣子作為一次設(shè)備的外絕緣，主要有瓷絕緣子和復(fù)合絕緣子2種。其中復(fù)合絕緣子采用非脆性材料，外部傘套材料是硅橡膠，內(nèi)部絕緣管材料是玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂，相比傳統(tǒng)的瓷絕緣子，具有以下優(yōu)越性能：重量輕、運輸安裝方便；強度高、不易破碎，抗震性能佳；耐污、濕閃性能優(yōu)異；免清洗，減少運行維護費用等。正是這些優(yōu)點，使復(fù)合絕緣子逐漸取代瓷絕緣子，成為電站設(shè)備外絕緣的首選。國家電網(wǎng)公司在《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》中就明確指出“一次設(shè)備應(yīng)具備高可靠性，其外絕緣宜采用復(fù)合材料，與當(dāng)?shù)丨h(huán)境相適應(yīng)?！彼?，復(fù)合絕緣子逐步取代傳統(tǒng)瓷絕緣子應(yīng)用于電站設(shè)備外絕緣，實現(xiàn)電站外絕緣的全復(fù)合化是電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢[1-3]。

1 電站設(shè)備用傳統(tǒng)瓷絕緣子的弱點

瓷絕緣子是主要由黏土、長石、石英（或鋁氧原料）等鋁硅酸鹽原料混合配制，經(jīng)過加工成一定形狀，在較高溫度下焙燒成的無機絕緣材料，并在表面覆蓋一層玻璃質(zhì)的平滑薄層釉。作為一次設(shè)備外絕緣的瓷絕緣子有很多難以克服的先天弱點，下面從瓷絕緣子的材料特性、制造工藝、結(jié)構(gòu)特點等方面論述。

1.1 材料特性

瓷絕緣子的材料是由離子鍵或共價鍵所組成的多晶結(jié)構(gòu),它缺乏能促使材料變形的滑移系統(tǒng)，材料一旦受到外加的負荷,再加上陶瓷工藝所很難避免在材料表面所構(gòu)成的微缺陷的存在,它們都有可能構(gòu)成應(yīng)力并且在這些應(yīng)力尖端集中。在瓷材料中又沒有其他可以消耗外來能量的系統(tǒng),只有以新的自由能予以交換，所謂新的自由能就是應(yīng)力尖端的擴展所形成新的表面所吸收的能量。這樣的結(jié)果就造成應(yīng)力的快速擴展，進而造成絕緣子的斷裂或爆炸。這是瓷絕緣子材料最重要的力學(xué)性質(zhì)。

1.2 制造工藝

瓷材料顯微組織復(fù)雜且不均勻，這是由于瓷材料的生產(chǎn)制造過程所致。瓷絕緣子一般經(jīng)過原料的粉碎配制、成型和燒結(jié)等過程，其顯微組織由晶體相、玻璃相和氣相組成，而且各相的相對量相差很大，分布也不均勻。瓷絕緣子一旦燒制成形，其顯微組織無法通過冷熱加工加以改變。如果瓷件在制作過程中配方不當(dāng)，工藝流程中原料混合不均勻，焙燒火力不足等，則瓷件易形成吸濕性氣孔；而結(jié)構(gòu)不合理或者成型時失誤、受力不均等,也會使瓷件內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，在使用過程中內(nèi)應(yīng)力釋放，引起微裂紋，并在載荷作用下逐漸擴大失穩(wěn)導(dǎo)致斷裂。

所以說瓷絕緣子的制造工作有很多不可控因素，在各段工序中都可能引進缺陷，造成瓷絕緣子易斷裂或爆炸。表1說明在瓷絕緣子生產(chǎn)工序中可能引進的各類缺陷。

表1 瓷絕緣子生產(chǎn)工序中可能引進的各類缺陷Tab.1 The defects in the production process of porcelain insulators

1.3 結(jié)構(gòu)特點

瓷絕緣子由瓷件、水泥、鑄鐵法蘭這3種材料黏結(jié)在一起組成，而3種材料的線膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)都是不同的，瓷的膨脹系數(shù)為（3.5~4.0）×10-6/℃，水泥為10×10-6/℃，鑄鐵為12×10-6/℃。由于各部件的膨脹系數(shù)不同，在環(huán)境溫度發(fā)生變化的情況下對瓷件造成不均勻的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。由于長期受到過大的應(yīng)力，會使瓷材料自然劣化，引起原有性能的逐步降低。

由于法蘭部分采用水泥作為膠合劑，水泥易吸收水分和CO2后體積會增大，冬季水泥吸收水分后在結(jié)冰體積增大情況下，壓迫瓷件，久而久之促使瓷件的機械強度下降。

1.4 其他因素

瓷絕緣子在運輸、裝配和搬運過程中，如果沒有妥善的保護措施，在受到外力沖擊等因素下，也易造成不同程度的應(yīng)力損傷。

正是由于上述各種瓷絕緣子本身固有且難以克服的特性，使得瓷絕緣子在使用過程中有易爆炸傷害、閃絡(luò)跳電、脆斷坍塌、濕閃污閃、覆冰閃絡(luò)等缺點，且瓷絕緣子的制造和使用中會造成資源和環(huán)境污染嚴重、運輸和安裝不便和維修費用巨大等不利因素。

2 電站設(shè)備用復(fù)合絕緣子與瓷絕緣子的比較

復(fù)合絕緣子作為電力行業(yè)外絕緣的新生力量，已逐步大量應(yīng)用于電站設(shè)備。其基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示（以空心復(fù)合絕緣子為例）。相比前節(jié)所述的傳統(tǒng)瓷絕緣子，其突出的優(yōu)點如下。

圖1 復(fù)合絕緣子的結(jié)構(gòu)[2]Fig.1 The structure of the composite insulator[2]

2.1 優(yōu)異的抗破壞性能

復(fù)合絕緣子提供機械強度的絕緣管是由玻璃纖維增強樹脂（FRP）材料制成，外部傘套材料是高溫硫化硅橡膠（HTV），傘套和內(nèi)部絕緣管均為非脆性材料，在運輸、安裝、運行過程中，不易碰損、爆炸、脆斷。FRP材料阻尼比是瓷的2倍。阻尼比越大，抗震性能就越好，并且具有優(yōu)異的抗彎強度，地震時動力反應(yīng)小，無需加裝減震裝置。而且，同等抗彎強度的電站用復(fù)合絕緣子的重量僅為瓷的40%，重量上的優(yōu)勢同樣保證了震動時的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。FRP管材內(nèi)壓力許用應(yīng)力是高強瓷的2~3倍，即使在內(nèi)壓力過大的極端情況下也不發(fā)生爆炸，而僅僅通過破口或裂縫泄壓，存在對周圍設(shè)備及人員傷害性小，易于搶修等特點。

而復(fù)合絕緣子由于是由非脆性材料制成，所以具有良好的抗破壞性，圖2是對復(fù)合絕緣子進行的磚擊破壞實驗，實驗結(jié)果表明，復(fù)合絕緣子未發(fā)生斷裂及破損，性能優(yōu)越。

圖2 復(fù)合絕緣子的抗磚擊破壞實驗[2]Fig.2 Resistance to destruction test of composite insulators[2]

2.2 優(yōu)異的抗震性能

電站設(shè)備用瓷絕緣子的特點決定了其在地震中的脆弱性，是地震中的易損件。因為陶瓷是脆性材料，抗彎性能很差，加上電站外絕緣設(shè)備的結(jié)構(gòu)形狀特殊，不僅又細又長，而且上部質(zhì)量較大，地震時瓷套管的根部承受很大的彎矩，使瓷套管強度不足而斷裂，尤其是在瓷套與其他材料的連接處；同時，這類設(shè)備的固有頻率在1~10 Hz范圍內(nèi)，與地震波的卓越頻率相接近，同時這類設(shè)備阻尼值較小，其主材料瓷柱屬脆性材料，儲能能力較小，因此在地震中極易因類共振影響設(shè)備遭受破壞。

而復(fù)合絕緣子采用的是玻璃纖維增強樹脂（FRP）材料，屬于韌性材料，阻尼比較大（見表2），儲能能力較大，抗彎強度高，且復(fù)合絕緣子重量輕，約為瓷絕緣子的1/3，大幅降低設(shè)備重心，所以電氣設(shè)備在地震中更不易損壞。

表2 復(fù)合絕緣子和瓷絕緣子相關(guān)參數(shù)比較Tab.2 Related parameters comparison between composites insulator and porcelain insulators

在2008年5月12日的汶川大地震中，運行在四川的數(shù)百支某復(fù)合產(chǎn)品成功經(jīng)受8級地震考驗，在瓷套出現(xiàn)斷裂事故的情況下完好無損。圖3為四川某電站地震后現(xiàn)場圖。

圖3 復(fù)合絕緣子與瓷絕緣子的抗震性能比較Fig.3 The seismic performance of the composite insulator and porcelain insulator

2.3 優(yōu)異的耐污、雨和冰閃性能

圖4 為瓷材料表面親水性和硅橡膠表面憎水性的對比。在雨水和霧氣等濕潤的環(huán)境中，親水性的瓷質(zhì)材料表面會形成連續(xù)的水膜，再加上可溶性的污穢物質(zhì)溶解于其中，形成電導(dǎo)率較高的污濕層，當(dāng)污穢較重時易發(fā)生污閃。

圖4 瓷質(zhì)材料表面親水性和硅橡膠表面憎水性對比Fig.4 Comparisons between the porcelain surface hydrophilicity and the silicone rubber surface hydrophobic

而復(fù)合絕緣子采用高溫硫化硅橡膠作為外絕緣傘套材料，其化學(xué)結(jié)構(gòu)決定了優(yōu)異的表面憎水性；并且硅橡膠具有獨特的憎水性遷移特性，即使絕緣子表面積污，表面污穢也會很快獲得憎水性。從而賦予了復(fù)合絕緣子優(yōu)異的耐污、濕閃性能。研究結(jié)果（見圖5）表明：其污閃電壓比相同泄漏距離的瓷絕緣子高出50%以上[4]。

圖5 復(fù)合絕緣子和瓷絕緣子污耐壓對比[4]Fig.5 Comparison of pollution withstand voltages between the composite insulator and porcelain insulator[4]

正是由于憎水性的不同，復(fù)合絕緣子較瓷絕緣子的覆冰閃絡(luò)要優(yōu)異很多。圖6為2008年南方雪災(zāi)中江西500 kV進賢變電站絕緣子覆冰對比，瓷絕緣子覆冰，冰棱橋接閃絡(luò)，甚至產(chǎn)生爆炸。復(fù)合絕緣子由于材料特有的良好熱容性及憎水性，不會形成連接的冰棱，避免了閃絡(luò)及爆炸事故。

圖6 復(fù)合絕緣子和瓷絕緣子表面覆冰對比Fig.6 Comparison of ice covered conditions between the composite insulator and porcelain insulator

2.4 膠裝工藝

瓷絕緣子由于膠裝時各項材料的膨脹系數(shù)不同而導(dǎo)致的密封性能不佳，經(jīng)常造成事故。例如2010年12月14日05時24分，在無任何操作和異常信號情況下，某電力公司500 kV變電站發(fā)生斷路器A相在運行中自行斷落故障。檢查發(fā)現(xiàn)滅弧室法蘭與瓷套結(jié)合部位封裝油漆劣化；法蘭與瓷套結(jié)合處內(nèi)1 cm左右處的瓷件斷面有發(fā)黃痕跡，如圖7所示，判斷是膠狀工藝不良導(dǎo)致水汽滲入，進而破壞斷路器外絕緣，致事故發(fā)生。

復(fù)合絕緣子法蘭膠裝部位采用與玻璃鋼同種材質(zhì)的樹脂作為膠黏劑，有效保證了與玻璃鋼的黏結(jié)度，同時由于材料性質(zhì)相同，無膨脹系數(shù)差異，因而受外界溫度變化的影響較小。此外，在法蘭與管體結(jié)合面采用有效的密封措施，保證膠裝區(qū)不受外界濕氣等影響。

對神馬電力復(fù)合絕緣子進行密封性能試驗，樣品放置在試驗箱中，2 h從室溫升溫到100℃，并保持8 h；保溫結(jié)束后的4 h逐漸降溫到-50℃，并保持8 h；保溫結(jié)束后的4 h逐漸升溫到100℃，并保持8 h；一次高溫和一次低溫為一個循環(huán)，共計10個循環(huán)，最后從低溫-50℃恢復(fù)到室溫。測試密封性能，絕緣子無損壞且密封性能良好。實驗參數(shù)如圖8。

圖8 冷熱循環(huán)試驗（-50~+100℃）Fig.8 High and low temperature cycle test（-50~+100℃）

在試驗完成后測試密封性能，年泄漏率仍為0.001 4%（國標(biāo)要求年泄漏率小于0.5%）。此后，進行了內(nèi)壓力試驗，冷熱循環(huán)后破壞值為5.4 MPa，而未進行高低溫循環(huán)試驗的同批產(chǎn)品內(nèi)壓力平均破壞值為5.5 MPa，幾乎未有變化。從而得出結(jié)論：劇烈的溫差變化對某復(fù)合絕緣子膠裝區(qū)域幾乎沒有任何影響。

2.5 清洗和維護

瓷絕緣子為了防止污閃，須定期噴涂RTV維護，復(fù)合絕緣子免維護，所以在電站的全生命周期中瓷絕緣子維護成本遠高于復(fù)合絕緣子[3]。復(fù)合絕緣子由于其獨有的憎水性和憎水性遷移，使其在運行過程中可以無需清掃維護。表3是對瓷絕緣子和復(fù)合絕緣子的清掃與維護評估比較。

表3 瓷絕緣子和復(fù)合絕緣子的清掃與維護評估比較Tab.3 Comparative evaluation of the cleaning and maintenance between the porcelain insulator and composite insulator

2.6 資源節(jié)約和環(huán)境保護優(yōu)勢

傳統(tǒng)瓷絕緣子采用不可再生的黏土作為原材料，對環(huán)境破壞較大。在其制造過程中采用大量油、氣燒制，且重量大，其生產(chǎn)、運輸和安裝全流程能源消耗和碳排放量極高。復(fù)合絕緣子采用蘊含量極大的石英礦和金屬硅礦作為原材料，在生產(chǎn)、運輸和安裝全流程的能源消耗與碳排放量是瓷產(chǎn)品的1/3，屬于典型的“資源節(jié)約型”和“環(huán)境友好型”產(chǎn)品。

2.7 生產(chǎn)周期優(yōu)勢

瓷絕緣子的材料特性和加工工藝決定了產(chǎn)品交貨周期長，甚至于一些工程出現(xiàn)了整體進度受制于瓷絕緣子交貨期的現(xiàn)象。復(fù)合絕緣子的材料特性和加工工藝決定了產(chǎn)品易于形成批量、規(guī)模化生產(chǎn)，在保證質(zhì)量穩(wěn)定的同時，極大地縮短了交貨周期。一般來說，某公司復(fù)合絕緣子的交貨周期是瓷絕緣子的50%左右，并且產(chǎn)品采用大型數(shù)控自動化設(shè)備，產(chǎn)品一次合格率高，大大提高了產(chǎn)品生產(chǎn)效率和質(zhì)量的穩(wěn)定性、一致性。

瓷質(zhì)材料脆性的致命弱點以及生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)過程中可控性差，復(fù)合絕緣子無論在材料性能還是生產(chǎn)過程的可控性都具有無可比擬的優(yōu)勢，以神馬公司生產(chǎn)的復(fù)合絕緣子為例主要表現(xiàn)在以下幾點：

1）神馬公司的復(fù)合絕緣子主體為高性能環(huán)氧樹脂玻璃鋼筒，由環(huán)氧樹脂膠液浸透玻璃纖維纏繞而成。在成型過程中，環(huán)氧樹脂膠液經(jīng)過一系列物理、化學(xué)變化過程，形成環(huán)氧樹脂基體（環(huán)氧樹脂固化物），并與纖維結(jié)合成一個整體，從而充分發(fā)揮了原材料的潛在能力，使材料呈現(xiàn)出優(yōu)異的復(fù)合效果。玻璃鋼筒體采用濕法纏繞成型技術(shù)制造，恒溫恒濕的全封閉環(huán)境和四維全自動數(shù)控纏繞設(shè)備，全流程可控的工藝有效保證了玻璃鋼筒性能的穩(wěn)定性和可靠性，杜絕了局部弱點出現(xiàn)的可能性，實現(xiàn)了整體產(chǎn)品優(yōu)異的機械和電氣性能。

2）傘裙采用整體真空注射成型工藝，通過對注射裝備、注射模具和注射工藝進行技術(shù)創(chuàng)新，實現(xiàn)了特大型高精度全密封注射結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造技術(shù)、16點冷流道注射系統(tǒng)及模具流道系統(tǒng)設(shè)計、特大型復(fù)合絕緣子整體真空注射成型工藝技術(shù)，有效保障了產(chǎn)品內(nèi)外絕緣的可靠黏接。由于產(chǎn)品采用一次真空注射成型工藝，杜絕了硅橡膠內(nèi)部可能出現(xiàn)的缺陷，確保了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定與可靠。

3）法蘭膠裝部位采用與玻璃鋼同種材質(zhì)的樹脂作為膠黏劑有效保證了與玻璃鋼的黏結(jié)度，同時由于材料性質(zhì)相同，無膨脹系數(shù)差異，因而受外界溫度變化的影響較小。此外，在法蘭與管體結(jié)合面采用有效的密封措施，保證膠裝區(qū)不受外界濕氣等影響。為了考核絕緣子膠裝區(qū)域耐冷熱循環(huán)及熱老化性能，產(chǎn)品順利通過了Alstom熱穩(wěn)定試驗及熱老化試驗，熱穩(wěn)定試驗即絕緣子在-50~+100℃的溫度下循環(huán)10次，熱老化試驗即絕緣子在+100℃下維持2 000 h，試驗后絕緣子仍能保持優(yōu)異的密封性能，且機械性能（內(nèi)壓力及彎曲）未見明顯下降。2種試驗充分考慮了復(fù)合絕緣子膠裝區(qū)域耐受冷熱循環(huán)及長期高溫的運行環(huán)境，有效證明了神馬公司的復(fù)合絕緣子遠勝于瓷質(zhì)絕緣子的性能。

復(fù)合絕緣子與瓷質(zhì)絕緣子性能對比如表4。

3 復(fù)合絕緣子在各類電站設(shè)備的應(yīng)用

在電站設(shè)備外絕緣的應(yīng)用上，復(fù)合絕緣子比瓷質(zhì)絕緣子具備更優(yōu)異的運行可靠性，能夠?qū)⒃O(shè)備事故率降至最低。某復(fù)合空心絕緣子能夠滿足電站全部設(shè)備外絕緣使用要求，運行時間最長已達到12 a，掛網(wǎng)運行業(yè)績豐富，在國家電網(wǎng)及南方電網(wǎng)特高壓交、直流工程中得到廣泛應(yīng)用，無一例事故，實踐證明神馬復(fù)合絕緣子性能優(yōu)越，安全可靠。下面就神馬復(fù)合絕緣子在全球各地電站設(shè)備的應(yīng)用舉例。

3.1 變壓器

3.1.1 復(fù)合絕緣子在變壓器中的使用優(yōu)勢

除了第2節(jié)提到復(fù)合絕緣子相對于瓷絕緣子有著優(yōu)異的抗破壞性能、優(yōu)異的耐污閃、冰閃等性能。由于變壓器用絕緣子很多是接觸變壓器油的，所以變壓器中的復(fù)合絕緣子還需要考慮其耐油性。

而在耐油性方面，神馬對管耐油性及硅橡膠耐油性進行了大量深入研究。對于絕緣管耐油性，復(fù)合絕緣子內(nèi)襯選用耐油材料，根據(jù)GB/T 17623-1998絕緣油中溶解氣體組分含量的氣相色譜測定法進行了驗證，結(jié)論合格；對于硅橡膠耐油性，硅橡膠材料表面粘變壓器油后對其性能影響甚微。圖9顯示的是神馬硅橡膠的耐變壓器油實驗，表5顯示實驗結(jié)果。

表4 復(fù)合絕緣子與瓷質(zhì)絕緣子性能對比Tab.4 Performance comparison between the composite insulator and porcelain insulator

圖9 是神馬硅橡膠的耐變壓器油實驗Fig.9 Transformer oil resistance test of SHENMA silicon rubber

表5 神馬硅橡膠的耐變壓器油實驗結(jié)果Tab.5 Transformer oil resistance test results for SHENMA silicon rubber

3.1.2 復(fù)合絕緣子在變壓器上的應(yīng)用舉例

圖10為神馬公司空心復(fù)合絕緣子用于昆明特高壓2 250 kV試驗變壓器運行情況圖，證明神馬復(fù)合絕緣子完全滿足變壓器外絕緣使用。

圖10 2 250 kV試驗變壓器用空心復(fù)合絕緣子昆明特高壓運行實景Fig.10 2 250 k V UHV test transformer with hollow composite insulator running at Kunming

3.2 柱式斷路器

3.2.1 復(fù)合絕緣子在柱式斷路器中的使用優(yōu)勢

在柱式斷路器上最為重要的要求是在開關(guān)開斷時滅弧單元承受內(nèi)壓力強，而瓷絕緣子由于是脆性材料，在壓力下其本身的裂紋擴大，易發(fā)生斷裂或爆炸。而復(fù)合絕緣子的內(nèi)壓力許用應(yīng)力是高強瓷的2~3倍。即使在內(nèi)壓力過大的極端情況下不發(fā)生爆炸，而僅僅通過破口或裂縫泄壓。

斷路器外絕緣的復(fù)合絕緣子和瓷質(zhì)絕緣子在內(nèi)部過壓對比試驗結(jié)果見圖11，瓷絕緣子過壓即發(fā)生爆炸、斷裂，碎片四濺；而復(fù)合絕緣子，氣體從相對薄弱點釋放，不會爆炸，更無散射的碎片，整體結(jié)構(gòu)能夠得到保持，對斷路器無損傷，對周圍設(shè)備也無損害。

圖11 復(fù)合與瓷絕緣子柱式斷路器的過壓對比試驗[2]Fig.11 Shatter test of live tank circuit breaker[2]

另外耐電弧能力是斷路器非常重要的性能。某公司研發(fā)的復(fù)合絕緣子內(nèi)襯采用可耐腐蝕和耐受極限高溫的新型材料，可以滿足斷路器設(shè)備極限開端的苛刻要求。某某公司252 kV及550 kV 2支空心復(fù)合絕緣子已經(jīng)在某院運行1 a多時間，其中252 kV在一個月時間內(nèi)累積電流超過2 000 kA，550 kV累積電流達到4 000 kA以上，經(jīng)過多次觀察，絕緣子內(nèi)壁完好，無明顯損傷，完全能滿足滅弧室開斷要求。圖12為該絕緣子的內(nèi)壁情況。

圖12 復(fù)合絕緣子耐電弧后內(nèi)壁情況Fig.12 Composite insulator liner after arc resistance test

3.2.2 復(fù)合絕緣子在柱式斷路器上應(yīng)用舉例

圖13為某公司復(fù)合絕緣子應(yīng)用與某550 kV斷路器，相關(guān)運行數(shù)據(jù)表明該復(fù)合絕緣子完全能夠滿足柱式斷路器的使用需要。

圖13 復(fù)合絕緣子應(yīng)用與550 kV斷路器Fig.13 550 kV circuit breaker applied in composite insulator

3.3 避雷器

3.3.1 復(fù)合絕緣子在避雷器中的使用優(yōu)勢

一般情況下，避雷器設(shè)備與其保護的設(shè)備并聯(lián)。因此，避雷器用絕緣子除了承受長期的工頻耐受電壓外還間斷地承受工頻過電壓、雷電過電壓和操作過電壓等暫態(tài)過電壓的作用。復(fù)合絕緣子承受高電壓方面較瓷絕緣子具有明顯的優(yōu)勢，復(fù)合絕緣子護套的傘裙采用模具整體注射成型，在與瓷套有著相同干弧距離的情況下，可以達到遠大于四級污穢的爬距。此外，由于避雷器大多屬于細長結(jié)構(gòu)，重心較高，根部承受很大的彎矩，如采用瓷套管因強度不足易發(fā)生根部斷裂，而復(fù)合絕緣子在此方面擁有明顯的優(yōu)勢。

3.3.2 復(fù)合絕緣子在避雷器上的應(yīng)用舉例

圖14為某空心復(fù)合絕緣子應(yīng)用于印度CG1 200 kV避雷器，并通過了相關(guān)型式試驗。

圖14 空心復(fù)合絕緣子應(yīng)用于1 200 k V避雷器Fig.14 Hollow composite insulator applied in 1 200 k V surge arrester

3.4 互感器

3.4.1 復(fù)合絕緣子在互感器中的使用優(yōu)勢

一般互感器上端有線圈，在風(fēng)力作用及振動（比如說地震情況）下，會在下端的絕緣子根部產(chǎn)生較大的抗彎力。在相同的強度要求下，瓷套的厚度及重量要遠大于復(fù)合護套。第2節(jié)提到，由于脆性材料的緣故，瓷套管容易斷裂；而復(fù)合絕緣子由非脆性材料制成，抗彎強度遠大于瓷絕緣子。

3.4.2 復(fù)合絕緣子在互感器上的應(yīng)用舉例

圖15顯示的是神馬復(fù)合絕緣子應(yīng)用于洛大變電站363 kV電流互感器，自投運以來，運行情況良好。

圖15 洛大變電站363 kV電流互感器Fig.15 363 kV CT at Luoda Substation

3.5 開關(guān)設(shè)備（GIS、HGIS、罐式斷路器、PASS、COMPASS）

3.5.1 復(fù)合絕緣子在開關(guān)設(shè)備中的使用優(yōu)勢

開關(guān)設(shè)備用復(fù)合絕緣子承受SF6氣體內(nèi)壓力，第2節(jié)已經(jīng)論述，瓷絕緣子由于是脆性材料，在內(nèi)壓力下其本身的裂紋擴大從而導(dǎo)致發(fā)生斷裂或爆炸；而復(fù)合絕緣子由于是由非脆性材料制成，其內(nèi)壓力許用應(yīng)力是高強瓷的2~3倍，即使在內(nèi)壓力過大的極端情況下也不發(fā)生爆炸，而僅僅通過破口或裂縫泄壓。

3.5.2 復(fù)合絕緣子在開關(guān)設(shè)備中的應(yīng)用舉例

某開關(guān)設(shè)備用復(fù)合絕緣子已用于湖北荊門站1 100 kV GIS、青海官亭站750 kV GIS、寧夏賀蘭山變電站750 kV罐式斷路器和寧夏黃河變電站750 kV罐式斷路器等。圖16、圖17是部分應(yīng)用示意圖。

圖16 復(fù)合絕緣子用于湖北荊門站1 100 kV GISFig.16 Composite insulator applied in 1 100 kV GISat Jinmen Substation

圖17 750 kV復(fù)合絕緣子應(yīng)用于寧夏黃河變電站罐式斷路器Fig.17 Composite insulator applied in 750 kV DTB at Huanghe Substation

3.6 支柱絕緣子

支柱絕緣子對很多設(shè)備起支撐作用，在電站中應(yīng)用非常廣泛，可以用在電抗器、母線支柱和隔離開關(guān)上等[5]。

3.6.1 復(fù)合絕緣子在支柱絕緣子中的使用優(yōu)勢

常見的支柱絕緣子有棒形瓷支柱絕緣子，其缺點是：易碎斷，抗震性差，在直流系統(tǒng)表面易積污的情況下，因其外絕緣耐污穢能力差，運行中必須定期清掃，工作量很大，圖18為瓷支柱絕緣子的斷裂情況。

圖18 瓷支柱絕緣子的斷裂情況Fig.18 Porcelain post insulator rupture

復(fù)合支柱絕緣子由于采用的是環(huán)氧樹脂玻璃鋼筒，阻尼比是瓷的2倍，具有優(yōu)異的彎曲作用應(yīng)力和抗彎強度，解決了瓷支柱絕緣子的缺陷，絕緣性能好，抗震性能優(yōu)異，運行中無需定期清掃，維護工作量小。

3.6.2 支柱復(fù)合絕緣子的應(yīng)用舉例

神馬支柱復(fù)合絕緣子已用于±1 560 kV昆明特高壓基地母線支柱[6]、±660 kV寧東工程寧夏銀川東換流站、山東青島換流站電抗器和母線支柱等。圖19、圖20是部分應(yīng)用示意圖。

圖19 ±800 kV支柱復(fù)合絕緣子配套應(yīng)用在平波電抗器上Fig.19 Composite post insulator applied in±800 kV smoothing reactor

圖20 ±1 560 kV母線支柱Fig.20 ±1 560 k V bus bar

4 結(jié)論

1）近年來，電站設(shè)備用瓷絕緣子事故頻發(fā)，且呈上升趨勢。

2）瓷質(zhì)材料固有的脆性和親水性特點，加之瓷絕緣子在生產(chǎn)過程中環(huán)節(jié)較多，質(zhì)量上的不完全可控性客觀存在，瓷絕緣子膠裝結(jié)構(gòu)的缺陷等因素都是造成瓷絕緣子損壞的主要原因。

3）復(fù)合絕緣子優(yōu)異的防爆及抗震性能，耐污、雨和冰閃性能、材料性質(zhì)均一的膠狀結(jié)構(gòu)，以及完全可控的真空注射一體成型工藝決定了其在電站設(shè)備上應(yīng)用的優(yōu)勢，可從根本滿足電站一次設(shè)備外絕緣要求。

4）針對電站設(shè)備用復(fù)合絕緣子，神馬通過深入研究徹底解決了耐老化問題，并在多項老化試驗及實際運行中得到性能驗證。

總之，面對目前電站設(shè)備用瓷絕緣子污閃、濕閃，頻頻損壞，不斷危害電網(wǎng)安全運行的嚴峻情況，神馬空心復(fù)合絕緣子的出現(xiàn)必定能夠徹底解決這一行業(yè)難題，復(fù)合絕緣子在電站設(shè)備上的應(yīng)用是電站設(shè)備外絕緣全復(fù)合化發(fā)展的必然趨勢。

[1] 關(guān)志成.絕緣子及輸變設(shè)備外絕緣[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

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