福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司 黃達(dá)洋
復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)主要包括傘裙、芯棒和端部金具,具有經(jīng)濟(jì)性優(yōu)異、重量小、可靠性高、憎水性能良好等優(yōu)勢(shì),一直以來(lái)在電力系統(tǒng)中扮演了重要角色。20世紀(jì)末期,硅橡膠材質(zhì)的復(fù)合絕緣子被首次應(yīng)用,極大地提高了我國(guó)輸電線路防污閃工作質(zhì)量。通過(guò)實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn),110kV線路時(shí)常會(huì)出現(xiàn)復(fù)合絕緣子發(fā)生閃絡(luò)故障,進(jìn)而引發(fā)線路跳閘,嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的供電可靠性。
據(jù)調(diào)查研究結(jié)果表明,引發(fā)復(fù)合絕緣子閃絡(luò)的原因有多種,主要包括外力破壞、污穢閃絡(luò)、覆冰/覆雪閃絡(luò)、雷擊閃絡(luò)以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)自身缺陷等,其中以復(fù)合絕緣子雷擊閃絡(luò)事故居首,占總閃絡(luò)事故的一半以上。另外,鳥(niǎo)糞、覆雪、覆冰、凝露等也是造成復(fù)合絕緣子閃絡(luò)事故的重要原因之一。因此,剖析復(fù)合絕緣子特性和各種故障的成因,對(duì)指導(dǎo)復(fù)合絕緣子更好地應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文從復(fù)合絕緣子特性分析入手,討論了不同類型的絕緣子故障產(chǎn)生的原因,最后提出科學(xué)防范措施,確保輸電線路運(yùn)行安全性。
復(fù)合絕緣子傘裙是一種高分子材料,主要成分是以Si-O鍵為主鏈結(jié)構(gòu)的聚硅氧烷材料,聚硅氧烷在經(jīng)過(guò)高溫硫化后發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的彈性體。對(duì)于復(fù)合絕緣子而言,憎水性及憎水性的遷移特性是其主要特性,同時(shí)也是硅橡膠合成絕緣子優(yōu)異的耐污濕閃絡(luò)的主要根源。憎水性是固體材料表面的一種重要物理性能,復(fù)合絕緣子是由有機(jī)硅高分子材料制備而成,因此具有良好的憎水性,這主要是由于聚硅氧烷分子極性弱,表面含有大量的非極性羥基團(tuán),材料的表面能極低,因此表現(xiàn)出極佳的憎水性。
在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,復(fù)合絕緣子長(zhǎng)期暴露于外部環(huán)境下,極易受到外部因素干擾,導(dǎo)致材料憎水性降低。當(dāng)風(fēng)吹過(guò),會(huì)在復(fù)合絕緣子串表面形成渦流,使得一些密度較大的粉塵(如金屬粉塵)留在絕緣子表面,日積月累下表面積淀的污穢層越積越厚,另外長(zhǎng)期高溫日曬的環(huán)境還加速了高分子材料的老化,導(dǎo)致絕緣子表面劣化,喪失憎水性,耐污功能顯著下降。
事實(shí)上,復(fù)合絕緣子在投入運(yùn)行后發(fā)生故障的主要原因是,由于外部環(huán)境因素和產(chǎn)品自身性能共同導(dǎo)致的,由于我國(guó)輸電線路敷設(shè)的復(fù)雜性,復(fù)合絕緣子要在不同環(huán)境條件下運(yùn)行,因此產(chǎn)生的故障類型也多種多樣??傮w來(lái)講,目前復(fù)合絕緣子產(chǎn)生故障主要原因大體包含鳥(niǎo)害、凝露、覆雪、覆冰、雷擊、污閃等,具體闡述如下。
根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)輸電線路故障統(tǒng)計(jì)分析,鳥(niǎo)害導(dǎo)致絕緣子閃絡(luò)故障近幾年呈上升趨勢(shì),特別是在每年的4月和9月,鳥(niǎo)害故障發(fā)生概率較高,相比于一些較高電壓等級(jí)的線路,110kV低電壓等級(jí)輸電線路由于線路絕緣串的長(zhǎng)度相對(duì)較短,因此發(fā)生鳥(niǎo)害故障概率大。鳥(niǎo)害故障中以鳥(niǎo)糞閃絡(luò)為首,鳥(niǎo)糞閃絡(luò)主要原因:一是鳥(niǎo)糞自身具有一定的導(dǎo)電性;二是鳥(niǎo)糞滴落到絕緣子串上,導(dǎo)致絕緣子串被污染,當(dāng)鳥(niǎo)糞累積量較大時(shí),導(dǎo)致絕緣子發(fā)生污閃。
郝金鵬等[1]對(duì)鳥(niǎo)糞在絕緣子附近滴落時(shí)的空間電場(chǎng)分布情況進(jìn)行了系統(tǒng)分析,建立了110kV輸電線路復(fù)合絕緣子鳥(niǎo)糞閃絡(luò)模型,研究了鳥(niǎo)糞長(zhǎng)度、均壓環(huán)、鳥(niǎo)糞滴落位置因素引起的空間電場(chǎng)的變化。研究結(jié)果表明,鳥(niǎo)糞長(zhǎng)度與距離絕緣子軸心水平距離是影響鳥(niǎo)糞閃絡(luò)的主要因素。鳥(niǎo)糞長(zhǎng)度越大,距離絕緣子軸心的距離越短,導(dǎo)致絕緣子故障概率增大。另外,復(fù)合絕緣子中均壓環(huán)的存在導(dǎo)致距離縮短,當(dāng)鳥(niǎo)糞長(zhǎng)度為1100mm時(shí),鳥(niǎo)糞閃絡(luò)的臨界距離為200mm。
近年來(lái),復(fù)合絕緣子凝露橋接閃絡(luò)故障也頻頻發(fā)生。通常,當(dāng)物體表面溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)會(huì)形成凝露,其中露點(diǎn)溫度Td滿足:
Td=T-(100-RH)/5
式中:T為環(huán)境溫度,RH為環(huán)境濕度。
在秋冬季節(jié),大氣環(huán)境溫度較低,基體表面溫度會(huì)與大氣環(huán)境溫度存在一定的溫差,光照強(qiáng)度、光照時(shí)間以及工件厚度都會(huì)影響溫差大小,在這種溫差條件下,材料表面可能發(fā)生凝露。液滴從基體表面滴落需要滿足的條件是:
mg=πr·cosθ·γ
式中:m代表液滴的質(zhì)量;g為重力加速度;r是液滴的半徑;γ為水的表面張力。
通常,同一平面中相鄰液滴之間的距離約為2cm,因此可求得相鄰兩次凝露滴水之間的時(shí)間間隔應(yīng)不大于171min,當(dāng)復(fù)合絕緣子表面還有鳥(niǎo)糞等污穢時(shí),會(huì)縮短相鄰兩次凝露滴水之間的時(shí)間間隔,因此復(fù)合絕緣子每個(gè)傘裙表面上的每次的凝露滴水量會(huì)誘發(fā)傘裙間空氣間隙擊穿放電,發(fā)生絕緣子閃絡(luò)。
當(dāng)輸電線路表面負(fù)載大量積雪時(shí),會(huì)對(duì)線路的機(jī)械性能和電氣性能產(chǎn)生不利影響,導(dǎo)致絕緣子沿面電場(chǎng)發(fā)生畸變,發(fā)生局部放電和電弧,引發(fā)復(fù)合絕緣子閃絡(luò)故障。
王濤等[2]針對(duì)覆雪引發(fā)復(fù)合絕緣子閃絡(luò)故障進(jìn)行了系統(tǒng)研究,以110kV復(fù)合絕緣子為研究對(duì)象,重點(diǎn)對(duì)覆雪的厚度、空氣間隙位置和長(zhǎng)度等對(duì)絕緣子沿面電場(chǎng)分布的影響進(jìn)行了討論。試驗(yàn)結(jié)果顯示,大量覆雪導(dǎo)致了絕緣子沿面電場(chǎng)發(fā)生畸變,與未覆雪的復(fù)合絕緣子相比,表面沉積積雪的絕緣子沿面最大場(chǎng)強(qiáng)提高了將近3.4倍,并且隨著覆雪厚度的增加,局部場(chǎng)強(qiáng)逐漸增大;另外,當(dāng)覆雪的絕緣子表面存在空氣間隙時(shí),由于空氣間隙承擔(dān)了絕緣子大部分壓降,導(dǎo)致了間隙處的場(chǎng)強(qiáng)較大。
在復(fù)合絕緣子閃絡(luò)故障中,雷擊閃絡(luò)發(fā)生概率較高,占總閃絡(luò)事故率的50%以上。通常來(lái)講,電極間的干弧距離是決定絕緣子串臨界沖擊閃絡(luò)電壓的關(guān)鍵,而與材質(zhì)本身影響不大。但事實(shí)上,復(fù)合絕緣子發(fā)生雷擊故障閃絡(luò)概率也較高,這是因?yàn)閺?fù)合絕緣子的傘裙直徑在80~160mm,而其他類型絕緣子,如瓷絕型和玻璃型絕緣子其傘裙直徑均在254mm以上,可見(jiàn)對(duì)于相同串長(zhǎng)而言,復(fù)合絕緣子的空間電弧距離更小一些,導(dǎo)致其耐雷水平較低,易發(fā)生閃絡(luò)。在復(fù)合絕緣子的工程應(yīng)用中,可考慮合理加大復(fù)合絕緣子的串長(zhǎng)來(lái)保證一定的干弧距離,提升復(fù)合絕緣子的耐雷水平,提升復(fù)合絕緣子的使用安全性。
復(fù)合絕緣子傘裙材質(zhì)為硅橡膠,具有優(yōu)異的憎水性能,但由于復(fù)合絕緣子長(zhǎng)期暴露于大氣環(huán)境中,導(dǎo)致硅橡膠材質(zhì)發(fā)生老化、性能下降,另外在長(zhǎng)期運(yùn)行下復(fù)合絕緣子表面還會(huì)積污,如不進(jìn)行及時(shí)清理會(huì)使得污染物積累的量越來(lái)越多,致使傘裙憎水性降低,加大了污閃故障發(fā)生的概率。但與常規(guī)其他類型絕緣子(如玻璃、瓷絕緣子)相比,復(fù)合絕緣子在污閃方面體現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)。
產(chǎn)品自身設(shè)計(jì)、質(zhì)量問(wèn)題直接決定了復(fù)合絕緣子的整體性能。芯棒是復(fù)合絕緣子的“心臟”,當(dāng)芯棒遭受破壞如發(fā)生擊穿、斷裂等會(huì)導(dǎo)致復(fù)合絕緣子難以發(fā)揮作用,另一個(gè)重要問(wèn)題就是復(fù)合絕緣子芯棒與傘套界面之間的密封情況,當(dāng)密封不良存在縫隙時(shí),外界污染物易于進(jìn)入內(nèi)部腐蝕芯棒。與此同時(shí),還要注意均壓裝置設(shè)計(jì)的合理性,一旦均壓裝置設(shè)計(jì)不當(dāng)或安裝使用方法不科學(xué),都會(huì)降低保護(hù)效果。
一旦復(fù)合絕緣子投入應(yīng)用后,要做好定期檢查工作,主要檢查項(xiàng)目包括機(jī)械性能、憎水性能、老化性能以及電氣性能等,建立使用臺(tái)賬,做好數(shù)據(jù)記錄。另外,對(duì)于一些運(yùn)行年限較長(zhǎng)的復(fù)合絕緣子,還要加強(qiáng)對(duì)外觀和老化性能的檢測(cè)評(píng)估,縮短檢查周期,一旦發(fā)現(xiàn)傘套材料脆化、粉化、破裂等問(wèn)題要引起注意,必要及時(shí)進(jìn)行及時(shí)更換。
現(xiàn)階段,電力系統(tǒng)在預(yù)防鳥(niǎo)害方面制定多項(xiàng)措施,如安裝防鳥(niǎo)刺、防鳥(niǎo)罩、風(fēng)鈴等來(lái)驅(qū)趕鳥(niǎo)類或者不讓其停留在復(fù)合絕緣子正上方。近年來(lái),隨著復(fù)合絕緣子鳥(niǎo)糞閃絡(luò)故障發(fā)生概率加大,研究人員在防鳥(niǎo)措施方面不斷優(yōu)化,主要包括:一是優(yōu)化防鳥(niǎo)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)??稍邙B(niǎo)罩上加工一些溝槽或加裝引流板來(lái)引導(dǎo)鳥(niǎo)糞滴落方向;二是安裝新型防鳥(niǎo)裝置。如超聲波驅(qū)鳥(niǎo)器、聲光型驅(qū)鳥(niǎo)器等,通過(guò)播放鳥(niǎo)類敏感聲音來(lái)驅(qū)趕鳥(niǎo)類遠(yuǎn)離桿塔;三是加強(qiáng)復(fù)合絕緣子外形及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),使得鳥(niǎo)類不易在絕緣子上站立;四是多種防鳥(niǎo)裝置聯(lián)合應(yīng)用加強(qiáng)防護(hù)。
近年來(lái),隨著復(fù)合絕緣子技術(shù)的日趨成熟在電力系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用,但由于與其他類型絕緣子相比,復(fù)合絕緣子工程應(yīng)用時(shí)間較短,因此在耐雷水平設(shè)計(jì)方面還不夠完善,導(dǎo)致閃絡(luò)事故不斷發(fā)生。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)合絕緣子均安裝了屏蔽環(huán),使得復(fù)合絕緣子傘裙間距被壓縮,致使耐雷性能下降?,F(xiàn)階段,技術(shù)人員對(duì)復(fù)合絕緣子進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化,大大降低了復(fù)合絕緣子雷擊閃絡(luò),開(kāi)發(fā)了一種經(jīng)濟(jì)性優(yōu)異,耐雷性能良好的強(qiáng)耐雷復(fù)合絕緣子,通過(guò)在第2片和第4片絕緣子上增加2片金屬鋁箔貼膜,來(lái)改善絕緣子的電容分布,限制雷電過(guò)電壓作用在絕緣子上電場(chǎng)分布畸變,實(shí)現(xiàn)降低絕緣子閃絡(luò)事故,另外金屬鋁箔具有優(yōu)異的柔韌性和延展性,可設(shè)計(jì)性較強(qiáng),方便易施工,還具有極佳的導(dǎo)熱性能,易于實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn),因此具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。
雨雪、大風(fēng)、凝露等是一種自然現(xiàn)象,難以避免。近年來(lái),由于大雪、冰凍天氣的頻繁出現(xiàn),給輸電線路的防冰和除冰工作帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)。功能涂料是一種新型的功能材料,作為一種新型防冰技術(shù)在電力系統(tǒng)得到了廣泛關(guān)注,通過(guò)在復(fù)合絕緣子表面涂覆功能性涂料,一方面由于涂層具有優(yōu)異的拒水性,減小了冰雪的附著力,使得覆冰易于從絕緣子表面脫除,另一方面是有效減少過(guò)冷卻水滴的捕獲率,來(lái)減少絕緣子的覆冰重量。
目前,代表性的復(fù)合絕緣子用功能涂料有超疏水涂料、電熱型涂料和光熱型涂料[3],具體闡述如下:
一是超疏水涂料。超疏水涂料也稱拒水涂料,將該材料涂覆在復(fù)合絕緣子表面會(huì)賦予絕緣子優(yōu)異的憎水性,其表面接觸角通常不小于150°,當(dāng)水滴滴落至復(fù)合絕緣子表面時(shí),在基于材料優(yōu)異的憎水性下,水滴大多呈珠狀分布而順利從涂層表面滑落,未在復(fù)合絕緣子表面鋪展,進(jìn)而減少覆冰發(fā)生的概率。
二是電熱型涂料。電熱型涂料按照黏結(jié)劑的類型可分為無(wú)機(jī)系和有機(jī)系,其中無(wú)機(jī)系電熱涂料應(yīng)用更為廣泛,無(wú)機(jī)系電熱涂料主要是通過(guò)將一些具有導(dǎo)電功能的粒子(如金屬粉體、金屬氧化物粉體、石墨粉等)加入涂料中,絕緣子在覆冰過(guò)程中表面涂層產(chǎn)生泄漏電流,產(chǎn)生一定的電熱效應(yīng),致使冰層融化,減少?gòu)?fù)合絕緣子的覆冰量。
三是光熱型涂料。通過(guò)在涂料中加入具有一定吸光性能的功能填料,來(lái)調(diào)控涂層的太陽(yáng)光吸收率,進(jìn)而將光能轉(zhuǎn)換為熱能,已達(dá)到減少覆冰量的效果。該技術(shù)具有綠色、安全、可持續(xù)的特點(diǎn),具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。
架空輸電線路在電力系統(tǒng)中占據(jù)重要位置,一旦發(fā)生故障將會(huì)給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)較大損失。降低復(fù)合絕緣子故障率是確保輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要途徑之一,在實(shí)際工作中,要選用強(qiáng)耐雷絕緣子,并加強(qiáng)對(duì)復(fù)合絕緣子積污狀況的監(jiān)測(cè),對(duì)于覆冰區(qū)應(yīng)采用大盤(pán)徑、大傘裙結(jié)構(gòu)復(fù)合絕緣子,合理制定防范鳥(niǎo)害故障措施,并加強(qiáng)新材料、新技術(shù)的應(yīng)用,完善復(fù)合絕緣子功能,提高復(fù)合絕緣子的運(yùn)行可靠性。