輸電線路復合絕緣子和金具串的優(yōu)化設計研究

周世一 王佳男

摘 要：復合絕緣子和金具串是輸電線路中的重要結構，其在輸電線路中發(fā)揮著關鍵作用，會影響輸電線路在運行過程中的穩(wěn)定性和安全性。輸電線路運行過程中，一旦遇到惡劣天氣，復合絕緣子和金屬串具在應用時會暴露出一些問題，因此，要加強對復合絕緣子和金具串的探討，優(yōu)化設計，增強其性能，使其滿足應用需求。

關鍵詞：輸電線路;金屬串具;優(yōu)化設計;復合絕緣子

中圖分類號：TM75 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）11-0-03

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.11.006

輸電線路在長期運行過程中的穩(wěn)定性會直接影響電系統(tǒng)安全性，而隨著輸電線路規(guī)模的不斷擴大，其經(jīng)常被建設在惡劣環(huán)境中，隨著各種極端天氣的出現(xiàn)，輸電線路運行穩(wěn)定和安全成為設計輸電線路中的要點，可見，做好相關研究意義重大。

1 輸電線路中的復合絕緣子

輸電線路中的絕緣子起到主要作用是避免電流回地、支撐導線，只有充分發(fā)揮其作用，才能確保其性能滿足應用需求，確保輸電線路在運行時不會發(fā)生事故[1]。輸電線路中的復合絕緣子不得因為條件或者環(huán)境改變而失效，否則會縮短整條輸電線路壽命，造成經(jīng)濟損失。

復合絕緣子的類型主要分為棒形懸式復合絕緣子、針式復合絕緣子、橫擔復合絕緣子、支柱復合絕緣子、防風偏復合絕緣子等，每一種類型復合絕緣子特點不同，在應用時要依據(jù)輸電線路性能而定[2]。復合絕緣子具有體積小、重量輕、方便維護、機械強度高、不易破碎等優(yōu)點，因此得到廣泛應用。但從整體情況看，其在輸電線路中應用仍然存在問題，為使其作用得到更好地發(fā)揮，必須進行優(yōu)化設計。

2 復合絕緣子的優(yōu)點與應用注意事項

2.1 復合絕緣子的優(yōu)點

復合絕緣子的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

第一，質(zhì)量小，強度高。復合絕緣子的主要材料為環(huán)氧樹脂和硅橡膠，其與玻璃和陶瓷相比重量輕很多，而且只有兩端具有金屬連接附件，其整體重量僅為玻璃絕緣串和陶瓷重量的1/7～1/10，而通過分析其性能可以發(fā)現(xiàn)，其具有良好的拉伸強度，拉伸強度能夠達到玻璃絕緣串和陶瓷的4倍左右，性能良好，能夠滿足應用需求。

第二，電絕緣，耐污閃性好。傘群和護套都采用防水性好、抗臭氧與紫外線，耐候性，并且具有良好自熄性和非延燃的高絕緣硅膠材料制作而成，應用這種材料，能夠大幅度提高高壓絕緣設備在應用時表面受潮、污染等問題，從而提高耐污能力和絕緣強度，進而保證輸電線路在運行過程中的安全性與穩(wěn)定性，避免發(fā)生事故，導致大面積停電事故情況發(fā)生，為人們提供高質(zhì)量、穩(wěn)定電能。與此同時，基本上不需要施工人員清潔輸電線路，進而減少由于維護輸電線路而產(chǎn)生的費用。

第三，增加結構的爬距比。輸電線路中采用的復合絕緣子在結構上都是由整只直接構成的，上下有兩個電極，這也就致使在輸電線路上采用復合絕緣子，爬距與玻璃和陶瓷絕緣子串相比，爬距會更大，這在一定程度上能夠提高電絕緣性，進而確保輸電線路在運行時的安全性，降低事故發(fā)生概率。

第四，實現(xiàn)架空電力線路小型化。復合絕緣子重量更輕，因此，在輸電線路中應用，能夠大幅度降低桿塔重量，從而顯著縮小輸電線路的間距，減小線路走廊之間的寬度，全面體現(xiàn)出復合絕緣子的效能高、重量小、成本低等多項優(yōu)點，實現(xiàn)架空線路小型化，為我國高壓輸電線路建設與應用提供強有力的支持。

2.2 應用注意事項

雖然復合絕緣子具有上述多項優(yōu)點，但是，其在實際應用過程中，也可能會出現(xiàn)各種問題。應用復合絕緣子不僅要做好設計工作，而且要明確其應用時需要注意的事項，將復合絕緣子應用在輸電線路中。

為提高復合絕緣子的應用效率和范圍，在應用時需要注意以下幾個方面：

第一，相關工作人員在具體工作開展期間，需要加強對大噸位復合絕緣子的探究，分析其在應用過程中呈現(xiàn)出的機械性能。從目前我國輸電線路的整體建設情況來看，大噸位復合絕緣子應用并不多見。因此，要加強對這一內(nèi)容的研究，保證在被應用輸電線路時，能夠保持穩(wěn)定，降低事故發(fā)生概率。與此同時，還要提高大噸位復合絕緣子的應用水平。

第二，加強對均壓設計相關內(nèi)容的探究，均壓設計能夠直觀體現(xiàn)在被應用到輸電線路中的復合絕緣子的性能和質(zhì)量。例如，被應用在輸電線路中的復合絕緣子的芯棒承存在受力不均勻，以及采用的材料出現(xiàn)老化等現(xiàn)象時，上述問題與均壓設計都有著直接關聯(lián)。

第三，提高對招弧設計內(nèi)容的分析。招弧設計的核心目的就是避免輸電線路遭到雷擊破壞，進而在輸電線路中確保復合絕緣子的運行安全。從以往大量實踐經(jīng)驗來看，若招弧設計不合理，一旦遭受到雷擊，復合絕緣子將會被破壞，這會對輸電線路運行的穩(wěn)定性造成影響，無法為人們提供穩(wěn)定電能。

第四，對于復合絕緣子的設計、生產(chǎn)、檢測、驗收等各項工作都有一套完善流程和標準，從而保證復合絕緣子應用與維護都能夠嚴格依據(jù)規(guī)范開展，提高復合絕緣子價值。從目前我國電力行業(yè)的整體發(fā)展情況來看，我國對于復合絕緣子的應用目前在國際上已經(jīng)處于領先行列，在國內(nèi)應用取得不錯效果，這對于電力行業(yè)發(fā)展可以起到一定促進作用。為進一步提高復合絕緣子應用價值，應加強對其的探討，進行優(yōu)化設計，改善其性能，使其作用可以得到充分發(fā)揮。

3 優(yōu)化復合絕緣子和金具串應遵循的原則

縱觀我國電力行業(yè)的整體發(fā)展情況，輸電線路規(guī)模不斷擴大，現(xiàn)代輸電線路輸送容量大，相導線主要采取六分裂，而采用的子導線截面大，導線在具體應用時荷載相對較大，且電壓高。因此，采用的復合絕緣子和金具串的機械性能必須良好，只有這樣，才能確保輸電線路運行的安全性，降低事故發(fā)生概率[3]。

優(yōu)化復合絕緣子和金具串設計要遵循以下原則：

第一，輸電線路中配置的絕緣子串要具有較強的機械強度，其機械強度由線路在正常運行中的最大荷載控制，同時，要適當分析各種不同類型的串型組合的經(jīng)濟性。

第二，在確保復合絕緣子和金具串經(jīng)濟性和安全性基礎上，要減少聯(lián)數(shù)串型。通過對大量完成建設經(jīng)驗和實驗結果表明，采取多聯(lián)或雙聯(lián)絕緣子串與單聯(lián)絕緣子串相比，其絕緣性有所降低，且在整個輸電線路中會在不同區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)薄弱點。隨著絕緣子串聯(lián)數(shù)的增多，組合形式會更加復雜，金具串也會增多，輸電線路在運行過程中發(fā)生事故的概率也就越高;串聯(lián)數(shù)越多，在具體施工期間的運行和安裝維護的整體作業(yè)量也就越大[4]。此外，串聯(lián)數(shù)越多，就表明絕緣子串荷載會加大，無法充分發(fā)揮多聯(lián)串絕緣子噸位增加的顯著優(yōu)勢。

根據(jù)目前我國的電力系統(tǒng)的整體發(fā)展情況，對于已經(jīng)完成建設的500 kV和750 kV線路概況，主要采取單聯(lián)形式，雙聯(lián)形式只在大負荷、重要交叉跨越形式下應用，整體運行效果良好。由此可見，在滿足機械強度要求和技術、絕緣子型允許狀況下，要盡量采用聯(lián)數(shù)少串行，充分發(fā)揮其作用，確保輸電線路運行的穩(wěn)定性[5]。

4 優(yōu)化設計輸電線路中的復合絕緣子和金具串

4.1 內(nèi)弧U形環(huán)設計

作為輸電線路中的一項重要結構，復合絕緣子是一個整體，具有可撓曲、無法擊穿、零值等多項問題。在優(yōu)化設計時，可以改變復合絕緣子兩端的金屬球頭、球窩，轉(zhuǎn)變?yōu)槁菟ㄟB接、圓形單孔，去除R形銷子，通過該設計方式，可以保證復合絕緣子與金具串通過螺栓方式連接，從整體工作情況看，制作端部金具串作業(yè)較為簡單，采取該方式能夠降低制作復合絕緣子生產(chǎn)成本，大幅度提高經(jīng)濟效益[6]。

連接任何一段或者兩端與復合絕緣子，選擇不少于2對的內(nèi)弧U形環(huán)，從而形成一個具有軸向自由度環(huán)環(huán)連接功能，保證金具串可以在指定角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，具體轉(zhuǎn)動不受外界因素影響，轉(zhuǎn)動相對較為自由。不少于2對的內(nèi)弧U形環(huán)—環(huán)聯(lián)結特性可以在復合絕緣子和金具串之間形成柔性與剛性的過渡連接，確保輸電線路的運行穩(wěn)定性[7]。

4.2 V形串復合絕緣子設計

傳統(tǒng)設計中懸垂串上均壓環(huán)在設計中通常為鋁合金放置鳥罩，但是從現(xiàn)階段的具體情況看，相關部門對懸垂串提出要求，要將防鳥刺安裝在懸垂串上方，而防鳥刺和防鳥罩兩者在應用時功能相同。同時，防鳥罩外徑要超過均壓環(huán)，這會影響輸電線路中懸垂在應用時的搖擺造成影響，而且還會遮擋雨水，導致安裝在輸電線路的絕緣子上段部位無法經(jīng)受雨水沖刷。

為改善這一現(xiàn)狀，在輸電線路安裝防鳥刺后，要利用均壓環(huán)取代傳統(tǒng)的鋁合金防鳥罩。采取水平方式進行耐張串布置，確保鳥可以正常站立，針對輸電線路中的V形串復合絕緣子在布置上采取傾斜方式進行，這將會導致鳥啄食芯棒兩端，對其性能造成破壞。由此可見，設計人員可以將V形串復合絕緣子和張串兩端都設計成鋁合金防鳥罩，充分發(fā)揮其防護作用，避免因為鳥害危及整個輸電線路運行。

4.3 環(huán)—環(huán)軸向轉(zhuǎn)動實驗

針對U—7R和U—12R型內(nèi)弧U形環(huán)，進行環(huán)—環(huán)軸向轉(zhuǎn)動實驗研究，內(nèi)弧U形環(huán)構成動絞可以讓金具串在20°～25°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。針對耐張串和懸垂串設計時，考慮其在輸電線路中發(fā)揮的作用，需要設計一處動絞，避免復合絕緣子軸向發(fā)生被動扭轉(zhuǎn)，消除拉扭動在實驗中發(fā)生的±10°扭轉(zhuǎn)，解決復合絕緣子機械性能降低、無法滿足應用需求的情況。

對于輸電線路，要將環(huán)—環(huán)動絞設置在可以發(fā)生軸向轉(zhuǎn)動現(xiàn)象的高壓側(cè)或?qū)Ь€側(cè)。具體設計時，要全面分析耐張串角度以及跳線風偏帶來的具體影響，一般來說，可以通過安裝帶重錘條線方式解決問題。同時，需要相關工作人員注意的是，在耐張串設計上不得設置大量環(huán)—環(huán)動絞，而且要依據(jù)實驗數(shù)據(jù)，確定大轉(zhuǎn)角內(nèi)側(cè)是否要安裝線串[8]。

5 優(yōu)化復合絕緣子和金具串設計成效

優(yōu)化設計復合絕緣子和金具串之后，在輸電線路運行期間，即使輸電線路中的某一支復合絕緣子在應用時發(fā)生斷聯(lián)。但是，從整體情況看，考慮到2副內(nèi)弧U形環(huán)自身獨特環(huán)—環(huán)連接結構，另外一支復合絕緣子兩端端部金屬會受到軸向拉伸作用影響。因此，可以持續(xù)保持良好機械性能，滿足應用需求[9]。

通過分析上述復合絕緣子和金具串優(yōu)化設計內(nèi)容，主要圍繞以下幾項內(nèi)容進行優(yōu)化設計，改善復合絕緣子和金具串性能，確保輸電線路在運行過程中的穩(wěn)定性。

第一，取消了原輸電線路中的R形銷子，解決了因為輸電線中的導線晃動或出現(xiàn)超設計風速而引起的球窩和球頭發(fā)生脫離問題，而引起的球頭破裂或吊串現(xiàn)象。

第二，通過對2副內(nèi)弧U形環(huán)結構進行應用完成相應連接，保證輸電線路中金具串可以在一定角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，保證輸電線路在運行過程中的可靠性和安全性，減少各種事故的發(fā)生。

第三，針對輸電線路中的雙分裂導線或單導線的V形串，2個聯(lián)板之間以2副內(nèi)弧U形環(huán)和1副PH延長環(huán)替代1副P型平行掛板，改善了2個聯(lián)板和連接金屬在斜側(cè)向風作用而形成的復雜受力狀況，減少了導線晃動對于V形串造成的不良影響。對于復合絕緣子與懸垂連扳安裝，可以采用2副內(nèi)弧U形方式，采取環(huán)—環(huán)聯(lián)結形式連接，增加自由度，改善連接點處復雜受力，消除扭轉(zhuǎn)力。

6 結語

電力系統(tǒng)中輸電線路的穩(wěn)定性成為困擾地區(qū)安全供電的難點之一。復合絕緣子和金具串是輸電線路中的重要構成部分，發(fā)揮著十分重要的作用，其性能會對輸電線路性能和應用造成直接影響。因此，設計人員要加強探索，進一步優(yōu)化設計輸電線路復合絕緣子和金具串，確保和改善復合絕緣子的機械性能，充分發(fā)揮其作用，使輸電線路更加安全可靠運行，達到延長架空輸電線路壽命的目的。

參考文獻

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