±1100kV特高壓直流復合絕緣子的設計與分析

張克勝 薛利軍

摘 要：±1100kV直流棒形懸式復合絕緣子對絕緣距離、結構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，本文從結構入手，重新對絕緣子的均壓環、傘裙和金具結構進行了設計，綜合分析后選擇合適的芯棒的外套材料，滿足特高壓直流復合絕緣子的實際需要。

關鍵詞：特高壓直流；機械強度；棒形懸式復合絕緣子；均壓環

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

國家經濟總量持續高速發展，對能源和電力的需要越來越大，能源供應不足時國民經濟發展的短板。根據預測，電力裝機容量達到10-12億千瓦方能滿足經濟發展需求，同時對電力輸送提出更高要求。在今后的電網發展中，直流高壓輸電將會成為輸電發展方向。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合絕緣子。

1 概述

±1100kV直流復合絕緣子屬于“新材料”技術領域的輸電設備，它的組成結構由傘裙、芯棒、外護套、金屬端頭等部件組成。內絕緣和機械負荷主要由芯棒承擔，外絕緣由護套和傘裙提供，并且避免空氣對芯棒的腐蝕[1]。復合絕緣子整體結構如圖1所示。

2 產品尺寸及參數

±1100kV直流復合絕緣子需要更高的電氣及機械性能，產品結構形式在技術上與800kV復合絕緣子有諸多相同和不同，首先其組成結構大體相同，均由芯棒、金具、均壓環、傘裙等組成，根據±1100kV直流高壓線路大多負責西電東送，使用環境差別大，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

芯棒采用玻璃纖維屬于耐酸的耐高溫無堿芯棒，采用ECR改性型，芯棒是內絕緣組成部分，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 金具結構及形式

從結構形式上看，單節和雙節是±1100kV特高壓直流輸電線路復合絕緣子多采用的形式，單節絕緣子連接形式為環-環，雙節絕緣子為環-環，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生腐蝕作用，對現有運行絕緣子進行檢查發現，腳球端金屬附件的正極和帽窩端金屬附件的負極多發生電解腐蝕，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熔鑄在帽窩金屬附件和腳球金屬附件接觸部分，鋅環多彩虹采用半包膠方式，鋅的純度為99.99%，鋅環的厚度5.5-6.5mm，外露部位的重量超過55g，鋅環的總重量均不小于130g。壓接工藝多用于復合絕緣子金具連接，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生預壓應力。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 傘裙材料及結構

±1100kV直流復合絕緣子多采用硅橡膠作為材料，受制于硅橡膠加工技術，目前進口復合硅橡膠好于國內同類產品，具有抵抗力強、耐老化、絕緣能力好等優良電氣性能，適應溫度范圍-50℃到+80℃，具備遷移性和恢復性特點且憎水性強，采用經過處理，其表面可產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，與硅氧烷分子的相溶性更好[3]。

對傘形結構的設計是否合理直接關系到有效的絕緣子爬電距離。復合絕緣子的傘形一般分為四種結構，分別為U型四傘結構、雙U型七傘結構、V型三傘結構和W型五傘結構。合理的設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是傘裙形狀設計的關鍵，其設計原則是復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。±1100kV直流復合絕緣子傘形結構可以提高產品外絕緣的電氣性能，應采用五傘形組合，也就是W型。通過對四種傘形結構的耐壓性能試驗結果和設計參數的對比，考慮到輸電工程設備常年運行在海拔高、覆冰、雪的惡劣環境，W型五傘結構的復合絕緣子符合高壓輸電的要求。W型五傘結構絕緣子耐冰閃、耐雨閃、耐霧閃、耐污性好、不易閃絡、沿面放電電壓高等突出優點，±1100kV特高壓交流絕緣子均采用W型。

6 均壓環

復合絕緣子存在極不均勻的電場分布，尤其是強場區會出現在高電位一側。復合絕緣子的尺寸小，主電容油中間絕緣體和端頭，僅上、下兩端有金屬端頭。而傳統的瓷絕緣子串主要由瓷絕緣子串組成，兩者的電容結構有很大不同。必須對復合絕緣子采用特殊結構防止擊穿場強，可采用改善電場分布及引弧作用的圓形金屬保護環來實現。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，避免發生電暈放電導致無線電干擾和能量損失。采用圓形金屬保護環可以均勻復合絕緣子的電位分布，復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，同時改善絕緣子的電位分布，復合絕緣子均壓環易采用鋁合金制成，低壓端為了屏蔽高、低壓端的電場，應采用封閉式結構，高壓端絕緣子上、下端各裝一只均壓環，采用大、小均壓環結構。

通過對增加均壓環的負荷絕緣子進行有限元三維電場分布仿真計算，計算結果十分理想，這種設計結構可有效的改善復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，小均壓環外側電場得到了有效的屏蔽，提高復合絕緣子的運行可靠性。

7 結語

我國中東部地區消耗了大部分電力資源，而中西部地區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800kV直流復合絕緣子的設計研發經驗而設計出的±1100kV直流棒形懸式復合絕緣子，可以滿足實際運行工況對絕緣子技術要求，滿足目前裝配制造水平和電網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計[J].電網技術，2006，（1）：1-8.

[2]騰國利，魏寧，徐禮賢.800kV特高壓直流棒形懸式復合絕緣子的研制[J].電網技術，2006，（12）：83-86.

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