超高壓輸電線路復(fù)合瓷絕緣子的運(yùn)行狀況分析

廖興華，巢亞鋒，岳一石，王珂，段建家，王成

(1. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司衡陽(yáng)供電分公司，湖南衡陽(yáng)421000；2. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007；3. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司岳陽(yáng)供電分公司，湖南岳陽(yáng)414000)

0 引言

復(fù)合瓷絕緣子是以瓷為內(nèi)絕緣件, 以高溫硫化硅橡膠傘套材料作為外絕緣, 并將瓷件全部包覆[1-2]。從一定程度上來(lái)說(shuō), 復(fù)合瓷絕緣子具備瓷絕緣子穩(wěn)定的機(jī)械性能, 斷串、掉線概率基本為零, 同時(shí)具備復(fù)合絕緣子的防污性能[3-4]。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展, 復(fù)合瓷絕緣子工藝已逐步成熟, 應(yīng)用面也從局部低電壓線路試點(diǎn)走向特高壓工程。根據(jù)廠家業(yè)績(jī)統(tǒng)計(jì)顯示, 目前我國(guó)電網(wǎng)各電壓等級(jí)在運(yùn)行的各類復(fù)合瓷絕緣子數(shù)量已達(dá)300 萬(wàn)片。

復(fù)合瓷絕緣子是一種新型絕緣子, 目前針對(duì)其研究較少, 文獻(xiàn) [5] 抽取兩個(gè)廠家共計(jì)20 片新制復(fù)合瓷絕緣子 (A 類) 樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)復(fù)合瓷絕緣子憎水性達(dá)到HC1 級(jí), 且具有良好的機(jī)械性能和耐工頻交流電壓性能, 但耐雷擊水平有所欠缺。盡管大多數(shù)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)室測(cè)試性能較好, 預(yù)期壽命較長(zhǎng), 但用戶較為關(guān)心的運(yùn)行狀況目前尚無(wú)研究。

湖南電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜, d 級(jí)及以上污區(qū)面積超過(guò)29%[6], pH 低于5.6 的酸性濕沉降面積約40%[7], 外絕緣防污形勢(shì)嚴(yán)峻。湖南電網(wǎng)從20 世紀(jì)90 年代開(kāi)始批量進(jìn)行復(fù)合化改造, 復(fù)合絕緣子、防污閃涂料 (RTV、RTV-Ⅱ)、防污閃輔助傘裙等大量應(yīng)用在超高壓線路, 提高了防污水平, 但也出現(xiàn)諸如掉串、劣化快等問(wèn)題[8-13]。湖南電網(wǎng)自2013 年開(kāi)始在超高壓直流輸電線路試用復(fù)合瓷絕緣子 (B 類) 至今, 已在超特高壓輸電線路累積應(yīng)用20 余萬(wàn)片。本文基于近13 年湖南電網(wǎng)超特高壓線路外絕緣防污治理情況, 總結(jié)超特高壓線路防污治理中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題, 介紹復(fù)合瓷絕緣子的應(yīng)用歷史及現(xiàn)狀, 對(duì)運(yùn)行4 年的直流復(fù)合瓷絕緣子取樣并進(jìn)行抽樣試驗(yàn), 以期為超特高壓線路外絕緣治理和設(shè)計(jì)提供參考。

1 超高壓線路外絕緣配置及運(yùn)行現(xiàn)狀

1.1 超特高壓線路外絕緣防污配置現(xiàn)狀

采用爬電比距法對(duì)湖南電網(wǎng)所轄超高壓輸電線路開(kāi)展外絕緣配置校核, 結(jié)果見(jiàn)表1。500 kV 交直流線路不滿足防污閃要求的線路總共有38 條, 桿塔2 149 基, 占總桿塔基數(shù)的11.95%, 其中 d 級(jí)污區(qū)不滿足防污閃要求的桿塔數(shù)量最多, 共1 778基。

表1 超特高壓輸電線路不滿足防污閃要求桿塔統(tǒng)計(jì)表

1.2 歷年污閃情況

2002—2018 年, 所轄線路共計(jì)發(fā)生污閃跳閘134 條次 (其中冰閃跳閘121 條次), 如圖1 所示。

圖1 歷年線路污 (冰) 閃跳閘統(tǒng)計(jì)

1.3 外絕緣防污閃治理采取的措施及存在問(wèn)題

在采用復(fù)合瓷絕緣子之前, 湖南電網(wǎng)輸電線路防污閃治理主要采取3 種方式: 增加絕緣子片數(shù)或采用大爬距絕緣子, 在瓷絕緣子或玻璃絕緣子表面噴涂防污閃材料, 將絕緣子更換為復(fù)合絕緣子。2006 年至今, 湖南電網(wǎng)500 kV 交直流輸電線路復(fù)合化治理5 117 基。目前, 湖南電網(wǎng)65 條500 kV及以上輸電線路共17 986 基桿塔中, 復(fù)合絕緣子7 125基, 占比39.61%；噴涂防污閃涂料絕緣子2 047基, 占比11.38%。這些防污治理措施在一定程度上提高了線路的防污 (冰) 閃水平, 但也存在一些問(wèn)題。

1.3.1 直接增加絕緣子或采用大爬距絕緣子調(diào)爬

直接在原絕緣子串增加單元數(shù)或采用大爬距絕緣子是最廣泛采用的調(diào)爬措施。然而在應(yīng)用中, 受導(dǎo)線對(duì)地距離的限制, 很多線路絕緣子串長(zhǎng)增加有限或根本無(wú)法增加, 采用大爬距絕緣子爬距增加有限。

1.3.2 更換復(fù)合絕緣子

復(fù)合絕緣子因爬距能按需定制且復(fù)合材料防污性能優(yōu)異, 自20 世紀(jì)末開(kāi)始被廣泛采用。2006—2018 年, 湖南電網(wǎng)對(duì)18 條超高壓線路共3 075 基桿塔更換復(fù)合絕緣子, 如圖2 所示。

圖2 2006—2018 年更換復(fù)合絕緣子明細(xì)

實(shí)際運(yùn)行中, 曾出現(xiàn)5 次復(fù)合絕緣子掉串。并且近7 年每年對(duì)復(fù)合絕緣子的抽檢中均發(fā)現(xiàn)憎水性喪失的問(wèn)題, 截至目前, 歷年掛網(wǎng)的復(fù)合絕緣子有12 條線路、共計(jì) 3 012 基憎水性下降到 HC6。此外, 湖南冬季極易覆冰, 多年運(yùn)行發(fā)現(xiàn)復(fù)合絕緣子在冰凍情況下易橋接、傘裙下耷, 絕緣性能迅速下降。

1.3.3 采用防污閃涂料

2006—2015 年, 湖南電網(wǎng)在15 條超高壓線路共2 042 基桿塔玻璃、瓷質(zhì)絕緣子噴涂防污閃涂料, 主要采用塔上噴涂方式, 應(yīng)用情況如圖 3所示。

圖3 2006—2018 年防污閃涂料應(yīng)用情況

運(yùn)行發(fā)現(xiàn), 塔上噴涂施工質(zhì)量難以控制, 防污涂層老化快, 復(fù)涂后最快在一年之內(nèi)就出現(xiàn)了大面積粉化[13]。防污閃涂料在湖南及其南部使用壽命難以達(dá)到原廠家承諾年限, 復(fù)涂后效果延續(xù)時(shí)間較短, 如圖4 所示。這主要由綜合原因所致: ①現(xiàn)場(chǎng)噴涂 (復(fù)涂) 質(zhì)量難以把控；②噴涂期間雨水較多影響效果；③湖南特殊氣候環(huán)境 (氣溫突變,冰凍時(shí)間長(zhǎng), 高溫多雨) 影響效果。

圖4 超高壓線路RTV 涂層劣化情況

2 復(fù)合瓷絕緣子在湖南電網(wǎng)的應(yīng)用情況

2.1 盤(pán)形懸式復(fù)合瓷絕緣子

根據(jù)瓷件與復(fù)合材料的結(jié)合形式, 盤(pán)形懸式復(fù)合瓷絕緣子通常包括兩種類型: A 類, 由瓷芯盤(pán)、高溫硫化硅橡膠傘套和金屬附件構(gòu)成；B 類, 由盤(pán)形懸式瓷絕緣子和高溫硫化硅橡膠傘套材料構(gòu)成[1-2]。本文研究對(duì)象均為B 類復(fù)合瓷絕緣子。

2.2 復(fù)合瓷絕緣子的應(yīng)用

針對(duì)湖南電網(wǎng)防污閃技術(shù)措施存在的問(wèn)題及湖南的特殊氣候環(huán)境, 2013 年4 月在±500 kV 江城線試點(diǎn)應(yīng)用防冰閃插花復(fù)合瓷絕緣子, 改造桿塔15基, 當(dāng)年冬季起到了防冰閃作用。2014 年在±500 kV江城線正式開(kāi)始更換鐘罩型復(fù)合瓷絕緣子, 如圖 5、圖 6 所示, 2015 年在 500 kV 復(fù)沙Ⅰ線上進(jìn)行試點(diǎn), 隨后試點(diǎn)范圍逐漸擴(kuò)大至±800 kV復(fù)奉線等特高壓線路。

圖5 直流鐘罩型復(fù)合瓷絕緣子

圖6 2014 年±500 kV 江城線更換復(fù)合瓷絕緣子

截至2018 年, 湖南電網(wǎng)共計(jì)在超特高壓輸電線路合計(jì)597 基桿塔更換了211 946 片復(fù)合瓷絕緣子, 如圖 7 所示, 涵蓋 160 kN、210 kN、300 kN、420 kN、550 kN 等型號(hào)。湖南電網(wǎng)自 2013 年應(yīng)用復(fù)合瓷絕緣子以來(lái), 歷年檢修過(guò)程均組織外觀和零值檢查, 目前運(yùn)行中未發(fā)現(xiàn)復(fù)合層粉化、開(kāi)裂等異常情況。

圖7 歷年更換復(fù)合瓷絕緣子數(shù)量

3 運(yùn)行復(fù)合瓷絕緣子的抽檢試驗(yàn)情況

3.1 試品及試驗(yàn)方法

3.1.1 試品

為進(jìn)一步評(píng)估復(fù)合瓷絕緣子在線路上的實(shí)際應(yīng)用效果, 對(duì)±500 kV 江城線2014 年掛網(wǎng)運(yùn)行的鐘罩型復(fù)合瓷絕緣子進(jìn)行抽檢試驗(yàn), 試品共42 片,試品信息見(jiàn)表2。

表2 試品信息

3.1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)項(xiàng)目包括外觀檢查、電氣性能、機(jī)械荷載等10 個(gè)項(xiàng)目, 試驗(yàn)采用 DL/T1471—2015 推薦方法, 試驗(yàn)設(shè)備滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[2,14-15]。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 外觀檢查

主要對(duì)絕緣件表面單個(gè)缺陷面積、深度、總?cè)毕菝娣e及鋼腳或鋼帽是否銹蝕、鋼腳是否彎曲、是否有電弧燒損等進(jìn)行檢查。42 片復(fù)合瓷絕緣子外觀檢查全部符合文獻(xiàn) [2] 要求。

3.2.2 鍍層試驗(yàn)

對(duì)每個(gè)試品進(jìn)行10 次測(cè)量, 這些測(cè)量應(yīng)均勻而隨機(jī)地分布在整個(gè)鋼腳和鐵帽表面, 避開(kāi)邊緣和尖端處。42 片復(fù)合瓷絕緣子鍍層試驗(yàn)均合格。

3.2.3 緊鎖銷檢查

緊鎖銷檢查包含緊鎖狀態(tài)的檢查、緊鎖銷的位置檢查以及緊鎖銷操作試驗(yàn)三個(gè)部分。緊鎖銷的操作試驗(yàn), 是使緊鎖銷處在鎖緊位置, 用試驗(yàn)裝置沿其軸線方向?qū)⒗熵?fù)荷F施加在R 型銷的孔眼上,負(fù)荷逐漸增大, 直至鎖緊銷移動(dòng)到連接位置；連續(xù)進(jìn)行三次, 記錄每次的F值；在達(dá)到Fmax時(shí), 鎖緊銷不應(yīng)從窩里完全拉脫。三次操作的負(fù)荷值F應(yīng)處于表3 對(duì)應(yīng)的Fmin和Fmax之間。全部42 片復(fù)合瓷絕緣子均合格。

表3 R 型緊鎖銷操作試驗(yàn)的拉伸負(fù)荷

3.2.4 憎水性試驗(yàn)

對(duì)絕緣子上下表面的憎水性遷移特性、憎水性的喪失特性和憎水性的恢復(fù)特性進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量。試驗(yàn)方法采用噴水分級(jí)法, 即HC 法。憎水性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4, 憎水性恢復(fù)特性均小于24 h。

表4 試品憎水性試驗(yàn)結(jié)果

3.2.5 水煮試驗(yàn)

將試品放入含有0.1%NaCl 的去離子水中保持沸煮42 h。在沸騰結(jié)束后, 試品仍保留在容器中,直到水冷卻到大約50 ℃。取出試品, 對(duì)每支試品的傘套進(jìn)行外觀檢查, 外觀有明顯破損者為不合格。全部42 片復(fù)合瓷絕緣子水煮后, 外觀均完好無(wú)損。

3.2.6 空氣中沖擊擊穿耐受試驗(yàn)

在水煮試驗(yàn)后48 h 內(nèi), 絕緣子界面應(yīng)能耐受該試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí), 每只絕緣子先被施加正極性沖擊5 次, 再施加負(fù)極性沖擊5 次；然后再施加正極性沖擊5 次, 負(fù)極性沖擊 5 次。每次沖擊間隔 1 ～2 min。試品發(fā)生擊穿或損壞的為不合格。全部42片復(fù)合瓷絕緣子均未發(fā)生局部或整體擊穿。

3.2.7 干工頻電壓試驗(yàn)

在絕緣子水煮前和空氣中沖擊擊穿耐受試驗(yàn)后分別進(jìn)行干工頻電壓耐受試驗(yàn), 均不發(fā)生閃絡(luò)視為合格。全部42 片復(fù)合瓷絕緣子水煮前后的干工頻耐壓, 均未發(fā)生閃絡(luò)。

3.2.8 干雷電全波沖擊耐受試驗(yàn)

采用1.2/50 μs 標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波, 分正極性和負(fù)極性分別對(duì)絕緣子串進(jìn)行沖擊試驗(yàn), 閃絡(luò)電壓不低于1.04 倍規(guī)定雷電沖擊耐受電壓時(shí)視為合格。全部42 片復(fù)合瓷絕緣子均未發(fā)生擊穿和閃絡(luò)。

3.2.9 工頻擊穿耐受試驗(yàn) (油中)

將試品完全浸入絕緣油中, 浸入時(shí)應(yīng)避免傘裙下窩藏空氣, 電壓施加于鐵帽和鋼腳之間, 快速升壓至 130 kV, 如試品不發(fā)生擊穿視為合格。160 kN、210 kN、300 kN 型號(hào)各選取一片試品進(jìn)行油中耐壓, 編號(hào)分別為 1、15、29。施加電壓130 kV, 未發(fā)生擊穿。

3.2.10 機(jī)械破壞試驗(yàn)

于試品鐵帽和鋼腳之間施加均勻增加的拉力,直至絕緣子 (含鐵帽和鋼腳) 發(fā)生破壞, 測(cè)定破壞力值。每個(gè)噸位選取兩片進(jìn)行破壞性試驗(yàn), 其機(jī)械破壞負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 絕緣子機(jī)械破壞負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果

3.3 試驗(yàn)結(jié)論

除9 件試品憎水性下降到HC3～HC4 外, 其他試驗(yàn)項(xiàng)目均未出現(xiàn)異常現(xiàn)象。

4 復(fù)合瓷絕緣子運(yùn)行分析及建議

4.1 復(fù)合瓷絕緣子技術(shù)特點(diǎn)

B 類復(fù)合瓷絕緣子由盤(pán)形懸式瓷絕緣子和高溫硫化硅橡膠傘套材料構(gòu)成, 其外層高溫硫化硅橡膠層厚度大, 防污閃工作壽命遠(yuǎn)高于室溫硫化硅橡膠涂料, 保持了原瓷絕緣子穩(wěn)定可靠的機(jī)械拉伸強(qiáng)度以及絕緣子很強(qiáng)的抗污性能, 可以像普通瓷絕緣子一樣應(yīng)用于線路各種不同的塔型上。

4.2 與其他類型絕緣子技術(shù)比較

根據(jù)各種絕緣子的特點(diǎn), 考慮瓷質(zhì)絕緣子、復(fù)合瓷絕緣子、玻璃絕緣子以及復(fù)合絕緣子各自的積污特性及自潔性能, 其性能對(duì)比見(jiàn)表6, 可以得出以下對(duì)比結(jié)論:

表6 各種絕緣子性能對(duì)比

1) 普通瓷質(zhì)和玻璃絕緣子單片絕緣子的閃絡(luò)電壓較低, 由于其下表面存在凹凸曲面, 在干旱少雨的環(huán)境中自潔性差, 容易積污, 不易清掃。在污穢較重的地區(qū)不宜選用該種絕緣子。

2) 復(fù)合絕緣子耐污閃性能高, 成本便宜, 但復(fù)合絕緣子使用壽命受憎水性影響, 在重覆冰地區(qū)及耐張塔上使用對(duì)線路安全運(yùn)行有風(fēng)險(xiǎn), 而且需要更換金具, 所以使用有一定的局限性。

3) RTV 絕緣子 (含工廠化) 涂層屬于常溫膠, 老化速度高于高溫膠, 其劣化涂層難以清理,導(dǎo)致復(fù)涂層表面粘接不理想。現(xiàn)場(chǎng)噴涂RTV 室溫硫化硅橡膠涂料需要高空作業(yè), 在保證噴涂厚度前提下施工難度極大。

4) 復(fù)合瓷耐污盤(pán)形懸式絕緣子具有穩(wěn)定可靠的機(jī)械強(qiáng)度, 具備良好的耐污性能、優(yōu)良的憎水性及憎水遷移性, 但成本較高。

綜上, 在不考慮價(jià)格情況下, 復(fù)合瓷絕緣子與復(fù)合絕緣子及絕緣子復(fù)合化措施相對(duì)比, 具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

4.3 復(fù)合瓷絕緣子應(yīng)用建議

1) 復(fù)合瓷絕緣子價(jià)格較高, 其長(zhǎng)期應(yīng)用效果還待時(shí)間考驗(yàn), 宜結(jié)合設(shè)備自身情況開(kāi)展評(píng)估后確定是否選用。

2) 加強(qiáng)復(fù)合瓷絕緣子儲(chǔ)存、搬運(yùn)和安裝管理, 避免人為損傷。加強(qiáng)復(fù)合瓷絕緣子的運(yùn)行維護(hù), 按線路運(yùn)行維護(hù)規(guī)程定期巡視, 增加必要的夜巡和惡劣氣候條件下的巡視。

3) 應(yīng)建立復(fù)合瓷絕緣子的臺(tái)帳。臺(tái)帳內(nèi)容應(yīng)包括制造單位、生產(chǎn)日期、規(guī)格型號(hào)、主要技術(shù)參數(shù)、投入運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行環(huán)境、巡視情況、檢查情況、試驗(yàn)情況、事故處理情況、劣化情況等內(nèi)容。臺(tái)帳的更新應(yīng)及時(shí), 填寫(xiě)應(yīng)詳細(xì)、清楚、準(zhǔn)確。

4) 復(fù)合瓷絕緣子的技術(shù)特點(diǎn)決定其運(yùn)行檢測(cè)應(yīng)結(jié)合兩種不同材質(zhì)分別開(kāi)展: 參考復(fù)合絕緣子年度檢測(cè)要求對(duì)運(yùn)行滿6 年及以上的進(jìn)行抽檢；結(jié)合停電機(jī)會(huì)進(jìn)行零值檢測(cè)。

5 結(jié)論

1) B 類復(fù)合瓷絕緣子保持了原瓷絕緣子穩(wěn)定可靠機(jī)械拉伸強(qiáng)度的同時(shí), 又保證了絕緣子很強(qiáng)的抗污性能, 可以像普通瓷絕緣子一樣應(yīng)用于線路各種不同的塔型上。

2) 運(yùn)行4 年后的復(fù)合瓷絕緣子取樣試品除有21.4%的試品憎水性降低至HC4 (含HC3 ～HC4)外, 其他各項(xiàng)抽檢指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3) 復(fù)合瓷絕緣子在超高壓線路上目前運(yùn)行的情況較好, 但長(zhǎng)期應(yīng)用效果還需等待時(shí)間考驗(yàn)。

4) 應(yīng)加強(qiáng)復(fù)合瓷絕緣子儲(chǔ)存、搬運(yùn)和安裝管理, 避免人為損傷, 對(duì)在運(yùn)復(fù)合瓷絕緣子應(yīng)建立臺(tái)帳, 并對(duì)其運(yùn)行、試驗(yàn)、事故等內(nèi)容及時(shí)更新。

5) 設(shè)備管理單位應(yīng)根據(jù)設(shè)備實(shí)際情況綜合評(píng)估后, 選擇合適的防污技術(shù)措施。