±1100kV特高壓直流復合絕緣子的設計研制

田正波 王曉楠 楊紅軍 吳兆峰

（襄陽國網合成絕緣子有限責任公司，湖北 襄陽441057）

0 引言

進入21世紀，在世界范圍內電力工業(yè)將得到持續(xù)發(fā)展，電能將繼續(xù)發(fā)揮其他形式的能源所不能替代的作用，成為人類生活中不可缺少的重要能源。從我國的能源布局上來看，大量的能源資源基本分布在西部和北部，但70%以上的能源需求卻集中在中東部地區(qū)。多項研究表明，我國以煤為主的能源結構和直燃煤比重過高是引發(fā)霧霾污染的主要原因。對此，國家電網提出了發(fā)展特高壓電網，推動能源戰(zhàn)略轉型?！耙惶厮拇蟆睉?zhàn)略即在能源資源富集地區(qū)，集約開發(fā)大煤電、大水電、大核電、大型可再生能源發(fā)電基地，通過特高壓電網，在全國范圍內優(yōu)化配置電力資源，提高化石能源的開發(fā)、配置效率，促進清潔能源加快發(fā)展，特高壓能大大提升我國電網的輸送能力［1］。

根據(jù)測算，通過全面實施電能替代，2015年、2020年東中部地區(qū)PM2.5污染可比2010年分別降低12%、28%左右。長遠看，依托特高壓電網，形成以清潔能源為主、電為中心的能源開發(fā)利用格局，將從根本上緩解我國大氣污染問題［2］。目前，國家電網公司投資建設的世界首條±1 100kV特高壓直流輸電（準東—華東）工程已進入開工設計階段。目前在超高壓電網中，大量懸式棒形絕緣子仍采用瓷和玻璃材料，但如果在電壓等級高、污穢問題比較嚴重的特高壓交直流輸電工程中使用，將會造成絕緣子串長度和重量過大、塔頭大、防污能力差等問題，從而導致運行維護難，危害電網安全。無論從技術還是經濟方面來看，針對±1 100kV特高壓直流輸電線路采用復合絕緣子都遠遠優(yōu)于瓷或玻璃絕緣子。

1 ±1100kV特高壓直流復合絕緣子設計

1.1 產品結構及尺寸參數(shù)的確定

目前國內特高壓產品主要采用球頭球窩結構及環(huán)—環(huán)結構兩種形式，±1 100kV特高壓直流復合絕緣子的額定機械負荷主要分為160kN、240kN、300kN、420kN、550kN、840kN、1 000kN幾種，連接標記參照GB／T4056及國家電網公司技術規(guī)范執(zhí)行，絕緣子串的主要組合方式為V串及I串。根據(jù)不同工況，復合絕緣子結構分為單節(jié)式及雙節(jié)式兩種，如圖1、圖2所示。

圖1 單節(jié)式

圖2 雙節(jié)式

根據(jù)電場仿真分析可得出滿足要求的特高壓復合絕緣子典型結構的主要尺寸及機電性能（以300kN產品為例）如表1所示。

1.2 傘形結構的設計

不同的傘形結構對復合絕緣子的耐污性能、電氣性能及使用壽命都有重要影響。通過改進空氣動力型傘裙設計，采用大小傘結構（圖1），可以有效改善外絕緣特性，提高污穢耐受電壓，而且可以增強復合絕緣子在空氣中的自潔能力。另外，高壓端第一片傘裙片的不同對復合絕緣子的電氣性能影響較大。根據(jù)法國賽迪威爾公司對不同設計傘裙進行的電場分布計算，高壓端第一片傘裙距端部金具具有較長護套的比直接嵌固在端部金具唇沿的在護套與護套、空氣、端部金具三者連接區(qū)域的場強比后者高出30%，在嚴重污穢條件下，前者的絕緣子表面泄漏電流遠高于后者［3］。因此通過總結試驗與實際運行數(shù)據(jù)對傘形結構進行優(yōu)化設計研究，可提高復合絕緣子自身電氣性能，改善復合絕緣子端部電場分布，減少局部放電電弧對傘裙的蝕損，同時該傘形已大量應用在各類特高壓線路中。同時研究發(fā)現(xiàn)，針對高海拔及覆冰區(qū)可采用五三型傘結構（大—小—中—小—大），如圖3所示，其具有耐冰閃、耐霧閃、耐污性好，不易閃絡，沿面放電電壓高等特點。

表1 ±1 100kV特高壓復合絕緣子典型產品主要尺寸及機電性能

1.3 均壓環(huán)的結構設計

根據(jù)電場仿真分析，±1 100kV特高壓單節(jié)式復合絕緣子高壓側配置大小雙環(huán)式均壓環(huán)，大環(huán)用以降低端部電場強度，小環(huán)用以保護絕緣子的端部密封；低壓側采用防鳥害均壓環(huán)（圖1），不僅可改善絕緣子的電位分布、減少閃絡，還可有效地防止鳥害及冰雪的侵襲。

通過采取該方式布置均壓環(huán)可有效降低絕緣子表面場強，使高壓側大均壓環(huán)表面最大場強控制在2kV／mm以下，復合絕緣子表面場強控制在0.4～0.5kV／mm之間，使其滿足表面場強最大強度控制要求。

2 ±1 100kV特高壓直流復合絕緣子材料選擇與優(yōu)化

2.1 傘裙及護套材料選擇及優(yōu)化

復合絕緣子外絕緣構成材料是以硅橡膠材料為基體，添加偶聯(lián)劑、阻燃劑、補強劑、抗老化劑等填料經高溫硫化而成，要求具有足夠高的防濕閃和污閃性能、耐漏電起痕和耐電蝕損性，以及耐臭氧、耐高溫等大氣老化的作用。而±1 100kV特高壓復合絕緣子由于其極高的電壓，對外絕緣材料的要求更高。為提高材料的憎水性及耐老化性，可對基礎配方采取以下措施進行優(yōu)化：

（1）采用分子量為60萬左右D4合成的硅橡膠，并采用高低乙烯基含量不同的硅橡膠生膠按一定比例搭配使用，形成交錯式交聯(lián)網絡，可有效提高膠料的機械性能和耐老化性能。

（2）對氣相法白炭黑表面噴涂硅烷偶聯(lián)劑進行預處理，使白炭黑表面羥基被硅氧烷小分子所封閉，由原來親水性轉變成憎水性，使制得的膠料的憎水性及耐老化性更優(yōu)。

（3）采用超細化氫氧鋁微粉（2 000目左右），同時用硅烷偶聯(lián)劑對氫氧化鋁表面進行處理，使其由親水性變成憎水性，與硅氧烷分子的相容性更好，使分散性更均勻，提高阻燃性及耐老化性。

經過上述配方優(yōu)化的硅橡膠材料經中國電科院測試，主要性能如表2所示。

表2 ±1 100kV特高壓直流復合絕緣子硅橡膠材料性能

2.2 芯棒材料選擇

芯棒作為復合絕緣子機械負荷的承載部件，同時又是內絕緣的主要部件，要求它具有很高的機械強度、絕緣性能和長期穩(wěn)定性；特高壓復合絕緣子所采用的ECR耐酸型芯棒的抗拉強度在1 100MPa以上，這個強度是瓷的5～10倍，與優(yōu)質的碳素鋼強度相當，消除了制造大噸位復合絕緣子的瓶頸。經我們測試， 60mm ECR型玻璃纖維芯棒可以滿足額定荷載為1 000kN的復合絕緣子要求［4］。其主要機電性能技術參數(shù)如表3所示。

表3 芯棒技術參數(shù)

2.3 金具材料選擇

±1 100kV特高壓直流復合絕緣子兩端金具材料選用40Mn2或40Cr鍛鋼，其化學成分及力學性能符合GB／T3077要求，材料硬度均勻，并在加工完成后進行高頻熱處理，以提高其抗拉強度。在±1 100kV特高壓直流復合絕緣子的設計中，為避免金具在電化作用下受到腐蝕，除在金具表面采用熱鍍鋅防腐外，還應在端部金具和護套間澆鑄鋅環(huán)用作犧牲電極，鋅的純度為99.99%，厚度6mm，基本可確保50年期內電化腐蝕不超過鋅環(huán)厚度的一半，以防止表面泄漏電流對金具的電化腐蝕，保護復合絕緣子。

3 ±1 100 kV特高壓復合絕緣子制造工藝及質量控制

±1 100kV特高壓復合絕緣子可采用擠包穿傘壓接工藝制造。首先對經表面處理后的芯棒進行護套擠包，并經二次硫化后按照設計的傘形結構進行傘盤套裝，最后采用壓接工藝使端部金具產生塑性形變而與芯棒緊抱，在金具與芯棒的接觸面產生一定的預壓應力，當復合絕緣子承受負荷時，壓應力轉換為軸向摩擦力而承載，從而增強端部連接結構的可靠性。采取擠包穿傘工藝可有效降低因單點損傷而引起整支產品受到酸雨侵蝕的風險。

同時特高壓復合絕緣子的質量控制非常重要，在生產前須對所有原材料做好入廠檢測；生產中應針對煉膠、擠包、傘裙硫化、傘裙套裝、金具壓接、出廠檢測、包裝等各工序制定完善的作業(yè)指導書及檢試驗規(guī)程；同時應確保每支產品在出廠后其質量具有可追溯性。

（3）選擇合適的制造工藝，采取完善的工藝及質量控制措施，可有效確?！? 100kV特高壓直流復合絕緣子在輸電線路上的長期穩(wěn)定運行。

4 結論

（1）針對±1 100kV特高壓直流復合絕緣子，可通過電場仿真分析對其結構型式、尺寸、傘形結構、均壓環(huán)配置等進行計算，確保復合絕緣子滿足±1 100kV特高壓輸電線路的要求。

（2）針對硅橡膠配方進行優(yōu)化可有效提高硅橡膠的材料性能，由此提高復合絕緣子的耐污閃、耐老化及耐電蝕等能力，并通過對芯棒及金具材料的試驗比選，使復合絕緣子滿足機械負荷及長期使用要求。

［1］劉振亞.特高壓電網［M］.北京：中國經濟出版社，2005.

［2］劉振亞.發(fā)展特高壓電網 破解霧霾困局［N］.中國電力報，2014－03－13（1）.

［3］閻東，盧明，張柯，等.輸電線路用復合絕緣子運行技術及實例分析［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［4］劉鐵橋，張斌，朱勇飛.±1 100kV特高壓直流系列復合絕緣子的設計與分析［J］.中國科技博覽，2014（47）：244－246.