熊春宇

大慶油田工程有限公司

絕緣子是用來支持導(dǎo)體并使其絕緣的器件,能夠耐受電壓和機(jī)械應(yīng)力作用.在架空線路中,絕緣子主要用于牢固地支持和固定載流導(dǎo)線,并在載流導(dǎo)線與支撐金具之間形成良好的絕緣.絕緣子作為一種特殊的絕緣控件,在架空輸電線路中起著重要作用.絕緣子不應(yīng)該由于環(huán)境和電負(fù)荷條件發(fā)生變化而失效,否則就會降低整條線路的使用和運(yùn)行壽命[1].

1 絕緣子的發(fā)展過程

作為輸電線路主要構(gòu)件之一的絕緣子,可由4種材質(zhì)構(gòu)成,即陶瓷、玻璃、有機(jī)復(fù)合和聚合金硅絕緣子.

1.1 瓷絕緣子

自電源誕生起,輸電的絕緣器件一直沿用陶瓷質(zhì)絕緣子(以下簡稱瓷絕緣子).瓷絕緣子具有機(jī)械強(qiáng)度高、電絕緣強(qiáng)度好、使用壽命長、抗氣候變化的性能強(qiáng)、組裝靈活等優(yōu)點,長期以來受到電力部門的重視和采用.但是,隨著科技的進(jìn)步和電力產(chǎn)品迫切發(fā)展的需求,常規(guī)瓷絕緣子的生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品的機(jī)電性能呈現(xiàn)出諸多不足[2].首先,瓷絕緣子生產(chǎn)周期長、工序多,實現(xiàn)機(jī)械化、自動化生產(chǎn)的難度大,受原材料的材質(zhì)尤其是礦物原料的質(zhì)量波動影響大,又因其在生產(chǎn)過程中受工藝因素影響較多,產(chǎn)品質(zhì)量時有波動,給輸電線路安全運(yùn)行帶來隱患.其次,在輸電線路架設(shè)前,需對瓷絕緣子逐只搖測絕緣電阻或做耐受電壓等預(yù)防性試驗,在電力運(yùn)行過程中需登塔逐只帶電檢測,每年需要花費(fèi)大量的人力和物力.而且檢測的準(zhǔn)確率在很大程度上受到大氣濕度、人工調(diào)整火花間隙的大小、作業(yè)人員的經(jīng)驗和責(zé)任心等因素的影響,難免有漏檢或錯判的瓷絕緣子仍在線路上運(yùn)行,給電力線路安全運(yùn)行留下隱患.

1.2 玻璃絕緣子

為解決瓷絕緣子在產(chǎn)品性能和生產(chǎn)工藝上的不足,20世紀(jì)30年代,英國首先在輸電線路上試用退火玻璃絕緣子.但因其機(jī)械強(qiáng)度低,耐冷熱急變的溫差小(35 K),于1933年轉(zhuǎn)產(chǎn)盤形懸式鋼化玻璃絕緣子(以下簡稱玻璃絕緣子).玻璃絕緣子是瓷絕緣子派生產(chǎn)品,能夠彌補(bǔ)瓷絕緣子的不足.玻璃絕緣子的生產(chǎn)過程可以實現(xiàn)機(jī)械化和自動化,工序少(元件制造僅四道工序),能實行計算機(jī)控制,工藝因素影響少,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定.而且鋼化玻璃件不易老化,產(chǎn)品使用壽命長.另外,玻璃絕緣子具有零值自爆的特性,鋼化玻璃的每種損壞都會造成絕緣子的破壞,運(yùn)行人員在巡線時很容易發(fā)現(xiàn),使之具有便于檢測的優(yōu)點[3].

1.3 有機(jī)復(fù)合絕緣子

20世紀(jì)60年代,法國在美國投產(chǎn)了玻璃絕緣子生產(chǎn)線,產(chǎn)品在輸電線路上取得了較好的運(yùn)行業(yè)績.但是,由于在美國大量私人擁有槍支,槍擊輸電線路絕緣子尤其是玻璃絕緣子的事件頻繁發(fā)生,愈演愈烈,形成了公害,電網(wǎng)的停電事故時有發(fā)生.為穩(wěn)定美國電網(wǎng)安全,科技人員研制出有機(jī)復(fù)合絕緣子,基本上解決了絕緣子受到槍擊破壞的問題.同時該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單,與瓷絕緣子和玻璃絕緣子相比,其電氣和機(jī)械性能可調(diào)范圍大,加之體積小、質(zhì)量輕、耐污性能強(qiáng)和無須檢測零值等優(yōu)點,已成為電力部門大量采用的新一代絕緣子[4].

有機(jī)復(fù)合絕緣子在我國研制并大批量應(yīng)用是在20世紀(jì)80年代,主要用來提高絕緣子的防污能力.原因是我國工業(yè)化程度的加速發(fā)展,大氣污染日趨嚴(yán)重,電網(wǎng)污閃事故不斷發(fā)生.為遏制污閃事故,有機(jī)復(fù)合絕緣子獲得蓬勃發(fā)展的機(jī)遇.但在發(fā)展中亦存在一些不足之處:如生產(chǎn)廠家眾多,質(zhì)量分散性較大,芯棒脆斷時有發(fā)生;蠕變導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度下降,尤其是積污層過厚,憎水性能得不到瞬時恢復(fù),導(dǎo)致污閃事故重演.

1.4 聚合金硅絕緣子

從2001年開始,我國開始創(chuàng)新研發(fā)聚合金硅絕緣子.歷時15年,聚合金硅絕緣子研發(fā)成功.聚合金硅絕緣子具有傘裙機(jī)械強(qiáng)度高、硬度大、電氣性能好的特點.配以優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)的芯棒,聚合金硅絕緣子材料的性能和產(chǎn)品的機(jī)電強(qiáng)度均優(yōu)于目前生產(chǎn)的復(fù)合絕緣子,尤其是它的體積電阻達(dá)到10X 1015Ω,是瓷和玻璃絕緣子難以達(dá)到的,可以大批量地應(yīng)用在交流和直流輸電線路上.另外,聚合金硅絕緣子的傘裙光滑無棱,不易積污且硬度高,有利于線路維護(hù)人員進(jìn)行清掃.

2 絕緣子應(yīng)用及存在的問題

油田配電線路一般采用10(6)kV架空線路,大部分線路采用瓷絕緣子,部分采用復(fù)合絕緣子.從2015年開始,油田開始掛網(wǎng)試用聚合金硅絕緣子.玻璃絕緣子一般用于35 kV以上架空線路,在油田10(6)kV架空線路使用較少.

2.1 瓷絕緣子

(1)支柱瓷絕緣子.支柱瓷絕緣子由鐵帽、絕緣瓷件和鋼腳組成,并用膠合劑膠合為一體[5].支柱瓷絕緣子在油田10(6)kV架空線路應(yīng)用極為廣泛,主要用于直線桿、分支桿上,具有絕緣、支撐固定導(dǎo)線的作用.支柱瓷絕緣子絕緣性能優(yōu)良,使用過程中很少發(fā)生絕緣子擊穿故障.但是,由于支柱瓷絕緣子采用"瓷包鐵"結(jié)構(gòu),部件之間采用膠合方式連接,兩種材質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度和熱膨脹系數(shù)均不同,在氣溫較低時,兩種材質(zhì)交接處形成熱應(yīng)力,易發(fā)生斷裂,造成線路接地故障,需要停電更換.以喇嘛甸油田為例,2016-2018年配電線路共發(fā)生支柱瓷絕緣子斷裂28起,其中大部分發(fā)生在12月至次年3月溫度極低的冬季.

(2)懸式瓷絕緣子.懸式瓷絕緣子由瓷絕緣件和金屬附件(如鋼腳、鐵帽、法蘭等)通過膠合劑膠合或機(jī)械卡裝而成[6].懸式瓷絕緣子在油田10(6)kV架空線路應(yīng)用也很廣泛,主要用于分支桿、轉(zhuǎn)角桿、耐張桿和終端桿上,具有絕緣、牽引固定導(dǎo)線的作用.由于單片懸式瓷絕緣子經(jīng)常發(fā)生雷擊閃絡(luò),直至絕緣擊穿,在油田一般采用加裝雙片懸式瓷絕緣子的方法,以增大爬電距離,提高絕緣性能,避免絕緣子雷擊擊穿故障.但是,由于雙片懸式瓷絕緣子質(zhì)量成倍增加,長期運(yùn)行易造成導(dǎo)線弛度增大,導(dǎo)致導(dǎo)線相間距離不足,造成相間短路跳閘故障.喇嘛甸油田僅在2018年就發(fā)生過13起此類故障,造成線路跳閘停電.

2.2 玻璃絕緣子

玻璃絕緣子在油田中主要用于35 kV以上架空線路.由于其電擊穿強(qiáng)度、抗老化性、耐油污性、耐電弧性能等均優(yōu)于瓷絕緣子,在油田35 kV以上架空線路應(yīng)用很廣泛.

2.3 有機(jī)復(fù)合絕緣子

有機(jī)復(fù)合絕緣子主要由玻璃纖維環(huán)氧樹脂引拔棒、硅橡膠傘裙、金具三部分組成.其硅橡膠傘裙采用整體注壓工藝,從而解決了影響有機(jī)復(fù)合絕緣子可靠性的關(guān)鍵問題(界面擊穿).玻璃引拔棒與金具的聯(lián)結(jié)采用最先進(jìn)的壓接工藝,配有全自動聲波探傷檢測系統(tǒng),具有強(qiáng)度高、外型美觀、體積小等特點[7].有機(jī)復(fù)合絕緣子在油田10(6)kV架空線路雖應(yīng)用較少,但使用效果較好.存在的問題是傘裙易被鳥啄壞,造成絕緣子絕緣性能下降.

2.4 聚合金硅絕緣子

聚合金硅絕緣子由聚合金硅絕緣材料制成,聚合金硅絕緣子串由環(huán)氧樹脂玻纖棒、聚合金硅傘套傘裙、金屬件三部分組成.產(chǎn)品質(zhì)量輕,僅為瓷質(zhì)絕緣子質(zhì)量的35%,不易碎,易于裝卸和運(yùn)輸,可以大大減少配電線路和電桿的荷載,避免導(dǎo)線拉伸導(dǎo)致導(dǎo)線弛度增大造成的相間短路故障.

喇嘛甸油田從2017年起開始采用聚合金硅絕緣子替換油田配電線路斷裂的瓷支柱絕緣子,采用聚合金硅絕緣子串替換相間短路故障點的雙片懸式瓷絕緣子,使用后未再發(fā)生故障.

聚合金硅絕緣材料是由兩種高分子聚合物和硅化合物材料合金改性而成的一種新型合金絕緣材料,呈白色固體顆粒狀,具有熱塑特性,其流動性好,易加工,合金材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,絕緣性優(yōu)異,且具有抗電擊穿、抗拉伸等性能.聚合金硅絕緣子具有以下優(yōu)越性:

(1)比瓷絕緣子、復(fù)合絕緣子具有更好的電氣性能.

(2)可設(shè)計多種結(jié)構(gòu)尺寸,滿足不同電氣性能和機(jī)械性能,可避免鼠類、鳥類的侵害;結(jié)構(gòu)形狀

表1 瓷、玻璃、有機(jī)復(fù)合和聚合金硅絕緣子技術(shù)性能對比Tab.1 Technical properties comparison of porcelain,glass,organic composite and polymeric gold silicon insulators

3 聚合金硅絕緣子的優(yōu)越性

穩(wěn)定,在風(fēng)沙、臺風(fēng)、雷雨、暴雪等惡劣氣象環(huán)境下形狀穩(wěn)定,有利于線路安全運(yùn)行.符合我國瓷絕緣子的各項指標(biāo)要求,且比其具有更優(yōu)異的憎水性能,同時滿足美國ANS129.5、ANS129.6標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求.

(3)設(shè)計耦合多層傘裙結(jié)構(gòu),具有遞降的直徑和長爬距,比瓷絕緣子更具有可設(shè)計性,可滿足不同電氣性能需求.

(4)一旦傘裙表面匯聚較多水分和污穢時具有自動下流的特性,其耐污穢性能遠(yuǎn)優(yōu)于瓷絕緣子.

(5)采用高抗沖擊設(shè)計,特別是在低溫條件下,更具有優(yōu)勢.

(6)材料質(zhì)量輕、強(qiáng)度高,絕緣子本體具有荷載能力,其質(zhì)量僅是瓷絕緣子材料的35%,大大減少了運(yùn)輸費(fèi)用和安裝工作量,且減小了安裝人員高空作業(yè)的風(fēng)險.

(7)可減小對輸電線纜的磨損,保護(hù)了線纜.

(8)無線電干擾極小,減小了線路無線電干擾程度.

(9)具有穩(wěn)定的耐紫外線老化性能,經(jīng)1 000 h全天候老化試驗后仍保持優(yōu)異的特性,其使用壽命可達(dá)30~35年.

(10)材料可回收再生循環(huán)使用,環(huán)保性強(qiáng).

目前在輸電線路上常用的有瓷、玻璃、有機(jī)復(fù)合、聚合金硅4種絕緣子,因材質(zhì)不同和生產(chǎn)工藝各異,在技術(shù)性能上各不相同[8].4種絕緣子的技術(shù)性能對比見表1.從對比結(jié)果上可以看出,聚合金硅絕緣子彌補(bǔ)了另外3種絕緣子的不足,更具有綜合優(yōu)勢.

4 結(jié)束語

聚合金硅絕緣子與傳統(tǒng)的瓷、玻璃、有機(jī)復(fù)合絕緣子相比具有更優(yōu)異的綜合性能,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)絕緣子性能的不足.聚合金硅絕緣子具有絕緣性能更好,抗雷電性能更強(qiáng),體積小、質(zhì)量輕,便于安裝,運(yùn)行更安全的特點,可進(jìn)一步提高油田配電線路輸電的穩(wěn)定性和可靠性.在喇嘛甸油田試用2年來,從未發(fā)生過絕緣子斷裂、擊穿事故,也未發(fā)生過因絕緣子太重造成的導(dǎo)線弛度增大而導(dǎo)致的相間短路故障,值得在油田大力推廣應(yīng)用.