聚合金硅絕緣子在油田電力線路中的應用

熊春宇

大慶油田工程有限公司

絕緣子是用來支持導體并使其絕緣的器件,能夠耐受電壓和機械應力作用.在架空線路中,絕緣子主要用于牢固地支持和固定載流導線,并在載流導線與支撐金具之間形成良好的絕緣.絕緣子作為一種特殊的絕緣控件,在架空輸電線路中起著重要作用.絕緣子不應該由于環(huán)境和電負荷條件發(fā)生變化而失效,否則就會降低整條線路的使用和運行壽命[1].

1 絕緣子的發(fā)展過程

作為輸電線路主要構件之一的絕緣子,可由4種材質構成,即陶瓷、玻璃、有機復合和聚合金硅絕緣子.

1.1 瓷絕緣子

自電源誕生起,輸電的絕緣器件一直沿用陶瓷質絕緣子(以下簡稱瓷絕緣子).瓷絕緣子具有機械強度高、電絕緣強度好、使用壽命長、抗氣候變化的性能強、組裝靈活等優(yōu)點,長期以來受到電力部門的重視和采用.但是,隨著科技的進步和電力產品迫切發(fā)展的需求,常規(guī)瓷絕緣子的生產工藝和產品的機電性能呈現出諸多不足[2].首先,瓷絕緣子生產周期長、工序多,實現機械化、自動化生產的難度大,受原材料的材質尤其是礦物原料的質量波動影響大,又因其在生產過程中受工藝因素影響較多,產品質量時有波動,給輸電線路安全運行帶來隱患.其次,在輸電線路架設前,需對瓷絕緣子逐只搖測絕緣電阻或做耐受電壓等預防性試驗,在電力運行過程中需登塔逐只帶電檢測,每年需要花費大量的人力和物力.而且檢測的準確率在很大程度上受到大氣濕度、人工調整火花間隙的大小、作業(yè)人員的經驗和責任心等因素的影響,難免有漏檢或錯判的瓷絕緣子仍在線路上運行,給電力線路安全運行留下隱患.

1.2 玻璃絕緣子

為解決瓷絕緣子在產品性能和生產工藝上的不足,20世紀30年代,英國首先在輸電線路上試用退火玻璃絕緣子.但因其機械強度低,耐冷熱急變的溫差小(35 K),于1933年轉產盤形懸式鋼化玻璃絕緣子(以下簡稱玻璃絕緣子).玻璃絕緣子是瓷絕緣子派生產品,能夠彌補瓷絕緣子的不足.玻璃絕緣子的生產過程可以實現機械化和自動化,工序少(元件制造僅四道工序),能實行計算機控制,工藝因素影響少,產品質量穩(wěn)定.而且鋼化玻璃件不易老化,產品使用壽命長.另外,玻璃絕緣子具有零值自爆的特性,鋼化玻璃的每種損壞都會造成絕緣子的破壞,運行人員在巡線時很容易發(fā)現,使之具有便于檢測的優(yōu)點[3].

1.3 有機復合絕緣子

20世紀60年代,法國在美國投產了玻璃絕緣子生產線,產品在輸電線路上取得了較好的運行業(yè)績.但是,由于在美國大量私人擁有槍支,槍擊輸電線路絕緣子尤其是玻璃絕緣子的事件頻繁發(fā)生,愈演愈烈,形成了公害,電網的停電事故時有發(fā)生.為穩(wěn)定美國電網安全,科技人員研制出有機復合絕緣子,基本上解決了絕緣子受到槍擊破壞的問題.同時該產品結構簡單,與瓷絕緣子和玻璃絕緣子相比,其電氣和機械性能可調范圍大,加之體積小、質量輕、耐污性能強和無須檢測零值等優(yōu)點,已成為電力部門大量采用的新一代絕緣子[4].

有機復合絕緣子在我國研制并大批量應用是在20世紀80年代,主要用來提高絕緣子的防污能力.原因是我國工業(yè)化程度的加速發(fā)展,大氣污染日趨嚴重,電網污閃事故不斷發(fā)生.為遏制污閃事故,有機復合絕緣子獲得蓬勃發(fā)展的機遇.但在發(fā)展中亦存在一些不足之處:如生產廠家眾多,質量分散性較大,芯棒脆斷時有發(fā)生;蠕變導致機械強度下降,尤其是積污層過厚,憎水性能得不到瞬時恢復,導致污閃事故重演.

1.4 聚合金硅絕緣子

從2001年開始,我國開始創(chuàng)新研發(fā)聚合金硅絕緣子.歷時15年,聚合金硅絕緣子研發(fā)成功.聚合金硅絕緣子具有傘裙機械強度高、硬度大、電氣性能好的特點.配以優(yōu)質高強的芯棒,聚合金硅絕緣子材料的性能和產品的機電強度均優(yōu)于目前生產的復合絕緣子,尤其是它的體積電阻達到10X 1015Ω,是瓷和玻璃絕緣子難以達到的,可以大批量地應用在交流和直流輸電線路上.另外,聚合金硅絕緣子的傘裙光滑無棱,不易積污且硬度高,有利于線路維護人員進行清掃.

2 絕緣子應用及存在的問題

油田配電線路一般采用10(6)kV架空線路,大部分線路采用瓷絕緣子,部分采用復合絕緣子.從2015年開始,油田開始掛網試用聚合金硅絕緣子.玻璃絕緣子一般用于35 kV以上架空線路,在油田10(6)kV架空線路使用較少.

2.1 瓷絕緣子

(1)支柱瓷絕緣子.支柱瓷絕緣子由鐵帽、絕緣瓷件和鋼腳組成,并用膠合劑膠合為一體[5].支柱瓷絕緣子在油田10(6)kV架空線路應用極為廣泛,主要用于直線桿、分支桿上,具有絕緣、支撐固定導線的作用.支柱瓷絕緣子絕緣性能優(yōu)良,使用過程中很少發(fā)生絕緣子擊穿故障.但是,由于支柱瓷絕緣子采用"瓷包鐵"結構,部件之間采用膠合方式連接,兩種材質的機械強度和熱膨脹系數均不同,在氣溫較低時,兩種材質交接處形成熱應力,易發(fā)生斷裂,造成線路接地故障,需要停電更換.以喇嘛甸油田為例,2016-2018年配電線路共發(fā)生支柱瓷絕緣子斷裂28起,其中大部分發(fā)生在12月至次年3月溫度極低的冬季.

(2)懸式瓷絕緣子.懸式瓷絕緣子由瓷絕緣件和金屬附件(如鋼腳、鐵帽、法蘭等)通過膠合劑膠合或機械卡裝而成[6].懸式瓷絕緣子在油田10(6)kV架空線路應用也很廣泛,主要用于分支桿、轉角桿、耐張桿和終端桿上,具有絕緣、牽引固定導線的作用.由于單片懸式瓷絕緣子經常發(fā)生雷擊閃絡,直至絕緣擊穿,在油田一般采用加裝雙片懸式瓷絕緣子的方法,以增大爬電距離,提高絕緣性能,避免絕緣子雷擊擊穿故障.但是,由于雙片懸式瓷絕緣子質量成倍增加,長期運行易造成導線弛度增大,導致導線相間距離不足,造成相間短路跳閘故障.喇嘛甸油田僅在2018年就發(fā)生過13起此類故障,造成線路跳閘停電.

2.2 玻璃絕緣子

玻璃絕緣子在油田中主要用于35 kV以上架空線路.由于其電擊穿強度、抗老化性、耐油污性、耐電弧性能等均優(yōu)于瓷絕緣子,在油田35 kV以上架空線路應用很廣泛.

2.3 有機復合絕緣子

有機復合絕緣子主要由玻璃纖維環(huán)氧樹脂引拔棒、硅橡膠傘裙、金具三部分組成.其硅橡膠傘裙采用整體注壓工藝,從而解決了影響有機復合絕緣子可靠性的關鍵問題(界面擊穿).玻璃引拔棒與金具的聯結采用最先進的壓接工藝,配有全自動聲波探傷檢測系統,具有強度高、外型美觀、體積小等特點[7].有機復合絕緣子在油田10(6)kV架空線路雖應用較少,但使用效果較好.存在的問題是傘裙易被鳥啄壞,造成絕緣子絕緣性能下降.

2.4 聚合金硅絕緣子

聚合金硅絕緣子由聚合金硅絕緣材料制成,聚合金硅絕緣子串由環(huán)氧樹脂玻纖棒、聚合金硅傘套傘裙、金屬件三部分組成.產品質量輕,僅為瓷質絕緣子質量的35%,不易碎,易于裝卸和運輸,可以大大減少配電線路和電桿的荷載,避免導線拉伸導致導線弛度增大造成的相間短路故障.

喇嘛甸油田從2017年起開始采用聚合金硅絕緣子替換油田配電線路斷裂的瓷支柱絕緣子,采用聚合金硅絕緣子串替換相間短路故障點的雙片懸式瓷絕緣子,使用后未再發(fā)生故障.

聚合金硅絕緣材料是由兩種高分子聚合物和硅化合物材料合金改性而成的一種新型合金絕緣材料,呈白色固體顆粒狀,具有熱塑特性,其流動性好,易加工,合金材料結構穩(wěn)定,絕緣性優(yōu)異,且具有抗電擊穿、抗拉伸等性能.聚合金硅絕緣子具有以下優(yōu)越性:

(1)比瓷絕緣子、復合絕緣子具有更好的電氣性能.

(2)可設計多種結構尺寸,滿足不同電氣性能和機械性能,可避免鼠類、鳥類的侵害;結構形狀

表1 瓷、玻璃、有機復合和聚合金硅絕緣子技術性能對比Tab.1 Technical properties comparison of porcelain,glass,organic composite and polymeric gold silicon insulators

3 聚合金硅絕緣子的優(yōu)越性

穩(wěn)定,在風沙、臺風、雷雨、暴雪等惡劣氣象環(huán)境下形狀穩(wěn)定,有利于線路安全運行.符合我國瓷絕緣子的各項指標要求,且比其具有更優(yōu)異的憎水性能,同時滿足美國ANS129.5、ANS129.6標準的技術要求.

(3)設計耦合多層傘裙結構,具有遞降的直徑和長爬距,比瓷絕緣子更具有可設計性,可滿足不同電氣性能需求.

(4)一旦傘裙表面匯聚較多水分和污穢時具有自動下流的特性,其耐污穢性能遠優(yōu)于瓷絕緣子.

(5)采用高抗沖擊設計,特別是在低溫條件下,更具有優(yōu)勢.

(6)材料質量輕、強度高,絕緣子本體具有荷載能力,其質量僅是瓷絕緣子材料的35%,大大減少了運輸費用和安裝工作量,且減小了安裝人員高空作業(yè)的風險.

(7)可減小對輸電線纜的磨損,保護了線纜.

(8)無線電干擾極小,減小了線路無線電干擾程度.

(9)具有穩(wěn)定的耐紫外線老化性能,經1 000 h全天候老化試驗后仍保持優(yōu)異的特性,其使用壽命可達30~35年.

(10)材料可回收再生循環(huán)使用,環(huán)保性強.

目前在輸電線路上常用的有瓷、玻璃、有機復合、聚合金硅4種絕緣子,因材質不同和生產工藝各異,在技術性能上各不相同[8].4種絕緣子的技術性能對比見表1.從對比結果上可以看出,聚合金硅絕緣子彌補了另外3種絕緣子的不足,更具有綜合優(yōu)勢.

4 結束語

聚合金硅絕緣子與傳統的瓷、玻璃、有機復合絕緣子相比具有更優(yōu)異的綜合性能,彌補了傳統絕緣子性能的不足.聚合金硅絕緣子具有絕緣性能更好,抗雷電性能更強,體積小、質量輕,便于安裝,運行更安全的特點,可進一步提高油田配電線路輸電的穩(wěn)定性和可靠性.在喇嘛甸油田試用2年來,從未發(fā)生過絕緣子斷裂、擊穿事故,也未發(fā)生過因絕緣子太重造成的導線弛度增大而導致的相間短路故障,值得在油田大力推廣應用.