張克勝 薛利軍

摘 要：±1100kV直流棒形懸式復(fù)合絕緣子對絕緣距離、結(jié)構(gòu)高度和爬電距離有較高要求，因其需要承受較大的機械和電氣負荷，本文從結(jié)構(gòu)入手，重新對絕緣子的均壓環(huán)、傘裙和金具結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，綜合分析后選擇合適的芯棒的外套材料，滿足特高壓直流復(fù)合絕緣子的實際需要。

關(guān)鍵詞：特高壓直流；機械強度；棒形懸式復(fù)合絕緣子；均壓環(huán)

中圖分類號：TM216 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）06-0146-02

國家經(jīng)濟總量持續(xù)高速發(fā)展，對能源和電力的需要越來越大，能源供應(yīng)不足時國民經(jīng)濟發(fā)展的短板。根據(jù)預(yù)測，電力裝機容量達到10-12億千瓦方能滿足經(jīng)濟發(fā)展需求，同時對電力輸送提出更高要求。在今后的電網(wǎng)發(fā)展中，直流高壓輸電將會成為輸電發(fā)展方向。在高壓輸電線路中，絕緣子污穢問題比較嚴重，玻璃材料和瓷是目前耐高壓懸式絕緣子的主要組成成分。使用這種材料的絕緣子重量大、長度長，造成塔窗尺寸大、存在安全隱患等問題，需要研究新型適合±1100kV特高壓直流輸電線使用的復(fù)合絕緣子。

1 概述

±1100kV直流復(fù)合絕緣子屬于“新材料”技術(shù)領(lǐng)域的輸電設(shè)備，它的組成結(jié)構(gòu)由傘裙、芯棒、外護套、金屬端頭等部件組成。內(nèi)絕緣和機械負荷主要由芯棒承擔(dān)，外絕緣由護套和傘裙提供，并且避免空氣對芯棒的腐蝕[1]。復(fù)合絕緣子整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 產(chǎn)品尺寸及參數(shù)

±1100kV直流復(fù)合絕緣子需要更高的電氣及機械性能，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式在技術(shù)上與800kV復(fù)合絕緣子有諸多相同和不同，首先其組成結(jié)構(gòu)大體相同，均由芯棒、金具、均壓環(huán)、傘裙等組成，根據(jù)±1100kV直流高壓線路大多負責(zé)西電東送，使用環(huán)境差別大，要求其雷電沖擊耐受電壓不小于4950kV、直流濕耐受電壓不小于1250kV/min、濕操作沖擊耐受電壓不小于2500kV、機械負荷在850kN到1250kN之間，可見電暈電壓不小于+1290kV[2]。

3 芯棒參數(shù)

芯棒采用玻璃纖維屬于耐酸的耐高溫?zé)o堿芯棒，采用ECR改性型，芯棒是內(nèi)絕緣組成部分，并且承受巨大機械負荷，要求其抗拉強度大于1150MPa，并且完成4天70%額定負荷的耐酸試驗。

4 金具結(jié)構(gòu)及形式

從結(jié)構(gòu)形式上看，單節(jié)和雙節(jié)是±1100kV特高壓直流輸電線路復(fù)合絕緣子多采用的形式，單節(jié)絕緣子連接形式為環(huán)-環(huán)，雙節(jié)絕緣子為環(huán)-環(huán)，中間由腳球、帽窩進行連接。絕緣子在高壓直流電作用下，其表面電流的泄露對絕緣子本身產(chǎn)生腐蝕作用，對現(xiàn)有運行絕緣子進行檢查發(fā)現(xiàn)，腳球端金屬附件的正極和帽窩端金屬附件的負極多發(fā)生電解腐蝕，泄露電流隨著絕緣子污穢受潮和絕緣子表面電導(dǎo)的增加而增加，表面電流增大造成更嚴重的電解腐蝕。其解決方式是將鋅環(huán)熔鑄在帽窩金屬附件和腳球金屬附件接觸部分，鋅環(huán)多彩虹采用半包膠方式，鋅的純度為99.99%，鋅環(huán)的厚度5.5-6.5mm，外露部位的重量超過55g，鋅環(huán)的總重量均不小于130g。壓接工藝多用于復(fù)合絕緣子金具連接，能可靠增連接件的可靠性，并且壓接工藝簡單、可靠，較小的強度分散。壓接工藝的原理是采用大噸位的壓接機對端部金具進行擠壓產(chǎn)生塑性變形，對芯棒端部進行禁錮，金具與芯棒的接觸面上產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力。為達到較高的整體密封效果，對金具膠料充填處表面作打毛、涂膠、預(yù)烘處理，確保膠料與金具的粘接牢固，從而保證高壓絕緣子在機械性長周期運行可靠性上的要求。

5 傘裙材料及結(jié)構(gòu)

±1100kV直流復(fù)合絕緣子多采用硅橡膠作為材料，受制于硅橡膠加工技術(shù)，目前進口復(fù)合硅橡膠好于國內(nèi)同類產(chǎn)品，具有抵抗力強、耐老化、絕緣能力好等優(yōu)良電氣性能，適應(yīng)溫度范圍-50℃到+80℃，具備遷移性和恢復(fù)性特點且憎水性強，采用經(jīng)過處理，其表面可產(chǎn)生具有疏水性的白炭黑，增強與硅橡膠親合能力，傘裙材料采用硅橡膠可使其擁有優(yōu)異的抗紫線、耐老化性能；利于硅橡膠對其的包裹及硫化膠疏水性的提高。氫氧化鋁微粒采用進口硅烷偶聯(lián)劑處理，表面羥基在高溫下可引起硅氧鍵的斷裂，耐老化、耐紫外線性能也更好，由親水性變成憎水性，分散性更加均勻，阻燃性最優(yōu)，與硅氧烷分子的相溶性更好[3]。

對傘形結(jié)構(gòu)的設(shè)計是否合理直接關(guān)系到有效的絕緣子爬電距離。復(fù)合絕緣子的傘形一般分為四種結(jié)構(gòu)，分別為U型四傘結(jié)構(gòu)、雙U型七傘結(jié)構(gòu)、V型三傘結(jié)構(gòu)和W型五傘結(jié)構(gòu)。合理的設(shè)計可以提高絕緣子自動清潔污穢的能力。外絕緣配合是否恰當(dāng)是傘裙形狀設(shè)計的關(guān)鍵，其設(shè)計原則是復(fù)合硅橡膠與空氣界面的擊穿強度小于沿空氣的擊穿強度，避免爬電距離易被短接?！?100kV直流復(fù)合絕緣子傘形結(jié)構(gòu)可以提高產(chǎn)品外絕緣的電氣性能，應(yīng)采用五傘形組合，也就是W型。通過對四種傘形結(jié)構(gòu)的耐壓性能試驗結(jié)果和設(shè)計參數(shù)的對比，考慮到輸電工程設(shè)備常年運行在海拔高、覆冰、雪的惡劣環(huán)境，W型五傘結(jié)構(gòu)的復(fù)合絕緣子符合高壓輸電的要求。W型五傘結(jié)構(gòu)絕緣子耐冰閃、耐雨閃、耐霧閃、耐污性好、不易閃絡(luò)、沿面放電電壓高等突出優(yōu)點，±1100kV特高壓交流絕緣子均采用W型。

6 均壓環(huán)

復(fù)合絕緣子存在極不均勻的電場分布，尤其是強場區(qū)會出現(xiàn)在高電位一側(cè)。復(fù)合絕緣子的尺寸小，主電容油中間絕緣體和端頭，僅上、下兩端有金屬端頭。而傳統(tǒng)的瓷絕緣子串主要由瓷絕緣子串組成，兩者的電容結(jié)構(gòu)有很大不同。必須對復(fù)合絕緣子采用特殊結(jié)構(gòu)防止擊穿場強，可采用改善電場分布及引弧作用的圓形金屬保護環(huán)來實現(xiàn)。為了避免絕緣子的損壞，必須使空氣的擊穿場強大于絕緣子的最大場強，避免發(fā)生電暈放電導(dǎo)致無線電干擾和能量損失。采用圓形金屬保護環(huán)可以均勻復(fù)合絕緣子的電位分布，復(fù)合絕緣子收到電暈切割的影響會大幅降低，提高絕緣利用率。為了防止鳥害、冰雪侵襲和減少閃絡(luò)，同時改善絕緣子的電位分布，復(fù)合絕緣子均壓環(huán)易采用鋁合金制成，低壓端為了屏蔽高、低壓端的電場，應(yīng)采用封閉式結(jié)構(gòu)，高壓端絕緣子上、下端各裝一只均壓環(huán)，采用大、小均壓環(huán)結(jié)構(gòu)。

通過對增加均壓環(huán)的負荷絕緣子進行有限元三維電場分布仿真計算，計算結(jié)果十分理想，這種設(shè)計結(jié)構(gòu)可有效的改善復(fù)合絕緣子硅橡膠與金具連接處的電場分布，防止絕緣子金具端面電暈，保護金屬附件、芯棒及傘套不被電弧灼傷，小均壓環(huán)外側(cè)電場得到了有效的屏蔽，提高復(fù)合絕緣子的運行可靠性。

7 結(jié)語

我國中東部地區(qū)消耗了大部分電力資源，而中西部地區(qū)存有大量的化石能源，±1100kV特高壓遠距離輸電可以化解這種能源分布的不均衡的矛盾。目前根據(jù)800kV直流復(fù)合絕緣子的設(shè)計研發(fā)經(jīng)驗而設(shè)計出的±1100kV直流棒形懸式復(fù)合絕緣子，可以滿足實際運行工況對絕緣子技術(shù)要求，滿足目前裝配制造水平和電網(wǎng)對資源配置能力的要求。

參考文獻

[1]舒印彪，劉澤洪，高理迎，王紹武.800kV 6400MW特高壓直流輸電工程設(shè)計[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，（1）：1-8.

[2]騰國利，魏寧，徐禮賢.800kV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，（12）：83-86.

[3]張端峰，劉云鵬，邵士雯.800kV特高壓直流復(fù)合絕緣子電場有限元分析[J].華東電力，2011，（7）：1116-1119.