±1100kV特高壓直流復(fù)合絕緣子的設(shè)計(jì)研制

田正波 王曉楠 楊紅軍 吳兆峰

（襄陽國網(wǎng)合成絕緣子有限責(zé)任公司，湖北 襄陽441057）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)，在世界范圍內(nèi)電力工業(yè)將得到持續(xù)發(fā)展，電能將繼續(xù)發(fā)揮其他形式的能源所不能替代的作用，成為人類生活中不可缺少的重要能源。從我國的能源布局上來看，大量的能源資源基本分布在西部和北部，但70%以上的能源需求卻集中在中東部地區(qū)。多項(xiàng)研究表明，我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)和直燃煤比重過高是引發(fā)霧霾污染的主要原因。對此，國家電網(wǎng)提出了發(fā)展特高壓電網(wǎng)，推動能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型。“一特四大”戰(zhàn)略即在能源資源富集地區(qū)，集約開發(fā)大煤電、大水電、大核電、大型可再生能源發(fā)電基地，通過特高壓電網(wǎng)，在全國范圍內(nèi)優(yōu)化配置電力資源，提高化石能源的開發(fā)、配置效率，促進(jìn)清潔能源加快發(fā)展，特高壓能大大提升我國電網(wǎng)的輸送能力［1］。

根據(jù)測算，通過全面實(shí)施電能替代，2015年、2020年東中部地區(qū)PM2.5污染可比2010年分別降低12%、28%左右。長遠(yuǎn)看，依托特高壓電網(wǎng)，形成以清潔能源為主、電為中心的能源開發(fā)利用格局，將從根本上緩解我國大氣污染問題［2］。目前，國家電網(wǎng)公司投資建設(shè)的世界首條±1 100kV特高壓直流輸電（準(zhǔn)東—華東）工程已進(jìn)入開工設(shè)計(jì)階段。目前在超高壓電網(wǎng)中，大量懸式棒形絕緣子仍采用瓷和玻璃材料，但如果在電壓等級高、污穢問題比較嚴(yán)重的特高壓交直流輸電工程中使用，將會造成絕緣子串長度和重量過大、塔頭大、防污能力差等問題，從而導(dǎo)致運(yùn)行維護(hù)難，危害電網(wǎng)安全。無論從技術(shù)還是經(jīng)濟(jì)方面來看，針對±1 100kV特高壓直流輸電線路采用復(fù)合絕緣子都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于瓷或玻璃絕緣子。

1 ±1100kV特高壓直流復(fù)合絕緣子設(shè)計(jì)

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)的確定

目前國內(nèi)特高壓產(chǎn)品主要采用球頭球窩結(jié)構(gòu)及環(huán)—環(huán)結(jié)構(gòu)兩種形式，±1 100kV特高壓直流復(fù)合絕緣子的額定機(jī)械負(fù)荷主要分為160kN、240kN、300kN、420kN、550kN、840kN、1 000kN幾種，連接標(biāo)記參照GB／T4056及國家電網(wǎng)公司技術(shù)規(guī)范執(zhí)行，絕緣子串的主要組合方式為V串及I串。根據(jù)不同工況，復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)分為單節(jié)式及雙節(jié)式兩種，如圖1、圖2所示。

圖1 單節(jié)式

圖2 雙節(jié)式

根據(jù)電場仿真分析可得出滿足要求的特高壓復(fù)合絕緣子典型結(jié)構(gòu)的主要尺寸及機(jī)電性能（以300kN產(chǎn)品為例）如表1所示。

1.2 傘形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

不同的傘形結(jié)構(gòu)對復(fù)合絕緣子的耐污性能、電氣性能及使用壽命都有重要影響。通過改進(jìn)空氣動力型傘裙設(shè)計(jì)，采用大小傘結(jié)構(gòu)（圖1），可以有效改善外絕緣特性，提高污穢耐受電壓，而且可以增強(qiáng)復(fù)合絕緣子在空氣中的自潔能力。另外，高壓端第一片傘裙片的不同對復(fù)合絕緣子的電氣性能影響較大。根據(jù)法國賽迪威爾公司對不同設(shè)計(jì)傘裙進(jìn)行的電場分布計(jì)算，高壓端第一片傘裙距端部金具具有較長護(hù)套的比直接嵌固在端部金具唇沿的在護(hù)套與護(hù)套、空氣、端部金具三者連接區(qū)域的場強(qiáng)比后者高出30%，在嚴(yán)重污穢條件下，前者的絕緣子表面泄漏電流遠(yuǎn)高于后者［3］。因此通過總結(jié)試驗(yàn)與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對傘形結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，可提高復(fù)合絕緣子自身電氣性能，改善復(fù)合絕緣子端部電場分布，減少局部放電電弧對傘裙的蝕損，同時(shí)該傘形已大量應(yīng)用在各類特高壓線路中。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，針對高海拔及覆冰區(qū)可采用五三型傘結(jié)構(gòu)（大—小—中—小—大），如圖3所示，其具有耐冰閃、耐霧閃、耐污性好，不易閃絡(luò)，沿面放電電壓高等特點(diǎn)。

表1 ±1 100kV特高壓復(fù)合絕緣子典型產(chǎn)品主要尺寸及機(jī)電性能

1.3 均壓環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)電場仿真分析，±1 100kV特高壓單節(jié)式復(fù)合絕緣子高壓側(cè)配置大小雙環(huán)式均壓環(huán)，大環(huán)用以降低端部電場強(qiáng)度，小環(huán)用以保護(hù)絕緣子的端部密封；低壓側(cè)采用防鳥害均壓環(huán)（圖1），不僅可改善絕緣子的電位分布、減少閃絡(luò)，還可有效地防止鳥害及冰雪的侵襲。

通過采取該方式布置均壓環(huán)可有效降低絕緣子表面場強(qiáng)，使高壓側(cè)大均壓環(huán)表面最大場強(qiáng)控制在2kV／mm以下，復(fù)合絕緣子表面場強(qiáng)控制在0.4～0.5kV／mm之間，使其滿足表面場強(qiáng)最大強(qiáng)度控制要求。

2 ±1 100kV特高壓直流復(fù)合絕緣子材料選擇與優(yōu)化

2.1 傘裙及護(hù)套材料選擇及優(yōu)化

復(fù)合絕緣子外絕緣構(gòu)成材料是以硅橡膠材料為基體，添加偶聯(lián)劑、阻燃劑、補(bǔ)強(qiáng)劑、抗老化劑等填料經(jīng)高溫硫化而成，要求具有足夠高的防濕閃和污閃性能、耐漏電起痕和耐電蝕損性，以及耐臭氧、耐高溫等大氣老化的作用。而±1 100kV特高壓復(fù)合絕緣子由于其極高的電壓，對外絕緣材料的要求更高。為提高材料的憎水性及耐老化性，可對基礎(chǔ)配方采取以下措施進(jìn)行優(yōu)化：

（1）采用分子量為60萬左右D4合成的硅橡膠，并采用高低乙烯基含量不同的硅橡膠生膠按一定比例搭配使用，形成交錯式交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，可有效提高膠料的機(jī)械性能和耐老化性能。

（2）對氣相法白炭黑表面噴涂硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行預(yù)處理，使白炭黑表面羥基被硅氧烷小分子所封閉，由原來親水性轉(zhuǎn)變成憎水性，使制得的膠料的憎水性及耐老化性更優(yōu)。

（3）采用超細(xì)化氫氧鋁微粉（2 000目左右），同時(shí)用硅烷偶聯(lián)劑對氫氧化鋁表面進(jìn)行處理，使其由親水性變成憎水性，與硅氧烷分子的相容性更好，使分散性更均勻，提高阻燃性及耐老化性。

經(jīng)過上述配方優(yōu)化的硅橡膠材料經(jīng)中國電科院測試，主要性能如表2所示。

表2 ±1 100kV特高壓直流復(fù)合絕緣子硅橡膠材料性能

2.2 芯棒材料選擇

芯棒作為復(fù)合絕緣子機(jī)械負(fù)荷的承載部件，同時(shí)又是內(nèi)絕緣的主要部件，要求它具有很高的機(jī)械強(qiáng)度、絕緣性能和長期穩(wěn)定性；特高壓復(fù)合絕緣子所采用的ECR耐酸型芯棒的抗拉強(qiáng)度在1 100MPa以上，這個強(qiáng)度是瓷的5～10倍，與優(yōu)質(zhì)的碳素鋼強(qiáng)度相當(dāng)，消除了制造大噸位復(fù)合絕緣子的瓶頸。經(jīng)我們測試， 60mm ECR型玻璃纖維芯棒可以滿足額定荷載為1 000kN的復(fù)合絕緣子要求［4］。其主要機(jī)電性能技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 芯棒技術(shù)參數(shù)

2.3 金具材料選擇

±1 100kV特高壓直流復(fù)合絕緣子兩端金具材料選用40Mn2或40Cr鍛鋼，其化學(xué)成分及力學(xué)性能符合GB／T3077要求，材料硬度均勻，并在加工完成后進(jìn)行高頻熱處理，以提高其抗拉強(qiáng)度。在±1 100kV特高壓直流復(fù)合絕緣子的設(shè)計(jì)中，為避免金具在電化作用下受到腐蝕，除在金具表面采用熱鍍鋅防腐外，還應(yīng)在端部金具和護(hù)套間澆鑄鋅環(huán)用作犧牲電極，鋅的純度為99.99%，厚度6mm，基本可確保50年期內(nèi)電化腐蝕不超過鋅環(huán)厚度的一半，以防止表面泄漏電流對金具的電化腐蝕，保護(hù)復(fù)合絕緣子。

3 ±1 100 kV特高壓復(fù)合絕緣子制造工藝及質(zhì)量控制

±1 100kV特高壓復(fù)合絕緣子可采用擠包穿傘壓接工藝制造。首先對經(jīng)表面處理后的芯棒進(jìn)行護(hù)套擠包，并經(jīng)二次硫化后按照設(shè)計(jì)的傘形結(jié)構(gòu)進(jìn)行傘盤套裝，最后采用壓接工藝使端部金具產(chǎn)生塑性形變而與芯棒緊抱，在金具與芯棒的接觸面產(chǎn)生一定的預(yù)壓應(yīng)力，當(dāng)復(fù)合絕緣子承受負(fù)荷時(shí)，壓應(yīng)力轉(zhuǎn)換為軸向摩擦力而承載，從而增強(qiáng)端部連接結(jié)構(gòu)的可靠性。采取擠包穿傘工藝可有效降低因單點(diǎn)損傷而引起整支產(chǎn)品受到酸雨侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

同時(shí)特高壓復(fù)合絕緣子的質(zhì)量控制非常重要，在生產(chǎn)前須對所有原材料做好入廠檢測；生產(chǎn)中應(yīng)針對煉膠、擠包、傘裙硫化、傘裙套裝、金具壓接、出廠檢測、包裝等各工序制定完善的作業(yè)指導(dǎo)書及檢試驗(yàn)規(guī)程；同時(shí)應(yīng)確保每支產(chǎn)品在出廠后其質(zhì)量具有可追溯性。

（3）選擇合適的制造工藝，采取完善的工藝及質(zhì)量控制措施，可有效確保±1 100kV特高壓直流復(fù)合絕緣子在輸電線路上的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)論

（1）針對±1 100kV特高壓直流復(fù)合絕緣子，可通過電場仿真分析對其結(jié)構(gòu)型式、尺寸、傘形結(jié)構(gòu)、均壓環(huán)配置等進(jìn)行計(jì)算，確保復(fù)合絕緣子滿足±1 100kV特高壓輸電線路的要求。

（2）針對硅橡膠配方進(jìn)行優(yōu)化可有效提高硅橡膠的材料性能，由此提高復(fù)合絕緣子的耐污閃、耐老化及耐電蝕等能力，并通過對芯棒及金具材料的試驗(yàn)比選，使復(fù)合絕緣子滿足機(jī)械負(fù)荷及長期使用要求。

［1］劉振亞.特高壓電網(wǎng)［M］.北京：中國經(jīng)濟(jì)出版社，2005.

［2］劉振亞.發(fā)展特高壓電網(wǎng) 破解霧霾困局［N］.中國電力報(bào)，2014－03－13（1）.

［3］閻東，盧明，張柯，等.輸電線路用復(fù)合絕緣子運(yùn)行技術(shù)及實(shí)例分析［M］.北京：中國電力出版社，2008.

［4］劉鐵橋，張斌，朱勇飛.±1 100kV特高壓直流系列復(fù)合絕緣子的設(shè)計(jì)與分析［J］.中國科技博覽，2014（47）：244－246.