500 kV復(fù)合絕緣子現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及提高運(yùn)行可靠性研究

姜 輝，段世杰

(遼寧省電力有限公司檢修分公司，遼寧 沈陽(yáng) 110003)

復(fù)合絕緣子由于其重量輕、強(qiáng)度高、耐污閃能力強(qiáng)、便于制造維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)110～750 kV輸電線(xiàn)路及變電站得到廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)80年代中期應(yīng)用到電力系統(tǒng)使用時(shí)間近25年，在運(yùn)絕緣子數(shù)量約500萬(wàn)只。復(fù)合絕緣子在運(yùn)行中發(fā)生的主要故障為運(yùn)行中閃絡(luò) (雷擊、污閃、鳥(niǎo)害、外力等)和運(yùn)行中損壞 (界面擊穿、芯棒斷裂和脆斷、芯棒脫出等)。當(dāng)芯棒斷裂和脫串導(dǎo)致導(dǎo)線(xiàn)墜地時(shí)，將發(fā)生嚴(yán)重事故，搶修費(fèi)時(shí)費(fèi)力，造成重大損失。

遼寧省電力有限公司檢修分公司有多條500 kV輸電線(xiàn)路使用復(fù)合絕緣子，連續(xù)運(yùn)行年限最長(zhǎng)接近15年，已臨近開(kāi)始頻發(fā)事故的年限，有必要采取措施，防止事故于未然。

芯棒斷裂事故直接和絕緣子高壓端的高場(chǎng)強(qiáng)和分布電壓相關(guān)，過(guò)高的場(chǎng)強(qiáng)導(dǎo)致界面局部放電，與之相關(guān)的化學(xué)腐蝕和電腐蝕導(dǎo)致芯棒碳化和脆斷。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)此已進(jìn)行了大量研究［1－5］，并進(jìn)行了數(shù)學(xué)模擬和計(jì)算［6－8］。有關(guān)單位曾對(duì)330 kV復(fù)合絕緣子進(jìn)行實(shí)測(cè)［9］，但對(duì)500 kV復(fù)合絕緣子而言，目前尚未在實(shí)際運(yùn)行線(xiàn)路上進(jìn)行過(guò)沿面場(chǎng)強(qiáng)和電壓分布的精確實(shí)測(cè)，缺少定量數(shù)據(jù)。

因此，針對(duì)以上情況，在遼寧省電力有限公司檢修分公司500 kV輸電線(xiàn)路上，進(jìn)行了500 kV復(fù)合絕緣子沿面場(chǎng)強(qiáng)和電壓分布的實(shí)測(cè)，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，提出提高其運(yùn)行可靠性的改進(jìn)措施，防止在今后運(yùn)行中出現(xiàn)惡性事故，亦可作為線(xiàn)路設(shè)計(jì)和新產(chǎn)品制造、訂貨的參考。

1 實(shí)測(cè)方法

1.1 絕緣子及桿型

在500 kV沙蒲1號(hào)線(xiàn)34號(hào)鐵塔上進(jìn)行測(cè)量，該塔塔型為貓頭ZB2型 (如圖1所示)，塔高35 m，邊相導(dǎo)線(xiàn)懸掛點(diǎn)高度25 m，導(dǎo)線(xiàn)為4×LGJ－400 mm2導(dǎo)線(xiàn)。復(fù)合絕緣子型號(hào)為FXBW4－500/210，結(jié)構(gòu)高度4 450 mm，爬電距離13 750 mm。傘裙型式為一大兩小，共有大傘30個(gè)，小傘59個(gè)，大傘間距130 mm，上下均壓環(huán)，絕緣距離3 980 mm。均壓環(huán)的抬高距Δh≈0(如圖2所示)。

1.2 測(cè)量方法

使用GDC200光纖傳感場(chǎng)強(qiáng)/分布電壓測(cè)試儀進(jìn)行帶電測(cè)量。探頭為基于泡克爾 (Pockels)電光效應(yīng)的晶體傳感器［10－11］，該傳感器體積小 (20 mm×26 mm×60 mm)、沒(méi)有金屬附件，不會(huì)畸變被測(cè)空間電場(chǎng)的分布，僅把探頭置于空間測(cè)量點(diǎn)即可進(jìn)行測(cè)量。傳感器和儀器機(jī)箱 (置于地面上)之間由光纜隔離，可避免高壓電磁場(chǎng)干擾，并充分保證安全，測(cè)量精度為±2.5%。

測(cè)量人員登塔，利用絕緣操作桿將探頭自下而上分別置于復(fù)合絕緣子各傘裙裙緣處，測(cè)量各點(diǎn)的軸向電場(chǎng) (如圖3所示)，再按軸向電場(chǎng)積分可求出復(fù)合絕緣子的軸向電位分布。

圖3 測(cè)點(diǎn)位置

2 測(cè)量結(jié)果

500 kV復(fù)合絕緣子沿面工頻軸向場(chǎng)強(qiáng)實(shí)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)沿面工頻軸向場(chǎng)強(qiáng)實(shí)測(cè)結(jié)果，可得500 kV復(fù)合絕緣子軸向電壓分布曲線(xiàn)如圖5所示。

3 測(cè)量結(jié)果分析

a.由圖4可知，高壓端部的場(chǎng)強(qiáng)最大 (Emax=6.5 kV/cm)，為復(fù)合絕緣子平均場(chǎng)強(qiáng) (Ecp=0.73 kV/cm)的8.9倍。不均勻系數(shù)δE= (Emax－Ecp) /Ecp為 7.9。

整個(gè)復(fù)合絕緣子上鋼帽部位的芯棒承受最大工頻場(chǎng)強(qiáng)。高場(chǎng)強(qiáng)在以下兩方面將加速芯棒的劣化:一是在端部密封不盡理想或端部RTV粘膠劑受電暈腐蝕發(fā)生老化，過(guò)高場(chǎng)強(qiáng)加快水分和起因于電暈的NO2與水反應(yīng)生成的硝酸類(lèi)物質(zhì)沿護(hù)套與芯棒間界面的細(xì)微氣隙向高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)遷移和滲透，加劇了芯棒的酸性腐蝕;二是用環(huán)氧玻璃纖維引拔棒制成的芯棒，因內(nèi)部?jī)H有縱向纖維而無(wú)橫向纏繞纖維，能承受很大拉力但不能承受過(guò)大的扭力等應(yīng)力。由于制造缺陷及外部應(yīng)力作用，內(nèi)部易生成縱向微裂紋。按微裂紋形狀的不同，微裂紋兩端的場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)外施場(chǎng)強(qiáng)的5～10倍。在高場(chǎng)強(qiáng)作用下，微裂紋加速發(fā)展，導(dǎo)致芯棒的電老化。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)亦表明，芯棒脆斷多發(fā)生在這一部位。因此，應(yīng)盡可能降低此部位芯棒上的最大場(chǎng)強(qiáng)值。

b.由圖5可知，電壓主要分布在合成絕緣子的高壓側(cè)。500 kV復(fù)合絕緣子高壓側(cè)電壓分布如表1所示。

表1 高壓端不同長(zhǎng)度電壓分布 (相電壓291 kV)

由表1可見(jiàn)，500 kV復(fù)合絕緣子電壓分布很不均勻，近1/4相電壓分布在高壓側(cè)約1/20長(zhǎng)度上，近1/3相電壓分布在高壓側(cè)約1/10長(zhǎng)度上，近60%相電壓分布在高壓側(cè)約1/3長(zhǎng)度上，近70%的相電壓分在1/2長(zhǎng)度上。

將1組傘裙 (1大傘和2小傘)的分布電壓稱(chēng)之為傘裙分布電壓ΔU，則其最大值ΔUmax為靠近導(dǎo)線(xiàn)的第一組傘裙，ΔUmax=49.3 kV，為平均值(9.7 kV)的5倍。因此，在第一組傘裙上長(zhǎng)期作用了5倍的過(guò)電壓。

因每組傘裙組的泄漏距離為45.7 cm，第1組傘裙的泄漏比距僅為0.92 cm/kV。因此，第1組傘裙很容易發(fā)生沿面局放及污穢放電，將影響整只絕緣子的污閃放電特性，同時(shí)也加速了硅橡膠材料的電蝕和老化。

4 提高運(yùn)行可靠性的改進(jìn)措施

a.沙蒲1號(hào)線(xiàn)所用復(fù)合絕緣子的均壓環(huán)結(jié)構(gòu)不盡合理，高度偏低、抬高距Δh≈0，由實(shí)測(cè)結(jié)果可知，均壓環(huán)未起到均壓作用，導(dǎo)致高壓端最大軸向場(chǎng)強(qiáng)達(dá)6.5 kV/cm，5%長(zhǎng)度上的分布電壓達(dá)67 kV(23.1%)。成為絕緣子高壓端老化、芯棒脆斷等故障的主要原因和隱患。考慮到該線(xiàn)路投運(yùn)已經(jīng)超過(guò)10年，復(fù)合絕緣子的老化故障逐漸顯露，結(jié)合本地區(qū)和國(guó)內(nèi)復(fù)合絕緣子的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，需采取可靠措施防止因復(fù)合絕緣子故障引發(fā)線(xiàn)路重大事故［12］。

b.在校核導(dǎo)線(xiàn)對(duì)鐵塔空氣間隙距離的基礎(chǔ)上，建議給全線(xiàn)復(fù)合絕緣子或至少在重點(diǎn)地區(qū)(重污區(qū)、多雷區(qū)、重冰區(qū)等)的復(fù)合絕緣子的高壓端各加掛1片玻璃絕緣子。

c.對(duì)空氣間隙受限制的桿塔，在絕緣子兩均壓環(huán)之間的空氣間隙放電距離滿(mǎn)足要求的基礎(chǔ)上，將現(xiàn)有均壓環(huán)更換為抬高距Δh= (1～2)傘間距的新均壓環(huán)。

d.對(duì)運(yùn)行中的復(fù)合絕緣子每年進(jìn)行1次積污特性、憎水性能及機(jī)械特性的抽查和檢測(cè)，以便適時(shí)對(duì)絕緣子性能進(jìn)行評(píng)估。

e.對(duì)新建線(xiàn)路使用的復(fù)合絕緣子提出嚴(yán)格要求，高壓端不得使用扁平狀均環(huán)壓，應(yīng)當(dāng)使用抬高距Δh= (2～3)傘間距的均壓環(huán)。

5 結(jié)論

a.可用基于泡克爾效應(yīng)的光纖傳感場(chǎng)強(qiáng)/分布電壓測(cè)試儀在運(yùn)行線(xiàn)路上進(jìn)行500 kV復(fù)合絕緣子沿面場(chǎng)強(qiáng)和電壓分布的帶電測(cè)量。

b.被測(cè)500 kV復(fù)合絕緣子沿面場(chǎng)強(qiáng)和電壓分布極不均勻。高壓端軸向場(chǎng)強(qiáng)Emax=6.5 kV/cm，為平均場(chǎng)強(qiáng) (Ecp=0.73 kV/cm)的8.9倍。高壓端第1組傘裙上的分布電壓ΔUmax=49.3 kV，為平均值9.7 kV的5倍。

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