高海拔地區(qū)500 kV電纜戶外終端用復(fù)合空心絕緣子的設(shè)計(jì)

趙海軍，徐 健，陳琳杰，周長(zhǎng)城

(沈陽古河電纜有限公司，遼寧 沈陽 110115)

電纜戶外終端用外絕緣產(chǎn)品分為瓷空心絕緣子和復(fù)合空心絕緣子。復(fù)合空心絕緣子與瓷空心絕緣子相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量輕(同電壓等級(jí)輕1/3～4/5)便于安裝和運(yùn)輸、防爆性能好[1]、優(yōu)異的憎水性[2]以及優(yōu)良的電氣性能和絕緣性能，特別是可達(dá)到很高的污穢等級(jí)[3]。

對(duì)于500 kV電纜戶外終端安裝，特別是高海拔地區(qū)選擇質(zhì)量輕、絕緣性能強(qiáng)的外絕緣產(chǎn)品尤為重要。本文針對(duì)高海拔地區(qū)500 kV電纜戶外終端用復(fù)合空心絕緣子進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。

1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

a.爬電距離

電纜戶外終端的正常使用條件為海拔高度不超過1000 m，在此范圍內(nèi)根據(jù)Ⅳ級(jí)污穢等級(jí)所需的爬電比距計(jì)算復(fù)合空心絕緣子的爬電距離為L(zhǎng)t=R×U×K1×K2×K3=31×550×1.2×1.2×0.9=22 096 mm。其中：R為爬電比距；U為設(shè)備運(yùn)行最高電壓；K1為直徑修正系數(shù)；K2為設(shè)計(jì)裕度；K3為硅橡膠耐污縮小系數(shù)。

根據(jù)GB/T 22078.3—2008《額定電壓500 kV(Um=550 kV)交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及其附件》規(guī)定，對(duì)于海拔高度超過1000 m，但不超過4000 m安裝使用的電纜戶外終端，按(試驗(yàn)電壓×海拔校正因數(shù)Ka)要求相應(yīng)提高電纜戶外終端的外絕緣水平。其中Ka=1/(1.1-H×10-4)，H為電纜戶外終端安裝地點(diǎn)的海拔高度。

對(duì)于海拔4000 m高度Ka=1.43，爬電距離為22 096×1.43=31 597 mm。本次設(shè)計(jì)海拔高度為4000 m，爬電距離設(shè)計(jì)為32 000 mm。

b.傘形設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)定，采用耐污型大小傘結(jié)構(gòu)，其主要尺寸：傘間最小距離C=57 mm；傘間距與傘伸出之比S/P1=60/62=0.97≥0.8；大小傘伸出差P1-P2=62-46=16 mm>15 mm；大傘傘傾角6o，小傘傘傾角8o；按Ⅳ級(jí)污穢等級(jí)選取的爬電系數(shù)αCF<4；剖面形狀系數(shù)P.F.=(2P1+2P2+S)/I=(2×62+2×46+60)/252=1.1。

c.產(chǎn)品結(jié)構(gòu)高度

根據(jù)傘形設(shè)計(jì)，為滿足爬電距離要求，需要127組傘，其干弧距離St=7660 mm；法蘭高度L=165 mm。因此產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)高度H=St+2L=7660+2×165=7990 mm。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和外形尺寸如圖1所示。

圖1 復(fù)合空心絕緣子結(jié)構(gòu)尺寸

2 主要材料和工藝控制

2.1 傘套材料

按硫化機(jī)理，硅橡膠可以分為高溫硫化硅橡膠(HTV)、室溫硫化硅橡膠(RTV)和液體硅橡膠(LSR)。

由于液體硅橡膠含膠量可達(dá)70%，電氣性能好、機(jī)械性能優(yōu)異、抗撕裂強(qiáng)度高，可以有效防止鳥啄和外力破壞。采用鉑金催化技術(shù)進(jìn)行硫化，無任何副產(chǎn)物，屬環(huán)保產(chǎn)品，因此采用液體硅橡膠作為傘套材料。

2.2 內(nèi)襯管材料

內(nèi)襯管以環(huán)氧樹脂為基材，以玻璃纖維為增強(qiáng)材料，采用玻璃纖維濕法纏繞成型[4]。考慮復(fù)合空心絕緣子承受的內(nèi)壓力和彎曲負(fù)荷，玻璃纖維纏繞角度為54o[5]。

針對(duì)玻璃纖維濕法纏繞成型制作的管內(nèi)部氣隙多的問題，對(duì)樣品進(jìn)行染料滲透試驗(yàn)和水?dāng)U散試驗(yàn)。

a.染料滲透試驗(yàn)[6]

從正常生產(chǎn)的內(nèi)襯管上切割6個(gè)樣品，長(zhǎng)度為10 mm。將直徑為1 mm的鋼球放置在玻璃容器內(nèi)，將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的品紅溶液倒入容器內(nèi)，高于鋼球3 mm，將內(nèi)襯管樣品置于容器內(nèi)。經(jīng)過15 min浸泡后，品紅溶液沒有貫通樣品，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。如圖2所示。

(a)開始時(shí)(b) 15 min后

b.水?dāng)U散試驗(yàn)[7-8]

從正常生產(chǎn)的內(nèi)襯管上切割6個(gè)樣品，長(zhǎng)度為30 mm，寬度為15 mm。樣品在0.1%NaCl的去離子水中煮沸100 h后，進(jìn)行電壓試驗(yàn)。試驗(yàn)電壓以1 kV/s的速度升高至12 kV，保持1 min。試驗(yàn)過程中測(cè)量泄漏電流平均值為0.052 mA，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 端部法蘭

端部法蘭選用高強(qiáng)度、耐腐蝕的鑄造鋁合金ZL101A，以金屬模低壓鑄造成型，保證了端部法蘭的機(jī)械性能。

2.4 生產(chǎn)工藝

為了保證傘套與端部法蘭界面的密封，端部法蘭與內(nèi)襯管進(jìn)行組裝后成型傘套，避免多余界面存在。由于產(chǎn)品較長(zhǎng)，液體硅橡膠分段注射成型，傘套搭接面通過涂覆過渡劑保證2次成型的傘套粘接。

3 產(chǎn)品彎曲試驗(yàn)

電纜戶外終端安裝運(yùn)行時(shí)會(huì)承受各種外力影響[9]，因此復(fù)合空心絕緣子必須具備足夠的機(jī)械強(qiáng)度。產(chǎn)品設(shè)計(jì)最大機(jī)械負(fù)荷(MML)為10 kN，彎曲破壞力大于25 kN，對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行彎曲破壞試驗(yàn)，在31 kN時(shí)復(fù)合空心絕緣子內(nèi)襯管開裂，如圖3所示。產(chǎn)品的試驗(yàn)值為設(shè)計(jì)值的1.24倍，驗(yàn)證該產(chǎn)品能夠承受電纜戶外終端運(yùn)行時(shí)的外力影響。

圖3 產(chǎn)品的彎曲試驗(yàn)

4 結(jié)論

a.根據(jù)GB/T 22078.3—2008標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)海拔高度4000 m地區(qū)的500 kV電纜戶外終端用復(fù)合空心絕緣子進(jìn)行設(shè)計(jì)，復(fù)合空心絕緣子爬電距離為32 000 mm，結(jié)構(gòu)高度為7990 mm。

b.通過材料選擇和生產(chǎn)工藝控制，保證500 kV電纜復(fù)合空心絕緣子的優(yōu)異性能。

c.彎曲試驗(yàn)破壞值為設(shè)計(jì)值的1.24倍，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能夠承受電纜戶外終端運(yùn)行時(shí)的外力影響。