汪晶毅

（廣東省電力設(shè)計(jì)研究院，廣州 510663）

0 引言

硅橡膠復(fù)合絕緣子具有重量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),在廣東地區(qū)，復(fù)合絕緣子在110～500 kV交直流線路的懸垂串上已得到了廣泛應(yīng)用，效果良好，但在耐張串上應(yīng)用較少，尤其是在500 kV交直流線路的耐張串上，在特高壓直流線路的耐張串上采用復(fù)合絕緣子更是缺乏運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[1-2]。

本文對(duì)復(fù)合絕緣子在特高壓直流線路中的應(yīng)用可行性和應(yīng)用范圍進(jìn)行了探討，為特高壓直流工程中復(fù)合絕緣子的推廣應(yīng)用提供參考。

1 直流復(fù)合絕緣子的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 直流復(fù)合絕緣子的應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)外從20世紀(jì)70年代開(kāi)始在直流線路上應(yīng)用高壓直流復(fù)合絕緣子，截至1992年，美國(guó)、新西蘭等國(guó)的直流線路現(xiàn)場(chǎng)掛網(wǎng)運(yùn)行9種復(fù)合絕緣子800余根[3]，運(yùn)行區(qū)域包括內(nèi)陸區(qū)、海岸區(qū)、鹽湖工業(yè)區(qū)及公路污穢區(qū)，線路運(yùn)行電壓從±270～±500 kV，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)5 500支·a。從運(yùn)行情況來(lái)看，在各種污穢區(qū)域，復(fù)合絕緣子均顯現(xiàn)出良好的耐污閃性能。

我國(guó)在1995年成功研制出直流復(fù)合絕緣子并掛網(wǎng)運(yùn)行，葛南、天廣、龍政、三廣和貴廣線(I回)上使用的復(fù)合絕緣子已達(dá)11 000支[4-5]。超高壓直流線路中使用的復(fù)合絕緣子數(shù)量如表1所示。在運(yùn)行數(shù)年后的電氣、機(jī)械試驗(yàn)表明，復(fù)合絕緣子性能良好，用于±500 kV直流輸電線路是可行的。因此在后續(xù)的調(diào)爬中，這些線路應(yīng)用了更多的復(fù)合絕緣子。

表1 直流超高壓線路復(fù)合絕緣子使用情況[6]

1.2 特高壓直流工程采用復(fù)合絕緣子的必要性

南方電網(wǎng)公司于2007年開(kāi)始建設(shè)云南至廣東±800 kV直流工程，國(guó)家電網(wǎng)正在建設(shè)向家壩—上海特高壓直流[7]。在“十二五”期間，南網(wǎng)和國(guó)網(wǎng)還將建設(shè)糯扎渡—廣東、錦屏—蘇南等特高壓直流工程。這些特高壓輸電工程的落點(diǎn)都是在沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，污區(qū)等級(jí)高，一旦發(fā)生污閃，勢(shì)必造成嚴(yán)重的后果。具體地說(shuō)，特高壓直流工程采用復(fù)合絕緣子的必要性表現(xiàn)如下。

1）特高壓直流工程的電壓等級(jí)高，輸電線路的直流電場(chǎng)強(qiáng)度大，有較強(qiáng)的電暈放電，同時(shí)直流積污能力很強(qiáng)。一般統(tǒng)計(jì)表明，直流絕緣子表面積污是交流的2～3倍。考慮到我國(guó)的大氣污染程度隨工業(yè)發(fā)展日益加重，特高壓直流線路的污閃將會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成巨大沖擊，因此需要采用復(fù)合絕緣子提高特高壓絕緣子串的耐污閃能力，以保證輸電線路可靠、安全運(yùn)行。

2）特高壓直流導(dǎo)線截面大、分裂數(shù)多、重量大、桿塔外負(fù)荷使用條件要求高，同時(shí)由于特高壓直流外絕緣水平要求很高，必須采用大噸位的絕緣子。應(yīng)用大噸位復(fù)合絕緣子可以大大減輕絕緣子的重量（約為瓷、玻璃絕緣子的10%），降低桿塔的荷載。

3）復(fù)合絕緣子由于優(yōu)良的憎水性在應(yīng)用時(shí)可以縮短爬距（在重污穢地區(qū)其爬電距離可取瓷絕緣子的75%），減小絕緣子長(zhǎng)度，有效降低塔頭尺寸和工程造價(jià)。同時(shí)，復(fù)合絕緣子的價(jià)格也較瓷和玻璃絕緣子便宜，采用復(fù)合絕緣子本身就可以節(jié)約成本。

4）應(yīng)用復(fù)合絕緣子后期的維護(hù)運(yùn)行較為簡(jiǎn)單，可有效免除采用瓷絕緣子時(shí)的清掃和檢測(cè)零值工作，大大減輕運(yùn)行維護(hù)的工作量及費(fèi)用。

在特高壓直流上使用復(fù)合絕緣子具有顯著的經(jīng)濟(jì)性，不僅是可行的，同時(shí)也是必然的要求。但是考慮到在超高壓線路耐張串中復(fù)合絕緣子的使用經(jīng)驗(yàn)仍然偏少，因此對(duì)特高壓直流耐張串采用復(fù)合絕緣子仍需要進(jìn)一步分析和研究。

2 復(fù)合絕緣子在耐張串上的應(yīng)用

雖然超高壓交直流工程中的懸垂串已經(jīng)廣泛使用了復(fù)合絕緣子，但是對(duì)于耐張串是否能應(yīng)用復(fù)合絕緣子目前還存在爭(zhēng)議[8]，運(yùn)行部門(mén)仍持懷疑態(tài)度。例如，文獻(xiàn)[9]主張“耐張串宜選用玻璃絕緣子或瓷絕緣子，不宜使用復(fù)合絕緣子”，主要原因在于：擔(dān)心復(fù)合絕緣子芯棒的脆斷和長(zhǎng)期運(yùn)行后的機(jī)械性能下降；在耐張串上為了避免踩踏傘裙造成對(duì)導(dǎo)線檢修困難。

實(shí)際上，對(duì)廣東地區(qū)110～500 kV交直流耐張串上復(fù)合絕緣子的運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)表明[8]，在較低電壓等級(jí)下（220 kV和110 kV），耐張串上使用復(fù)合絕緣子并未出現(xiàn)芯棒脆斷等事故。在較高電壓等級(jí)下（直流±500 kV和交流500 kV），盡管耐張串上試用的復(fù)合絕緣子數(shù)量較少，但其運(yùn)行良好，運(yùn)行數(shù)年后的檢驗(yàn)測(cè)試也表明復(fù)合絕緣子的機(jī)械性能未出現(xiàn)下降。例如，在超高壓直流線路的耐張串上曾先后試用過(guò)復(fù)合絕緣子，其中±500 kV龍政線4基耐張塔使用了64支210 kN直流復(fù)合絕緣子；±500 kV貴廣（Ⅱ回）直流線路在廣東境內(nèi)重污區(qū)的1.5基耐張塔上試用了6串24支耐張串直流復(fù)合絕緣子，每串采用4×300 kN、雙掛點(diǎn)。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，復(fù)合絕緣子的運(yùn)行情況均良好。

以上事實(shí)說(shuō)明復(fù)合絕緣子具備應(yīng)用于耐張串的可能性。清華大學(xué)對(duì)復(fù)合絕緣子低噸位的動(dòng)載試驗(yàn)也表明了這一點(diǎn)[10]。文獻(xiàn)[11]分析了耐張串復(fù)合絕緣子的在承受運(yùn)行中可能出現(xiàn)的拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲、振動(dòng)等各種載荷，認(rèn)為復(fù)合絕緣子完全可應(yīng)用在耐張串上。

運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和研究結(jié)論為推廣復(fù)合絕緣子在耐張串上的進(jìn)一步使用奠定了良好的基礎(chǔ)，積累了重要的數(shù)據(jù)。

由于特高壓直流耐張塔外負(fù)荷很大，如采用玻璃、瓷絕緣子，片數(shù)多，重量重，不但絕緣子材料費(fèi)用上昂貴，同時(shí)對(duì)耐張塔的強(qiáng)度要求很高。采用復(fù)合絕緣子，可以提高耐污閃能力，有效減小串長(zhǎng)，降低桿塔的荷載，節(jié)省鐵塔投資，同時(shí)后期維護(hù)也較為方便，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3 國(guó)內(nèi)復(fù)合絕緣子的研制和生產(chǎn)情況

經(jīng)過(guò)20多年的生產(chǎn)、研究和應(yīng)用，國(guó)內(nèi)已出現(xiàn)了眾多復(fù)合絕緣子生產(chǎn)廠家，產(chǎn)品涵蓋了各種電壓等級(jí)、多種機(jī)械強(qiáng)度的交流線路和直流線路，復(fù)合絕緣子的制造技術(shù)已達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平。

國(guó)產(chǎn)廠家不僅具備了雄厚的復(fù)合絕緣子生產(chǎn)能力，在技術(shù)水平上也在不斷進(jìn)步，能采用整體注射和壓接式工藝研制開(kāi)發(fā)特高壓（±800 kV）、大噸位（530 kN及以上）直流復(fù)合絕緣子，并通過(guò)了相關(guān)技術(shù)鑒定。除了生產(chǎn)工藝外，生產(chǎn)廠家以及高校、研究所等科研機(jī)構(gòu)在絕緣子型式[6]、均壓環(huán)設(shè)計(jì)[12-16]、破壞負(fù)荷與額定負(fù)荷的關(guān)系[17-18]、機(jī)械強(qiáng)度的下降[8]、大負(fù)荷彎曲、振動(dòng)影響以及運(yùn)行維護(hù)[8]等方面都展開(kāi)了廣泛深入的研究，取得了十分可喜的成果。

4 復(fù)合絕緣子在特高壓直流耐張串中的應(yīng)用

以云廣±800 kV直流工程為例，導(dǎo)線采用6×LGJ－630/45鋼芯鋁絞線，年平均氣溫條件下的應(yīng)力為35.316 3 kN。如果耐張串使用雙聯(lián)550 kN復(fù)合絕緣子，在最大使用荷載下的安全系數(shù)、常年荷載下的絕緣子機(jī)械強(qiáng)度安全系數(shù)以及斷聯(lián)時(shí)的安全系數(shù)如表2中所示。

表2 雙聯(lián)550 kN復(fù)合絕緣子耐張串荷載計(jì)算

根據(jù)相關(guān)規(guī)定[19]，棒型絕緣子在最大使用荷載下機(jī)械強(qiáng)度安全系數(shù)取3.0，在常年荷載下機(jī)械強(qiáng)度安全系數(shù)取4.0，斷聯(lián)時(shí)安全系數(shù)取1.5。從表2耐張絕緣子串荷載安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果看，采用雙聯(lián)550 kN復(fù)合絕緣子配置，均能滿(mǎn)足規(guī)程要求。但是在風(fēng)速較大地區(qū)，安全系數(shù)裕度較小。

對(duì)于±800 kV直流線路在不同海拔高度中污區(qū)的絕緣配置，耐張串按雙聯(lián)考慮，使用復(fù)合絕緣子和盤(pán)型絕緣子的材料費(fèi)用計(jì)算如表3所示。

由表3可見(jiàn)，即使是在低海拔地區(qū)（盤(pán)形絕緣子1），耐張串上使用復(fù)合絕緣子后，每串能比盤(pán)型絕緣子節(jié)約近6萬(wàn)元，則每基耐張塔上僅絕緣子材料費(fèi)用就可節(jié)約20余萬(wàn)元。而復(fù)合絕緣子串重量不到盤(pán)型絕緣子串重量的20%（含金具）。隨著海拔高度的增加，以及污穢嚴(yán)重程度的增加，復(fù)合絕緣子重量輕、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)會(huì)更為顯著。由此可見(jiàn)，在耐張串上采用大噸位復(fù)合絕緣子的經(jīng)濟(jì)效益是非常明顯的。

表3 特高壓直流線路復(fù)合絕緣子與盤(pán)型絕緣子的經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

從安全考慮，耐張串復(fù)合絕緣子可通過(guò)增加并聯(lián)聯(lián)數(shù)或提高每聯(lián)噸位來(lái)提高機(jī)械可靠性。雙聯(lián)絕緣子的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受力清晰，運(yùn)行期間絕緣子出現(xiàn)故障的概率低，便于維護(hù)，在國(guó)內(nèi)有著豐富的設(shè)計(jì)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，是工程上成熟的、常用的串型。因此，可在線路地形平坦地區(qū)、風(fēng)速小、使用條件較小的耐張塔上掛網(wǎng)試用530 kN/550 kN大噸位復(fù)合絕緣子，采用雙聯(lián)配置、雙掛點(diǎn)，留足裕度，適當(dāng)提高安全系數(shù)。

特高壓直流大噸位復(fù)合絕緣子，相對(duì)于以往使用的耐張串上的復(fù)合絕緣子，在運(yùn)行時(shí)須承受更大載荷和更高的運(yùn)行電壓，復(fù)合絕緣子是否會(huì)出問(wèn)題，尚待實(shí)際運(yùn)行檢驗(yàn)，絕緣子的長(zhǎng)期機(jī)械性能也有待實(shí)際運(yùn)行的驗(yàn)證，因此需要謹(jǐn)慎從事。

云廣工程中在耐張串上均只少量試用了大噸位復(fù)合絕緣子（見(jiàn)圖1），全線僅掛36支530 kN復(fù)合絕緣子，主要用于廣東側(cè)進(jìn)站段的耐張塔上?！笆濉逼陂g建設(shè)的糯扎渡等工程可根據(jù)運(yùn)行情況再調(diào)整復(fù)合絕緣子在耐張串上的試用范圍。

圖1 云廣特高壓直流線路耐張串試用復(fù)合絕緣子

5 結(jié)論

國(guó)內(nèi)外復(fù)合絕緣子多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，表明復(fù)合絕緣子具有優(yōu)異的耐污閃性能，可以減輕污穢地區(qū)絕緣子表面清掃及零值檢測(cè)等運(yùn)行維護(hù)管理方面的工作，此外復(fù)合絕緣子還具有重量輕、強(qiáng)度高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合絕緣子在超高壓線路耐張塔上的試用經(jīng)驗(yàn)，說(shuō)明復(fù)合絕緣子也具備應(yīng)用于耐張串的可能性。

對(duì)特高壓直流輸電工程，導(dǎo)線截面大、分裂數(shù)多、重量大、桿塔外負(fù)荷使用條件高，同時(shí)線路外絕緣水平要求很高，采用復(fù)合絕緣子尤其是在耐張串上試用大噸位復(fù)合絕緣子，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)出了一批優(yōu)秀的絕緣子生產(chǎn)廠家，研制開(kāi)發(fā)了大噸位復(fù)合絕緣子，其產(chǎn)品可以滿(mǎn)足工程的需要。

對(duì)特高壓直流，電壓等級(jí)高，在系統(tǒng)中的地位相當(dāng)重要，在耐張串上使用大噸位復(fù)合絕緣子，既需謹(jǐn)慎，也需積極研究和試驗(yàn)。云廣±800 kV直流工程已經(jīng)在耐張串上試用了復(fù)合絕緣子?？筛鶕?jù)這些絕緣子的運(yùn)行情況，結(jié)合糯扎渡特高壓直流等工程的建設(shè)需要，再考慮進(jìn)一步擴(kuò)大復(fù)合絕緣子在耐張串上的使用范圍。

[1]王琨,谷永剛,彭青寧,等.山區(qū)超高壓輸電線路玻璃絕緣子串防覆冰閃絡(luò)措施研究[J].電網(wǎng)與清潔能源,2008,24(8):9-12.

[2]朱海濤,萬(wàn)榮興,方勇,等.直流盤(pán)形懸式絕緣子離子遷移機(jī)理研究[J].電網(wǎng)與清潔能源,2008,24(3):30-36.

[3]CIGRE WG22.03．Service Performance of Composite Insulator Used on HVDC Lines[J]．Electra，1995，16（1）：52-57．

[4]張文亮.復(fù)合絕緣子在±800 kV特高壓直流工程中的應(yīng)用研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（12）：8-11.

[5]馬斌.±800 kV直流支柱復(fù)合絕緣子制造技術(shù)[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2009,3(4):49-52.

[6]南方電網(wǎng)技術(shù)研究中心.±800 kV云廣特高壓直流復(fù)合絕緣子及換流站外絕緣應(yīng)用研究[R].廣州：南方電網(wǎng)技術(shù)研究中心，2006.

[7]熊萬(wàn)洲,徐大成,張小武.向—上±800 kV輸電工程與舟白機(jī)場(chǎng)及信標(biāo)臺(tái)間距分析[J].電網(wǎng)與清潔能源,2010,26(3):9-11.

[8]樊靈孟,肖勇,周華敏.廣東電網(wǎng)污穢地區(qū)耐張串試用復(fù)合絕緣子運(yùn)行情況分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（12）：37-41.

[9]廣東省廣電集團(tuán)公司.廣東省廣電集團(tuán)公司懸式絕緣子選型及爬電比距配置導(dǎo)則[Z].廣州：廣東省廣電集團(tuán)公司，2004.

[10]劉澤洪.復(fù)合絕緣子使用現(xiàn)狀及其在特高壓輸電線路中的應(yīng)用前景[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（12）：1-7.

[11]張銳,吳光亞.直流復(fù)合絕緣子在耐張串上的應(yīng)用及試驗(yàn)分析[J].高電壓技術(shù),2006，32（9）：129-131.

[12]中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)公司.晉東南～南陽(yáng)～荊門(mén)1 000 kV輸電線路工程初步設(shè)計(jì)第6卷 專(zhuān)題研究報(bào)告第8冊(cè)：合成絕緣子技術(shù)條件研究[R].北京：中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)公司，2006.

[13]司馬文霞,武坤,李立浧,等.±800 kV線路直流復(fù)合絕緣子均壓環(huán)結(jié)構(gòu)研究[J].高電壓技術(shù)，2007，33（11）：33-36.

[14]劉振,卞星明,王黎明,等.特高壓直流復(fù)合絕緣子均壓環(huán)設(shè)計(jì)[J].高電壓技術(shù)，2006，32（12）：137-141.

[15]滕國(guó)利,魏寧,徐禮賢.±800 kV特高壓直流棒形懸式復(fù)合絕緣子的研制[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（12）：83-86.

[16]陳小黎.絕緣子污穢度等級(jí)判斷新方法[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2009,3(2):53-55.

[17]GB/T9677—1999盤(pán)形懸式絕緣子鋼腳[S].

[18]袁駿.特高壓線路用復(fù)合絕緣子的機(jī)械性能[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（12）：29-32.

[19]Q/CSG 11502-2008 110～500 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定(暫行)[S].廣州：南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司，2008.