中國(guó)石油天然氣股份有限公司西氣東輸管道分公司 歐亞杰 李韓櫻

1 引言

由于特高壓輸電可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大容量、大區(qū)域電網(wǎng)的互聯(lián)，可降低輸電成本，近二十年美國(guó)、日本、意大利和我國(guó)等國(guó)家都在致力于特高壓輸電技術(shù)的研究。

在特高壓輸電工程中，系統(tǒng)輸送功率大、輸電線路距離長(zhǎng)，同時(shí)部分地區(qū)海拔高，這給電氣設(shè)備和輸電線路的絕緣性能要求更高。特高壓輸電工程中的絕緣主要有輸電導(dǎo)線與周?chē)矬w如輸電桿塔、大地或其他設(shè)備間的空氣絕緣，此外廣泛應(yīng)用的就是高壓絕緣子。在特高壓輸電工程對(duì)絕緣子的性能要求更高。一方面，高壓絕緣子需要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度以支撐相關(guān)設(shè)備，此外，絕緣子需要具有足夠的抗污閃能力和熱電壓耐受能力。在特高壓輸電工程中，輸電線路附近的電場(chǎng)強(qiáng)度大，容易導(dǎo)致電暈的發(fā)生，直流高壓環(huán)境下積污較交流電壓大。國(guó)內(nèi)外學(xué)者相關(guān)研究表明，直流絕緣子的表面積污可以達(dá)到交流的2～3倍[1-2]。因此，在特高壓直流工程中，絕緣子的表面積污速度更快，更容易發(fā)生絕緣子的閃絡(luò)。

由于特高壓工程具有明顯經(jīng)濟(jì)性，目前我國(guó)正在大力建設(shè)特高壓直流輸電工程。工程應(yīng)用的需求加快了高壓絕緣子的研究，提高絕緣子的電壓耐受能力和絕緣可靠性是必須解決的技術(shù)難題。本文論述特高壓輸電線路中絕緣子研究進(jìn)展。

2 高壓絕緣子的發(fā)展

復(fù)合絕緣子是目前廣泛應(yīng)用的絕緣子，具有機(jī)械強(qiáng)度高、絕緣性能好、密度小、耐污性能好優(yōu)良的特點(diǎn)，較傳統(tǒng)的瓷絕緣子和玻璃絕緣子具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，在特高壓中得到了廣泛應(yīng)用，目前已經(jīng)有近五六十年的工程應(yīng)用和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。復(fù)合絕緣子的材料生產(chǎn)配方可調(diào)，各項(xiàng)物理性能可根據(jù)工程需求進(jìn)行調(diào)制，生產(chǎn)工藝逐步完善，是具有重大應(yīng)用前景的絕緣子。

自20世紀(jì)50年代以來(lái)，國(guó)外就開(kāi)始研究和使用復(fù)合絕緣子。當(dāng)時(shí)主要使用環(huán)氧樹(shù)脂澆注結(jié)構(gòu)，一般安裝在戶(hù)外。20世紀(jì)60年代后期，出現(xiàn)了由樹(shù)脂增強(qiáng)玻璃鋼芯棒和以橡膠或氟塑料等聚合材料為傘裙護(hù)套的復(fù)合結(jié)構(gòu)絕緣子，并陸續(xù)在30多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的各種工業(yè)線路和試驗(yàn)線路運(yùn)行。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，國(guó)外復(fù)合絕緣子推廣應(yīng)用非常迅速。美國(guó)是使用復(fù)合絕緣子最早和最廣泛的國(guó)家，電壓等級(jí)從交流115～765kV，到直流500kV。近年來(lái)，復(fù)合絕緣子已在世界范圍內(nèi)得到了廣大電力技術(shù)人員青睞和大量使用，其用量一直保持穩(wěn)定增長(zhǎng)[3-4]。

我國(guó)電力工程中，復(fù)合絕緣子的應(yīng)用起源于20世紀(jì)90年代。復(fù)合絕緣子的引入，有效地降低了我國(guó)電網(wǎng)中的污閃事故。從此，我國(guó)電網(wǎng)使用復(fù)合絕緣子的數(shù)量迅速增加，1995年我國(guó)電網(wǎng)中使用的復(fù)合絕緣子數(shù)量大約為10萬(wàn)支，1999年達(dá)到了84萬(wàn)支，五年內(nèi)符合絕緣子的數(shù)量增加了近8倍。從2008年復(fù)合絕緣子數(shù)量已突破達(dá)到200萬(wàn)支，目前我國(guó)電網(wǎng)工程中復(fù)合絕緣子數(shù)量已超過(guò)300萬(wàn)支，目前我國(guó)新建或者投產(chǎn)的高壓和特高壓工程中已經(jīng)大批量使用復(fù)合絕緣子。

3 高壓絕緣子國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

絕緣子污閃是電力系統(tǒng)最常見(jiàn)的事故，關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)絕緣子的污閃機(jī)理和污閃特性進(jìn)行了相關(guān)深入的研究，但是絕緣子的污閃是一個(gè)概率性發(fā)生的事故，目前在實(shí)際運(yùn)行中，仍有污閃事故的發(fā)生。因此加深對(duì)絕緣子的污閃性能研究很有必要，一方面研究絕緣子污穢放電機(jī)理，提取影響絕緣子污閃的關(guān)鍵因素，并進(jìn)一步提出提高絕緣子污閃電壓的技術(shù)措施，為絕緣子的可靠運(yùn)行提供理論依據(jù)。

3.1 絕緣子污閃放電原理

絕緣子的污閃與絕緣子材料的物理化學(xué)特性有關(guān)。材料表面的性能有憎水性或親水性?xún)煞N[5]。在雨水或者受潮條件下，親水性表面容易形成水膜覆蓋在絕緣子表面，在高壓環(huán)境下，親水性表面的絕緣子極易發(fā)生污閃現(xiàn)象。陶瓷和玻璃絕緣子是典型的親水表面，因此，在雨雪天氣下，瓷和玻璃絕緣子容易發(fā)生污閃。在雨水或者受潮條件下，憎水性表面不會(huì)形成覆蓋的水膜，而是形成許多水珠，這樣絕緣子表明不容易發(fā)生貫穿性的放電通道，因此污閃發(fā)生的概率相對(duì)較小。復(fù)合絕緣子表面一般為憎水性[6-10]。

絕緣子污閃放電是一個(gè)涉及到電、熱和化學(xué)等的錯(cuò)綜復(fù)雜的變化過(guò)程，其主要過(guò)程如圖1所示，包括：

（1）絕緣子積污過(guò)程。絕緣子積污過(guò)程是一個(gè)長(zhǎng)期的緩慢過(guò)程，與絕緣子所在的地理環(huán)境、天氣和絕緣子形狀有關(guān)。

（2）染污絕緣子表面受潮。絕緣子表面受潮主要受到天氣的影響。

（3）染污絕緣子表面局部放電。在外加電壓作用下，絕緣子表面局部電場(chǎng)畸變點(diǎn)首先發(fā)生局部放電，其產(chǎn)生與絕緣子表面的積污、受潮和表面形狀有關(guān)。當(dāng)絕緣子表面泄漏較大時(shí)，局部放電較易發(fā)生。

本研究依托某高速公路瀝青路面新建工程，進(jìn)行設(shè)計(jì)前路面調(diào)查和測(cè)試，并完成該高速公路排水瀝青路面試驗(yàn)段設(shè)計(jì)。該試驗(yàn)路段上面層4cm，下面層為7cm瀝青混合料，基層為水泥穩(wěn)定碎石。試驗(yàn)路段采用PA—13作為瀝青面層，設(shè)計(jì)空隙率為18%，選用TPS高黏改性瀝青，油石比為4.8%。

（4）絕緣子表面貫穿性污閃。絕緣子表面局部放電范圍逐步擴(kuò)大，最終形成貫穿性放電通道，絕緣子污閃形成。

圖1 絕緣子污閃放電過(guò)程

憎水性絕緣子表面容易形成不連續(xù)的水珠或者水滴。隨著污穢的形成，在水滴中，鹽分逐步遷移，外加電場(chǎng)作用下水滴較易形成不連續(xù)、不穩(wěn)定的絲狀水滴。絲狀水滴和水滴之間的局部放電逐步發(fā)展形成貫穿性的放電通道，導(dǎo)致絕緣子表面污穢放電的形成。而親水性絕緣子表面的污穢放電過(guò)程主要形成于絕緣子表面的連續(xù)覆蓋的水膜中，污穢放電過(guò)程容易形成。二者污穢缸墊過(guò)程和機(jī)理不同，因此憎水性絕緣子表面污穢放電較親水性絕緣子的放電電壓高。

污穢放電涉及復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，進(jìn)二十年來(lái)一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)物理模型、化學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型的建立，深入研究了污穢放電的基本發(fā)展形成過(guò)程、內(nèi)部機(jī)制、影響因素和抑制措施，為提高絕緣子臨界閃絡(luò)電壓提供了依據(jù)[6-14]。

3.2 影響絕緣子閃絡(luò)的因素

污閃電壓與絕緣子的污穢程度（鹽密和灰密）、積污過(guò)程（污穢不均勻度）、絕緣子的結(jié)構(gòu)型式等因素有關(guān)。

（1）鹽密和灰密

等值鹽密和灰密是確定污穢等級(jí)的重要參數(shù)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)研究表明，絕緣子的污穢閃絡(luò)電壓（污閃電壓Uf）與鹽密（ESDD）的關(guān)系為[5]：

式中，A為與絕緣子材質(zhì)和結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)；α為指數(shù)，表征污閃電壓隨鹽密變化的快慢程度。

重慶大學(xué)孫才新等關(guān)于人工污穢試驗(yàn)研究表明，對(duì)于X-4.5型絕緣子，A=4.75，α=0.2[5]；Ramos等人試驗(yàn)研究統(tǒng)計(jì)表明，直流下α=0.33，交流下α=0.20[6]。對(duì)于不同型式絕緣子，交、直流電壓作用下，隨著海拔的提高，A的數(shù)值均降低；α與電壓類(lèi)型、絕緣子結(jié)構(gòu)和型式、海拔高度有關(guān)[7]。

（2）積污過(guò)程

在電力系統(tǒng)中，整串絕緣子的鹽密平均值是決定外絕緣污穢等級(jí)、確定外絕緣爬電距離的重要參數(shù)。由于絕緣子實(shí)際運(yùn)行環(huán)境不同，絕緣子的上表面一般較為清潔，而下表面積污較為嚴(yán)重。統(tǒng)計(jì)表明，實(shí)際運(yùn)行的絕緣子上、下表面的積污比一般為1：5～1：20[8]。絕緣子下表面是影響絕緣子串污閃的重要決定性因素。

上、下表面不均勻積污對(duì)絕緣子污閃電壓的影響主要體現(xiàn)在絕緣子局部電場(chǎng)的畸變程度。研究表明，當(dāng)上、下表面積污不均勻?qū)^緣子直流污閃電壓的影響程度遠(yuǎn)大于交流[9]。在直流作用下，當(dāng)上、下表面積污比從1：1變化到1：10時(shí)，絕緣子的直流耐受電壓提高一半。

（3）絕緣子結(jié)構(gòu)型式

不同結(jié)構(gòu)型式絕緣子的材料組份、機(jī)械結(jié)構(gòu)不同，因此其電氣形成差異較大，此時(shí)絕緣子的污穢特性差異較大。絕緣子表面的積污程度主要取決于絕緣子的結(jié)構(gòu)型式。不同結(jié)構(gòu)型式的絕緣子上表面的積污程度差異較小，主要差異體現(xiàn)在絕緣子下表面的積污程度。例如，外傘型和三傘型絕緣子的絕緣子下表面設(shè)計(jì)較為平整光滑，表面空氣流動(dòng)性較好，不易形成污穢；而深棱傘型絕緣子下表面空氣流通受到阻礙，容易積污。統(tǒng)計(jì)表明，深棱傘型絕緣子的下表面積污量可達(dá)到外傘型的三倍[10]。

（4）氣象條件

絕緣子的污閃電壓很大程度上受到氣象條件的影響，不同地區(qū)的絕緣子污閃電壓差別極大。影響絕緣子污閃的氣象條件主要有：溫度、氣壓、雨雪天氣、濕度和酸堿性等。Ishii等人在霧室中對(duì)絕緣子污閃的研究表明，在5～35℃的范圍內(nèi)，環(huán)境溫度每升高1℃，絕緣子的污閃電壓下降0.7～1.0%[10]。氣象條件對(duì)絕緣子污閃電壓的影響具有一定的統(tǒng)計(jì)性規(guī)律，需要結(jié)合歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

3.3 絕緣子老化研究

絕緣子的老化是導(dǎo)致電力系統(tǒng)發(fā)生絕緣子污閃的重要原因，在實(shí)際運(yùn)行中無(wú)法避免。隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，在不良?xì)庀髼l件（雨雪、紫外線照射、高溫等）、機(jī)械振動(dòng)和局部放電等因素作用下，絕緣子表面交易發(fā)生性能退化，具體表現(xiàn)為化學(xué)成分的裂變、機(jī)械性能的退化和電氣性能退化，最終導(dǎo)致絕緣子閃絡(luò)電壓的降低。影響絕緣子老化的因素繁多，目前國(guó)際上對(duì)絕緣子的老化研究沒(méi)有明確結(jié)果定論。研究主要集中在絕緣子老化機(jī)理、老化模擬試驗(yàn)和老化判據(jù)等內(nèi)容。

導(dǎo)致絕緣子老化的主要原因是在不良?xì)庀髼l件下絕緣子表面的局部放電的長(zhǎng)期積累作用，最終導(dǎo)致絕緣子表面性能退化和污閃電壓的降低。當(dāng)絕緣子表面的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到0.5～0.7kV/cm時(shí)，絕緣子表面就會(huì)產(chǎn)生局部放電或電暈放電現(xiàn)象，放電作用導(dǎo)致絕緣子材料氧化、憎水性下降，此外放電作用的局部高溫可能加速?gòu)?fù)合材料的降解。絕緣子老化涉及復(fù)雜的物理化學(xué)變化，目前的研究很難定量破解絕緣子的老化機(jī)理。

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬絕緣子的老化過(guò)程是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。美國(guó)IEC、美國(guó)EPRI和國(guó)際高電壓大電流技術(shù)研究聯(lián)合會(huì)等都提出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室加速老化試驗(yàn)方法[12-14]。目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中的老化試驗(yàn)方法，我國(guó)采用的是IEC中的加速老化試驗(yàn)方法，即5000h綜合加速老化方法。具體方案為在封閉的箱體內(nèi)，對(duì)絕緣子表面施加電壓，并配合紫外線、溫度變化和濕度變化等因素，研究絕緣子表面的污穢積累過(guò)程或者閃絡(luò)電壓的變化。中國(guó)電力科學(xué)研究院李慶峰等人進(jìn)行了絕緣子5000h老化試驗(yàn)，研究認(rèn)為泄漏電流變化可作為絕緣子表面狀況的良好判據(jù)，泄漏電流的波形也可為絕緣子在線監(jiān)測(cè)提供有用的信息[15]。

4 絕緣子污穢閃絡(luò)試驗(yàn)方法

關(guān)于絕緣子污穢閃絡(luò)的研究，主要結(jié)合調(diào)研的研究進(jìn)展，提煉研究?jī)?nèi)容；通過(guò)不同試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證或探究，結(jié)合放電相關(guān)理論進(jìn)行分析，并提出解決方案，提高絕緣子的整體性能。

絕緣子污穢閃絡(luò)試驗(yàn)電源需要滿足《GB/T22707-2008-直流系統(tǒng)用高壓絕緣子的人工污穢試驗(yàn)》和《IEC61245-1993關(guān)于直流人工污穢試驗(yàn)電源》的相關(guān)規(guī)定，保證電壓的穩(wěn)定度達(dá)到1%。人工霧室一般設(shè)有雨霧發(fā)生器、懸掛裝置、排水裝置、換氣裝置、觀察窗和電氣試驗(yàn)回路等。試驗(yàn)前需確保最高試驗(yàn)電壓下人工霧室套管等部位不發(fā)生閃絡(luò)。

絕緣子污穢閃絡(luò)試驗(yàn)采用國(guó)內(nèi)外廣泛使用的人工污穢試驗(yàn)的固體污層法，其試驗(yàn)依據(jù)為：《GBT22707-2008-直流系統(tǒng)用高壓絕緣子的人工污穢試驗(yàn)》、《IEC61245-1993-直流系統(tǒng)用高壓絕緣子人工污穢試驗(yàn)方法》、《GB/T311.2-2002-絕緣配合第2部分：高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合使用導(dǎo)則》。

絕緣子的50%閃絡(luò)電壓計(jì)算方法：

式中：U50%為50%閃絡(luò)電壓，Ui為有效試驗(yàn)電壓；ni為有效試驗(yàn)電壓Ui現(xiàn)的總次數(shù)；N為有效試驗(yàn)的次數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差σ%。

基于高壓絕緣子的污閃特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)絕緣子污穢閃絡(luò)研究包括多方面：如同噸位下長(zhǎng)棒形瓷絕緣子與三傘形瓷絕緣子的污閃特性、瓷絕緣子與復(fù)合絕緣子的污閃特性；對(duì)雙串并聯(lián)長(zhǎng)棒形瓷絕緣子的污閃電壓特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過(guò)與單串絕緣子污閃特性對(duì)比，研究了并聯(lián)安裝對(duì)絕緣子污閃電壓的影響；絕緣子的材料和外形對(duì)其絕緣性能的影響等。

5 小結(jié)

本文通過(guò)調(diào)研形式論述了特高壓輸電中的絕緣子及其發(fā)展，重點(diǎn)介紹了近年來(lái)高壓絕緣子的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和絕緣子污穢研究的試驗(yàn)方法。特高壓輸電線路的絕緣子絕緣可靠性是保證輸電線路運(yùn)行的基本條件。在研究方面，需結(jié)合理論和試驗(yàn)研究絕緣子的污閃特性，提高絕緣子污閃電壓，為絕緣子的研發(fā)、生產(chǎn)和運(yùn)行提供理論支撐。

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