±800 kV特高壓直流線路玻璃絕緣子自爆分析

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(1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，鄭州 450052； 2.華北電力大學(xué)，河北 保定 071000)

0 引言

鋼化玻璃絕緣子具有零值自曝、檢測(cè)方便、自曝后不掉線以及運(yùn)行安全等特點(diǎn)[1-2]，在運(yùn)行中越來(lái)越顯示出其獨(dú)特的安全性和優(yōu)越性，已廣泛應(yīng)用在35～1 000 kV電網(wǎng)中[3]。隨著玻璃絕緣子使用的增加，其局限性也顯現(xiàn)出來(lái)，零值自爆是玻璃絕緣子的顯著特點(diǎn)，但既是優(yōu)點(diǎn)，也是缺點(diǎn)[4]。目前線路掛網(wǎng)運(yùn)行絕緣子自爆以多串絕緣子集中自爆、群爆等問(wèn)題較為突出，嚴(yán)重影響了線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行[5]。隨著輸電線路電壓等級(jí)的升高，玻璃絕緣子的自爆問(wèn)題也日益突出。

針對(duì)玻璃絕緣子自爆故障，學(xué)者們已經(jīng)進(jìn)行了一系列的研究。文獻(xiàn)[6]分析了110 kV輸電線路上6起玻璃絕緣子自爆事故及其原因，認(rèn)為自爆內(nèi)因主要是絕緣子質(zhì)量問(wèn)題，外因是積污、溫度和潮濕引起的局部放電；文獻(xiàn)[7]對(duì)220 kV線路上自爆的玻璃絕緣子進(jìn)行抽樣試驗(yàn)，并提出絕緣子選型建議；文獻(xiàn)[8-11]以500 kV輸電線路為例，分析認(rèn)為泄漏電流的熱效應(yīng)是玻璃絕緣子自爆的重要原因，并提出相關(guān)解決措施。這些文獻(xiàn)對(duì)±500 kV以下電壓等級(jí)輸電線路上玻璃絕緣子的自爆問(wèn)題做了深入探討，但對(duì)于±800 kV以上電壓等級(jí)特高壓輸電線路的此類研究卻比較缺乏，而特高壓線路電壓等級(jí)較高的特點(diǎn)又決定了玻璃絕緣子自爆問(wèn)題需要額外重視，因此為了提高特高壓輸電線路安全穩(wěn)定性能，需要對(duì)玻璃絕緣子自爆故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

筆者針對(duì)±800 kV某特高壓直流線路玻璃絕緣子集中自爆問(wèn)題，統(tǒng)計(jì)了沿線5個(gè)省份玻璃絕緣子的自爆情況，分別從生產(chǎn)廠家、自爆位置、污區(qū)等級(jí)、自爆月份和是否涂RTV進(jìn)行了規(guī)律分析，并結(jié)合相關(guān)環(huán)境、運(yùn)行和生產(chǎn)因素，對(duì)玻璃絕緣子集中自爆原因進(jìn)行分析。本文的研究工作對(duì)于幫助了解特高壓直流線路玻璃絕緣子自爆情況，并合理制定運(yùn)維措施具有重要意義。

1 故障情況簡(jiǎn)介

1.1 線路概況

±800 kV該特高壓直流線路2016年8月投運(yùn)，線路途經(jīng)N、S、H、A和Z 5個(gè)省份，使用的玻璃絕緣子型號(hào)為L(zhǎng)XZY-550和U550 BP/240 H。自投運(yùn)至今，線路發(fā)生多起玻璃絕緣子集中自爆事故，給線路安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重威脅。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)巡檢情況

±800 kV該線路投運(yùn)至今，在多個(gè)省份發(fā)生了玻璃絕緣子集中自曝現(xiàn)象。

1)線路N省區(qū)段長(zhǎng)度82 km，桿塔數(shù)量為160基，其中直線塔131基，耐張塔28基。投運(yùn)前巡檢發(fā)現(xiàn)玻璃絕緣子自爆5片，投運(yùn)后10月巡視發(fā)現(xiàn)自爆29片，11月巡視發(fā)現(xiàn)自爆44片，12月底又發(fā)現(xiàn)自爆玻璃絕緣子5片。截止目前，巡檢發(fā)現(xiàn)自爆玻璃絕緣子215片。

2)線路S省區(qū)段投運(yùn)線路投運(yùn)前，巡檢發(fā)現(xiàn)玻璃絕緣子自爆61片；投運(yùn)后至2017年1月，又出現(xiàn)多處耐張塔的玻璃絕緣子自爆情況，累計(jì)自爆75片。

3)線路H省區(qū)段長(zhǎng)度562 km，共有桿塔1 102基。2016年8月線路調(diào)試階段，巡檢發(fā)現(xiàn)玻璃絕緣子自爆45片；投運(yùn)后至2017年1月，玻璃絕緣子自爆43片；2017年1月至9月，又發(fā)現(xiàn)153片玻璃絕緣子發(fā)生自爆。線路H省區(qū)段玻璃絕緣子自爆現(xiàn)場(chǎng)見圖1。

圖1 線路H省區(qū)段玻璃絕緣子自爆現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.1 Scene of self-blast faults(H section)

4)線路A省區(qū)段施工階段，運(yùn)維單位發(fā)現(xiàn)9基耐張塔玻璃絕緣子發(fā)生自爆現(xiàn)象，投運(yùn)前累計(jì)自爆46片。投運(yùn)后至2017年1月，巡視發(fā)現(xiàn)玻璃絕緣子出現(xiàn)集中自爆現(xiàn)象，共28基桿塔，自爆132片。2017年1月至今，再次發(fā)現(xiàn)大量絕緣子自爆，共32基桿塔，自爆342片。線路A省區(qū)段玻璃絕緣子自爆現(xiàn)場(chǎng)見圖2。

圖2 線路A省區(qū)段玻璃絕緣子自爆現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.2 Scene of self-blast faults(A section)

為保證線路運(yùn)行安全，查明線路玻璃絕緣子集中自爆的原因，本文統(tǒng)計(jì)了線沿線5個(gè)省份玻璃絕緣子自爆情況，分析絕緣子自爆規(guī)律和自爆原因。

2 玻璃絕緣子自爆規(guī)律分析

2.1 生產(chǎn)廠家分析

±800 kV該線路共使用了4個(gè)廠家的玻璃絕緣子，分別為A、B、C和D，按生廠廠家的不同，統(tǒng)計(jì)不同生產(chǎn)廠家的自爆情況，結(jié)果見表1。

表1 不同生產(chǎn)廠家玻璃絕緣子自爆情況Table 1 Self-blast insulators in different factories

由表1可知，線路玻璃絕緣子廠家之間存在明顯的差異性，從自爆片數(shù)占比來(lái)看，A廠家絕緣子自爆片數(shù)占比遠(yuǎn)大于另外3個(gè)廠家，D廠家自爆片數(shù)最少。由于各廠家的玻璃絕緣子安裝數(shù)量不同，統(tǒng)計(jì)各廠家的自爆率，A廠家玻璃絕緣子自爆率也遠(yuǎn)大于另外3個(gè)廠家，B和C廠家自爆率相當(dāng)，D廠家自爆率最小。

2.2 自爆位置分析

為研究玻璃絕緣子自爆位置的規(guī)律，統(tǒng)計(jì)自爆玻璃絕緣子在絕緣子串上的位置分布。選取N、H和Z 3個(gè)省份，對(duì)玻璃絕緣子沿串自爆位置從導(dǎo)線端到桿塔端進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)的自爆片數(shù)與自爆位置的關(guān)系見圖3-圖5。

圖3 N省區(qū)段自爆玻璃絕緣子沿串分布Fig.3 Distribution of self-blast glass insulators(N section)

圖4 H省區(qū)段自爆玻璃絕緣子沿串分布Fig.4 Distribution of self-blast glass insulators(H section)

圖5 Z省區(qū)段自爆玻璃絕緣子沿串分布Fig.5 Distribution of self-blast glass insulators(Z section)

從圖3-圖5自爆絕緣子沿串分布規(guī)律可知，無(wú)論是極Ⅰ側(cè)還是極Ⅱ側(cè)，自爆位置多發(fā)生在玻璃絕緣子串導(dǎo)線端與桿塔端，而中間位置的自爆數(shù)量則較少。自爆沿串分布大致呈“馬鞍”形，與絕緣子表面的電場(chǎng)分布具有較高的契合度，說(shuō)明電場(chǎng)強(qiáng)度的大小對(duì)玻璃絕緣子的自爆存在影響。玻璃絕緣子集中自爆的發(fā)生與電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，電壓等級(jí)越高，同位置的電場(chǎng)強(qiáng)度就越大，這種影響就越大。

2.3 污區(qū)等級(jí)分析

根據(jù)線路桿塔所處污區(qū)等級(jí)，±800 kV該線路玻璃絕緣子全部處于b-e級(jí)污穢區(qū)。污區(qū)等級(jí)不同，絕緣子的積污程度有差異，統(tǒng)計(jì)不同污區(qū)下絕緣子自爆情況，見表2。

表2 不同污區(qū)玻璃絕緣子自爆情況Table 2 Self-blast insulators at different levels of pollution

從自爆片數(shù)占比來(lái)看，線路自爆的玻璃絕緣子處于c級(jí)污區(qū)最多，b級(jí)污區(qū)其次，e級(jí)污區(qū)最少；不同污區(qū)安裝片數(shù)不同，統(tǒng)計(jì)不同污區(qū)的自爆率，b級(jí)和c級(jí)污區(qū)玻璃絕緣子自爆率也大于d級(jí)和e級(jí)污區(qū)。可見，玻璃絕緣子運(yùn)行中發(fā)生自爆和污穢有關(guān)，在積污、受潮和電場(chǎng)綜合作用下玻璃絕緣子極有可能發(fā)生自爆。玻璃絕緣子自爆受表面積污影響，但并不是污穢等級(jí)越高，就更容易發(fā)生自爆。

2.4 自爆月份分析

在投入運(yùn)行中，線路玻璃絕緣子的自爆情況隨月份變化較大，為了揭示其規(guī)律，統(tǒng)計(jì)玻璃絕緣子自爆的月份，分析絕緣子自爆與月份的關(guān)系，結(jié)果見圖6和圖7。

圖6 H省區(qū)段自爆玻璃絕緣子月份統(tǒng)計(jì)Fig.6 Amount of self-blast glass insulators with month(H section)

圖7 Z省區(qū)段自爆玻璃絕緣子月份統(tǒng)計(jì)Fig.7 Amount of self-blast glass insulators with month(Z section)

從圖6和圖7中H和Z省玻璃絕緣子自爆月份規(guī)律可知，玻璃絕緣子自爆大多集中在夏季，這與夏季雷雨季節(jié)的雷擊有關(guān)，并且夏季晝夜溫差大，日照時(shí)間比較長(zhǎng)，使得絕緣子局部?jī)?nèi)應(yīng)力不均勻，容易產(chǎn)生自爆。

2.5 是否涂RTV分析

±800 kV該線路沿線N、S、H、A和Z 5個(gè)省份，除Z省外，其余4省安裝的玻璃絕緣子均刷涂了RTV涂料。其中，A廠家的玻絕緣子安裝在H、A和Z 3個(gè)省份，以A廠家為例，分析涂RTV對(duì)玻璃絕緣子自爆的影響。

表3 A廠家玻璃絕緣子不同省份自爆片數(shù)Table 3 Self-blast insulators of A in different provinces

從表3可知，未涂RTV涂料Z省區(qū)段玻璃絕緣子自爆片數(shù)明顯多于涂RTV涂料H和A省區(qū)段。由于A廠家在各省份安裝的玻璃絕緣子數(shù)量不同，統(tǒng)計(jì)3個(gè)省份的自爆率，未涂RTV涂料的Z省和涂RTV涂料的H和A省自爆率相差不大?？梢?，RTV涂料刷涂與否并不是導(dǎo)致玻璃絕緣子集中自爆的主要因素。

3 玻璃絕緣子自爆原因分析

3.1 產(chǎn)品存在質(zhì)量問(wèn)題

±800 kV該線路玻璃絕緣子廠家之間存在明顯的差異性，玻璃絕緣子自爆率差異較大。產(chǎn)品的質(zhì)量問(wèn)題是線路玻璃絕緣子集中自爆的重要原因。

玻璃絕緣子經(jīng)鋼化處理后，玻璃件內(nèi)層獲得張應(yīng)力，表面層形成壓應(yīng)力，這兩層應(yīng)力在玻璃件內(nèi)相對(duì)平衡和均勻分布[12]。在制造中，若雜質(zhì)分布在內(nèi)張力層時(shí)，產(chǎn)品制成后的一段時(shí)間內(nèi)，部分會(huì)發(fā)生自爆，故制造單位在產(chǎn)品制造后應(yīng)存放一段時(shí)間，以便發(fā)現(xiàn)制造中存在的質(zhì)量隱患。若雜質(zhì)或結(jié)瘤分布在外壓縮層，在輸電線路上運(yùn)行一段時(shí)間后，在遇到強(qiáng)烈的冷熱溫差和機(jī)電負(fù)荷作用下，有可能引發(fā)玻璃絕緣件自爆[13-14]。

3.2 溫度和機(jī)械載荷影響

線路投運(yùn)于8月份，氣溫較高且晝夜溫差大，玻璃絕緣子受溫度和晝夜溫差變化的影響，持續(xù)高溫或溫度由冷到熱變化，因冷熱不均導(dǎo)致發(fā)生集中自曝現(xiàn)象。

另外，±800 kV該線路采用大截面積導(dǎo)線，水平拉力較大，導(dǎo)線由于熱脹冷縮所受拉力在逐漸變化，機(jī)械荷載的變化會(huì)對(duì)玻璃絕緣子自爆率造成一定影響。

3.3 電場(chǎng)強(qiáng)度影響

線路投運(yùn)以來(lái)，玻璃絕緣子自爆位置沿串分布大致呈“馬鞍”形，與絕緣子串的電場(chǎng)分布有較好的一致性，電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)玻璃絕緣子的自爆有重要影響。運(yùn)行中玻璃絕緣子表面的積污層受潮后，在工頻電壓作用下發(fā)生局部放電，表面泄漏電流增大，由局部放電引起的長(zhǎng)期發(fā)熱和電暈會(huì)導(dǎo)致玻璃件絕緣下降，對(duì)玻璃件造成損傷，引發(fā)玻璃絕緣子零值自爆。

3.4 防污閃RTV涂料不能防自爆

玻璃絕緣子噴涂有RTV涂料后，雖然防污閃效果顯著，但積污較為嚴(yán)重，且涂覆RTV后表面污穢層不容易被沖刷，容易形成一層清洗不掉的污垢。在受潮過(guò)程中，雖然憎水性表面不能形成連續(xù)水膜，但隨著受潮程度加深，水珠不斷變大，越來(lái)越多的鹽分溶解在水珠內(nèi)。在電場(chǎng)等作用下，場(chǎng)強(qiáng)較大的地方容易形成沿電場(chǎng)方向的水帶，水帶的形成將加強(qiáng)水帶兩端的電場(chǎng)強(qiáng)度。水珠與水帶的出現(xiàn)會(huì)改變外絕緣表面電場(chǎng)分布，使得區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)變大，出現(xiàn)局部電弧，造成玻璃體局部受熱不均勻，從而引發(fā)絕緣子的自爆。

4 結(jié)論

針對(duì)±800 kV某特高壓直流線路玻璃絕緣子集中自爆現(xiàn)象，從生產(chǎn)廠家、自爆位置、污區(qū)等級(jí)、自爆發(fā)生月份和是否涂RTV 5個(gè)方面，對(duì)線路玻璃絕緣子自爆進(jìn)行了規(guī)律統(tǒng)計(jì)和原因分析，得到如下結(jié)論：

1)玻璃絕緣子的質(zhì)量問(wèn)題是發(fā)生集中自爆的重要原因，玻璃絕緣子廠家之間的自爆情況存在明顯的差異性。

2)玻璃絕緣子自爆位置沿串分布大致呈“馬鞍”形，與電場(chǎng)分布有較好的一致性。電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)玻璃絕緣子的自爆有重要影響，且電壓等級(jí)越高，這種影響就越大。

3)玻璃絕緣子自爆受表面積污影響，但并不是污穢等級(jí)越高，就更容易發(fā)生自爆。玻璃絕緣子自爆大多集中在夏季，這與夏季雷雨季節(jié)的雷擊和晝夜溫差大有關(guān)。

4)涂RTV的玻璃絕緣子有顯著的防污閃效果，但不能防絕緣子自爆，且對(duì)絕緣子自爆存在一定影響。