同塔多回線路絕緣子機械性能試驗及試驗過程的電氣性能評估

鄧鶴鳴，李勇杰，王 建，劉春翔，趙建平，莊文兵，姚文俊

(1 南瑞集團公司(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)，南京 211000；2國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢 430074；3國網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，烏魯木齊 830000；4中南民族大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，武漢 430074)

同塔多回線路絕緣子機械性能試驗及試驗過程的電氣性能評估

鄧鶴鳴1,2，李勇杰3，王 建3，劉春翔1,2，趙建平3，莊文兵3，姚文俊4,*

(1 南瑞集團公司(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)，南京 211000；2國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢 430074；3國網(wǎng)新疆電力公司電力科學(xué)研究院，烏魯木齊 830000；4中南民族大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，武漢 430074)

為了弄清同塔多回線路架設(shè)方式下絕緣子的機械特性，試驗研究了不同垂直荷載F和水平荷載G下不同絕緣子串夾角的V型瓷絕緣子串應(yīng)力變化情況，探討了在不同荷載下長棒型瓷絕緣子和三傘型瓷絕緣子組成的V型瓷絕緣子串夾角的變化及對絕緣子串機械性能的影響，分析了該試驗過程對輸電線路電氣性能的影響。結(jié)果表明：在相同串夾角下，卸載后α角的變化與F/G的值成正相關(guān)關(guān)系；串夾角越小時，同等F/G條件下α角越大，絕緣子串越容易移動；在某些試驗情況下相地空氣間隙低于3.3m的要求，但線路相間空氣間隙最小距離均大于相間間隙的最低要求。這些結(jié)果可為同塔多回線路架設(shè)方式下V型絕緣子串的設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

同塔多回線路；絕緣子；絕緣子串夾角；應(yīng)變變化；垂直荷載；水平荷載，電氣性能評估

AbstractTo understand the mechanical characteristics of insulators in multiple-circuit transmission lines, the stress variation of "V" string porcelain insulators is analyzed by mechanical experiments under different vertical loads (F) and horizontal loads (G), and the stress variation of string insulators at the leeward side is studied by monitoring the angle (α) between the vertical loads and string insulators at the windward side. The paper analyzes the different angles of "V" string porcelain insulators which consist of the porcelain long rod insulators and three umbrella type porcelain insulators under different loads, and the different angles affect the mechanical characteristics of "V" string porcelain insulators; it analyzes the effect of experiment process on the electrical performance of the transmission lines. The results show that the change of the angle (α) has the positive relationship with the value ofF/Gafter unloading under the same angle of "V" string porcelain insulators; the smaller of the angle of "V" string insulator, the larger of the angle (α), the easier move of string insulators; the phase-ground gaps are less than the requirement of 3.3m, but the minimum phase-phase gaps are less than the minimal gap requirements. The results provide the references for the design of insulators in multiple-circuit transmission lines.

Keywordsmultiple-circuit transmission lines；insulators；angle of insulator strings；stress variation；vertical load；horizontal load；evaluation of electrical performance

近年來，能源匱乏和環(huán)境污染問題引起全球的關(guān)注，可再生清潔能源已成為世界重點發(fā)展方向，但能源豐富地區(qū)遠離經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，通常使用超特高壓線路來輸送新能源電力[1-3].我國的大多數(shù)能源基地集中在西部地區(qū)，而用電負荷主要分布在華北、華東和南方沿海地帶，國家已計劃使用多條特高壓線路來提高電力輸送容量[4]，但沿海發(fā)達地區(qū)城市化迅猛發(fā)展引起土地資源的匱乏直接加劇了這些地區(qū)輸電線路走廊的緊張程度，采用特高壓線路[1-6]、同走廊內(nèi)多回線路[7-8]、同塔多回線路[9]和緊湊型線路[10]等架設(shè)方式已成為緩和輸電線路走廊的重要手段.

我國電網(wǎng)的同塔多回線路數(shù)量不斷增加，該類線路的設(shè)計、建設(shè)和運行維護等相關(guān)工作已成為線路專業(yè)技術(shù)人員的研究焦點.該種架設(shè)方式的線路一般采用V型絕緣子串來縮小線路走廊寬度、減少線間距離并減少線路風(fēng)偏災(zāi)害的發(fā)生概率.國內(nèi)研究者詳細研究了各電壓等級、各種類型(復(fù)合、瓷和玻璃)和不同海拔交直流絕緣子的污穢覆冰閃絡(luò)特性[11-17]，研究了瓷絕緣子的電場分布[18-20]，以及現(xiàn)場絕緣子的運行特性[21-22]，少量研究者開始了長絕緣子串的放電特性研究工作，這包括絕緣子串沖擊電壓放電特性[23]、絕緣子串泄露電流特性[6]和污穢耐受電壓特性試驗方面的研究[24]，并開始了超特高壓輸電線路絕緣子串片數(shù)的選擇工作[25]，這些為同塔多回架設(shè)方式的輸電線路提供了設(shè)計依據(jù).但是很少有研究者關(guān)注同塔多回線路架設(shè)方式下V型絕緣子串的機械性能.為了弄清同塔多回線路架設(shè)方式下絕緣子的機械特性，本文試驗研究了不同垂直和水平負荷下不同絕緣子串夾角的V型瓷絕緣子串應(yīng)力變化情況，通過監(jiān)測迎風(fēng)側(cè)絕緣子與垂直方向夾角α的變化來研究背風(fēng)側(cè)絕緣子的應(yīng)力情況.集中分析了長棒型瓷絕緣子和三傘型瓷絕緣子組成的V型瓷絕緣子串在不同荷載下絕緣子串夾角的變化及對絕緣子串的影響，并根據(jù)GB 50545-2010《110kV～750kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》[26]，分析了該試驗過程對輸電線路電氣性能的影響.這些可為同塔多回線路架設(shè)方式下V型絕緣子串的設(shè)計建議提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 實驗設(shè)置與方法

用在500kV同塔多回輸電線路V型絕緣子串上的荷載主要有線路的重量、線路覆冰重量和垂直于線路方向的水平風(fēng)壓.因此，在考慮V型絕緣子串所受荷載時，一般分垂直荷載和水平荷載，垂直荷載G為線路的重量、線路覆冰重量之和，水平荷載F為垂直于線路方向的水平風(fēng)壓(可根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)速不均勻系數(shù)、風(fēng)荷的體型系數(shù)以及風(fēng)向與架空線之間的夾角計算).本次試驗中，垂直荷載G采用懸掛于V形絕緣子串上的重物進行模擬，水平荷載F采用水平拉力模擬，如圖1所示.背風(fēng)側(cè)絕緣子受壓程度與迎風(fēng)側(cè)絕緣子受水平拉力F發(fā)生偏移的程度相關(guān)，但背風(fēng)側(cè)絕緣子受壓角不易測量，因此試驗中通過監(jiān)測迎風(fēng)側(cè)絕緣子與垂直方向的夾角α的變化來反映背風(fēng)側(cè)絕緣子受壓情況，夾角α為偏移角.

按照500kV同塔多回輸電線路的模擬橫擔(dān)、模擬導(dǎo)線以及V型模擬絕緣子串布置，設(shè)定桿塔構(gòu)架的實際范圍，對如圖1所示.所用絕緣子串由無錫華能塞拉姆公司提供，由2支LP/75/18+17/1435和1支LP/75/21+20/1640組成.長棒型絕緣子的聯(lián)接結(jié)構(gòu)為槽型，且安裝時槽型開口與聯(lián)板的方向一致.為了方便測量相地空氣間隙，將桿塔邊緣定在重物F的中心位置上，利用激光測距儀測量聯(lián)板邊緣相對桿塔邊緣的距離.

圖1 試品布置圖Fig.1 The sketch of the experiment layout

在背風(fēng)側(cè)絕緣子中，3支長棒型絕緣子的上、下端瓷棒上安置2片應(yīng)變片以監(jiān)測應(yīng)力情況，以V形串迎風(fēng)側(cè)串與聯(lián)板的聯(lián)接點作為絕緣子串位移觀察點，使用經(jīng)緯儀測量水平位移和垂直位移.瓷絕緣子材料為脆性材料，破壞前的應(yīng)變非常小.對瓷棒進行拉伸、壓縮試驗時破壞前均為直線，拉伸和壓縮的應(yīng)力應(yīng)變斜率也相同服從虎克定律，由式(1)表示：

σ=Eε,

(1)

式中σ為應(yīng)力，E為彈性模量，ε為應(yīng)變.瓷棒的彈性模量一般為(4.2～7.2)×104MPa.本次試驗選用高鋁配方的長棒型絕緣子(桿徑為130mm)彈性模量為105MPa，根據(jù)試驗測得的應(yīng)變量，可計算出長棒型絕緣子的受力情況，并在試驗后觀察絕緣子的損傷程度，評估對電氣性能的影響.

根據(jù)GB 50545-2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范》[26]中規(guī)定的500 kV帶電設(shè)備與桿塔構(gòu)件的最小間隙分別為工頻電壓1.2 m、操作電壓2.5 m、雷電3.3 m，線路相間工頻電壓2.2 m、操作電壓為4.6 m.根據(jù)這些參數(shù)，以及試驗過程中線路相地和相間的空氣間隙變化情況，評估是否低于電氣安全距離.實驗過程中測量重物G和重物F的中心點位置，即為相地空氣間隙大小.

2 實驗結(jié)果與討論

2.1長棒型絕緣子V串的機械試驗

本文中長棒型絕緣子V串的夾角θ分別為60.3°、70.2°、80.0°、94.0°、106.0°，施加的應(yīng)力有兩種情況：1)水平荷載為28.93 kN，垂直荷載從28.31 kN增加至45.98 kN，2)水平荷載為28.08 kN，垂直荷載從22.75 kN增加達27.20 kN.絕緣子串α角的變化趨勢圖分別如圖2和圖3所示.

圖2 水平荷載28.08 kN時絕緣子串α角的變化趨勢圖Fig.2 The trend chart of the angle α in the experiment on “V” type string insulators under the horizontal load of 28.08 kN

圖3 水平荷載28.93 kN時絕緣子串α角的變化趨勢圖Fig.3 The trend chart of the angle α in the experiment on “V” type string insulators under the horizontal load of 28.93 kN

結(jié)合圖2和圖3，絕緣子串α角的大小總體隨著F/G增大而增大，增幅為先平緩后急劇再平緩；在同樣F/G下，絕緣子串α角的大小隨著串夾角θ增大而減小，即串夾角越小時絕緣子串越容易移動；在同樣串夾角θ以及同樣F/G下，水平荷載28.08 kN的絕緣子串α角小于水平荷載28.93 kN的值.

水平荷載分別為28.08 kN、28.93 kN時，相地空氣間隙與絕緣子串α角變化的關(guān)系如圖4和圖5所示.根據(jù)這兩張圖，在相同的串夾角θ下，相地空氣間隙與絕緣子串α角的變化成線性負相關(guān)關(guān)系；在相同絕緣子串α角的變化下，相地空氣間隙與絕緣子串串夾角θ成線性亦負相關(guān)關(guān)系.

圖4 水平荷載28.08 kN時，相地空氣間隙與絕緣子串α角變化的關(guān)系圖Fig.4 The relationship between the phase-ground gap and the change of the angle α under the horizontal load of 28.08 kN

圖5 水平荷載28.93 kN時，相地空氣間隙與絕緣子串α角的關(guān)系圖Fig.5 The relationship between the phase-ground gap and the change of the angle α under the horizontal load of 28.93 kN

水平荷載28.08 kN時，當(dāng)串夾角為60.3°時，絕緣子串α角增加6.05°時，相地空氣間隙低于3.3m；當(dāng)串夾角為70.2°時，絕緣子串α角增加6.42°時，相地空氣間隙低于3.3m；當(dāng)串夾角為80.0°時，絕緣子串α角增加7.0°時，相地空氣間隙低于3.3m；當(dāng)串夾角分別為94.0°、106.0°時，直到背風(fēng)側(cè)絕緣子串發(fā)生卸載為止，相地空氣間隙仍高于3.3m.水平荷載28.93 kN時，當(dāng)串夾角為94.0°，絕緣子串α角增加8.20°時，相地空氣間隙低于3.3m；當(dāng)串夾角為106.0°時，直到背風(fēng)側(cè)絕緣子串發(fā)生卸載為止，相地空氣間隙仍高于3.3m.根據(jù)GB 50545-2010所提及，線路相間空氣間隙不低于4.6m，按最苛刻的條件計算，即兩相導(dǎo)線相向擺動，此時最小距離為5.98 m(水平荷載28.08 kN、串夾角為60.3°、絕緣子串α角增加10.70°)，遠大于線路相間空氣間隙最低要求.

根據(jù)現(xiàn)場的照片、應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)和絕緣子串位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：串夾角θ為106.0°時，絕緣子串受水平風(fēng)力后，首先是導(dǎo)線聯(lián)板發(fā)生偏轉(zhuǎn).當(dāng)水平荷載、垂直荷載與迎風(fēng)側(cè)絕緣子達到平衡時，迎風(fēng)側(cè)絕緣子串移動.當(dāng)導(dǎo)線聯(lián)板達到最大偏轉(zhuǎn)量后，導(dǎo)線聯(lián)板會頂住絕緣子聯(lián)板，絕緣子聯(lián)板將發(fā)生輕微偏轉(zhuǎn)，如圖6所示.在F=28.08 kN、G=26.08kN時，根據(jù)應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)，背風(fēng)側(cè)絕緣子串發(fā)生卸載，卸載后(F增大或G減小時)基本不受力.水平荷載為28.93 kN下背風(fēng)側(cè)絕緣子串均為卸載狀態(tài)，根據(jù)絕緣子應(yīng)變監(jiān)測的結(jié)果，應(yīng)力最大值僅為3.6 kN，僅為絕緣子串的自身重力反映.試驗后觀察絕緣子串，該過程中未見損傷的絕緣子產(chǎn)生.

圖6 金具偏轉(zhuǎn)照片F(xiàn)ig.6 The deflection photograph of fittings

串夾角θ為94.0°時，在F=28.08 kN、G=23.81 kN時，根據(jù)應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)，背風(fēng)側(cè)絕緣子串發(fā)生卸載.水平荷載為28.93 kN背風(fēng)側(cè)絕緣子串均為卸載狀態(tài)，根據(jù)絕緣子應(yīng)變監(jiān)測的結(jié)果，應(yīng)力最大值僅為2.3 kN，迎風(fēng)側(cè)串絕緣子偏移很大，施加垂直荷載36.3kN時即可發(fā)生很大偏移.試驗后觀察絕緣子串，該過程中亦未見損傷的絕緣子產(chǎn)生.

串夾角θ為80.0°時，在F=28.08 kN、G=22.93 kN時背風(fēng)側(cè)絕緣子串發(fā)生卸載.水平荷載為28.93 kN試驗均為非迎風(fēng)側(cè)串卸載狀態(tài)，卸載時所有監(jiān)測狀態(tài)下各點應(yīng)力的最大值也僅為2.3 kN.試驗后觀察絕緣子串，該過程中也未見損傷的絕緣子產(chǎn)生.

串夾角θ為70.2°和60.3°時，在F=28.08kN、G=22.73kN時(即試驗設(shè)定的初始狀態(tài))背風(fēng)側(cè)絕緣子串發(fā)生卸載，絕緣子串就已經(jīng)卸載.水平荷載為28.93 kN時，垂直荷載較小的情況背風(fēng)側(cè)絕緣子串已經(jīng)與垂直的塔腳發(fā)生碰撞，試驗已無法繼續(xù).試驗后觀察絕緣子串，串夾角θ為70.2°的試驗過程中也未見損傷的絕緣子產(chǎn)生；但串夾角θ為60.3°時背風(fēng)側(cè)的絕緣子串中部位置上有3～4個絕緣子遭到破壞性損傷，這些絕緣子不能承擔(dān)相應(yīng)的絕緣功能.

2.2三傘型瓷絕緣子V串的機械試驗

對CA-872EZ型三傘瓷絕緣子V串進行了卸載試驗，以觀察卸載串絕緣子受壓時單片絕緣子之間發(fā)生偏移后，絕緣子受損的程度情況.試驗布置見圖1，絕緣子串安裝時所有絕緣子銷口均朝向上方.在背風(fēng)側(cè)絕緣子串中，在第1、2、3、11、12、13、14、15、16、24、25、26片絕緣子各貼了2片應(yīng)變片以監(jiān)測應(yīng)變情況.與常規(guī)V串絕緣子不同，此次在串絕緣子和導(dǎo)線間增加了聯(lián)板進行連接.

在橫向荷載28.08 kN，縱向荷載28.31 kN，串夾角為80°的條件下對CA-872EZ型三傘瓷絕緣子V串進行了卸載試驗.此時非迎風(fēng)側(cè)串已卸載，受壓后未發(fā)生片與片的碰撞，試驗后檢查各片絕緣子，鐵帽、鋼腳及鎖緊銷均無明顯損壞.根據(jù)絕緣子應(yīng)變監(jiān)測的結(jié)果，應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在導(dǎo)線側(cè)第2片絕緣子上，此時的橫向應(yīng)力為152.1MPa，剪切應(yīng)力為155.4MPa，其他單片絕緣子所受的應(yīng)力最大不超過75MPa.鋼腳應(yīng)變監(jiān)測的結(jié)果顯示所有監(jiān)測絕緣子應(yīng)力最大不超過160MPa(鋼腳材料為45#鋼，其屈服點應(yīng)力為335MPa).

根據(jù)圖7可以看出，增加聯(lián)板設(shè)計后絕緣子串的偏移相對較小，背風(fēng)側(cè)絕緣子串受壓程度相對較小，這對絕緣子串的安全更有利.與長棒型絕緣子串在相同串夾角情況下進行了比較，在F/G大于0.8后顯然三傘型絕緣子串更容易發(fā)生偏移.這與兩種串型單片絕緣子的型式有一定關(guān)聯(lián).

圖7 三傘型絕緣子串α角的變化趨勢圖Fig.7 The trend chart of the angle α in the experiment on “V” type three umbrella porcelain insulators

相地空氣間隙與三傘型絕緣子串α角變化的關(guān)系如圖8所示.根據(jù)該圖，相地空氣間隙與三傘型絕緣子串α角的變化成線性負相關(guān)關(guān)系；絕緣子串α角增加7.05°時，相地空氣間隙低于3.3m.同理，根據(jù)GB 50545-2010所提及，線路相間空氣間隙不低于4.6m，按最苛刻的條件計算，即兩相導(dǎo)線相向擺動，此時最小距離為6.18 m，遠大于線路相間空氣間隙最低要求.

圖8 相地空氣間隙與三傘型絕緣子串α角變化的關(guān)系圖Fig.8 The relationship between the phase-ground gap and the change of the angle α in the experiment on “V” type three umbrella porcelain insulators

3 結(jié)論

(1)絕緣子串α角的大小總體隨著F/G增大而增大，增幅為先平緩后急劇再平緩；在同樣F/G下，絕緣子串α角的大小隨著串夾角θ增大而減??；在同樣串夾角θ以及同樣F/G下，水平荷載28.08 kN的絕緣子串α角小于水平荷載28.93 kN的值.

(2)在F=28.08 kN背風(fēng)側(cè)絕緣子串卸載狀態(tài)：串夾角θ為106.0°時，G=26.08kN；串夾角θ為94.0°時，G=23.81kN；串夾角θ為80.0°時，G=22.93kN；串夾角θ為70.2°和60.3°時，G=22.73kN；水平荷載為28.93 kN下背風(fēng)側(cè)絕緣子串均為卸載狀態(tài).

(3)水平荷載28.08 kN時，當(dāng)串夾角為60.3°時，絕緣子串α角增加最小，當(dāng)增加僅6.05°時，相地空氣間隙低于3.3m；水平荷載28.93 kN時，當(dāng)串夾角為94.0°，絕緣子串α角增加最小，當(dāng)增加僅8.20°時，相地空氣間隙低于3.3m；線路相間空氣最小距離為5.98 m(水平荷載28.08 kN、串夾角為60.3°、絕緣子串α角增加10.70°)，遠大于線路相間空氣間隙最低要求.

(4)在橫向荷載28.08 kN，縱向荷載28.31 kN，串夾角為80°的條件下對三傘型瓷絕緣子V串進行了卸載試驗，應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在導(dǎo)線側(cè)第2片絕緣子上，且絕緣子應(yīng)力最大不超過160 MPa，增加聯(lián)板設(shè)計后絕緣子串的偏移相對較小，絕緣子串α角增加7.05°時，相地空氣間隙低于3.3 m，并且相間空氣間隙最小距離為6.18 m，遠大于線路相間空氣間隙最低要求.

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MechanicalExperimentofInsulatorsinMultiple-CircuitTransmissionLinesandtheEvaluationofElectricalPerformanceintheExperimentProcess

DengHeming1,2，LiYongjie3，WangJian3,LiuChunxiang1,2，ZhaoJianping3，ZhuangWenbing3，YaoWenjun4

(1NARI Group Corporation(State Grid Electric Power Research Institute), Nanjing 211000, China; 2 State Grid Electric Power Research Institute Wuhan Nari limited liability company,Wuhan 430074,China; 3 State Grid Xinjiang Electric Power Research Institute, Urumqi 830000, China; 4 College of Electronic and Information Engineering,South-Central University for Nationalities, Wuhan 430074, China)

TM85

A

1672-4321(2017)03-0074-06

2016-11-17 *

姚文俊，研究方向：高電壓與絕緣技術(shù)，E-mail: yaowj@ mail.scuec.edu.cn

鄧鶴鳴(1979-)，男，博士，高級工程師，研究方向：高電壓與絕緣技術(shù)，E-mail: dengheming@sgepri.sgcc.com.cn

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2013AA030701)；國網(wǎng)新疆電力公司科技項目(5230DK15009L)