高海拔地區500 kV電纜戶外終端用復合空心絕緣子的設計

趙海軍，徐 健，陳琳杰，周長城

(沈陽古河電纜有限公司，遼寧 沈陽 110115)

電纜戶外終端用外絕緣產品分為瓷空心絕緣子和復合空心絕緣子。復合空心絕緣子與瓷空心絕緣子相比具有以下優點：質量輕(同電壓等級輕1/3～4/5)便于安裝和運輸、防爆性能好[1]、優異的憎水性[2]以及優良的電氣性能和絕緣性能，特別是可達到很高的污穢等級[3]。

對于500 kV電纜戶外終端安裝，特別是高海拔地區選擇質量輕、絕緣性能強的外絕緣產品尤為重要。本文針對高海拔地區500 kV電纜戶外終端用復合空心絕緣子進行設計和驗證。

1 產品設計

a.爬電距離

電纜戶外終端的正常使用條件為海拔高度不超過1000 m，在此范圍內根據Ⅳ級污穢等級所需的爬電比距計算復合空心絕緣子的爬電距離為Lt=R×U×K1×K2×K3=31×550×1.2×1.2×0.9=22 096 mm。其中：R為爬電比距；U為設備運行最高電壓；K1為直徑修正系數；K2為設計裕度；K3為硅橡膠耐污縮小系數。

根據GB/T 22078.3—2008《額定電壓500 kV(Um=550 kV)交聯聚乙烯絕緣電力電纜及其附件》規定，對于海拔高度超過1000 m，但不超過4000 m安裝使用的電纜戶外終端，按(試驗電壓×海拔校正因數Ka)要求相應提高電纜戶外終端的外絕緣水平。其中Ka=1/(1.1-H×10-4)，H為電纜戶外終端安裝地點的海拔高度。

對于海拔4000 m高度Ka=1.43，爬電距離為22 096×1.43=31 597 mm。本次設計海拔高度為4000 m，爬電距離設計為32 000 mm。

b.傘形設計

根據規定，采用耐污型大小傘結構，其主要尺寸：傘間最小距離C=57 mm；傘間距與傘伸出之比S/P1=60/62=0.97≥0.8；大小傘伸出差P1-P2=62-46=16 mm>15 mm；大傘傘傾角6o，小傘傘傾角8o；按Ⅳ級污穢等級選取的爬電系數αCF<4；剖面形狀系數P.F.=(2P1+2P2+S)/I=(2×62+2×46+60)/252=1.1。

c.產品結構高度

根據傘形設計，為滿足爬電距離要求，需要127組傘，其干弧距離St=7660 mm；法蘭高度L=165 mm。因此產品的結構高度H=St+2L=7660+2×165=7990 mm。

產品結構和外形尺寸如圖1所示。

圖1 復合空心絕緣子結構尺寸

2 主要材料和工藝控制

2.1 傘套材料

按硫化機理，硅橡膠可以分為高溫硫化硅橡膠(HTV)、室溫硫化硅橡膠(RTV)和液體硅橡膠(LSR)。

由于液體硅橡膠含膠量可達70%，電氣性能好、機械性能優異、抗撕裂強度高，可以有效防止鳥啄和外力破壞。采用鉑金催化技術進行硫化，無任何副產物，屬環保產品，因此采用液體硅橡膠作為傘套材料。

2.2 內襯管材料

內襯管以環氧樹脂為基材，以玻璃纖維為增強材料，采用玻璃纖維濕法纏繞成型[4]。考慮復合空心絕緣子承受的內壓力和彎曲負荷，玻璃纖維纏繞角度為54o[5]。

針對玻璃纖維濕法纏繞成型制作的管內部氣隙多的問題，對樣品進行染料滲透試驗和水擴散試驗。

a.染料滲透試驗[6]

從正常生產的內襯管上切割6個樣品，長度為10 mm。將直徑為1 mm的鋼球放置在玻璃容器內，將質量分數為1%的品紅溶液倒入容器內，高于鋼球3 mm，將內襯管樣品置于容器內。經過15 min浸泡后，品紅溶液沒有貫通樣品，符合標準要求。如圖2所示。

(a)開始時(b) 15 min后

b.水擴散試驗[7-8]

從正常生產的內襯管上切割6個樣品，長度為30 mm，寬度為15 mm。樣品在0.1%NaCl的去離子水中煮沸100 h后，進行電壓試驗。試驗電壓以1 kV/s的速度升高至12 kV，保持1 min。試驗過程中測量泄漏電流平均值為0.052 mA，符合標準要求。

2.3 端部法蘭

端部法蘭選用高強度、耐腐蝕的鑄造鋁合金ZL101A，以金屬模低壓鑄造成型，保證了端部法蘭的機械性能。

2.4 生產工藝

為了保證傘套與端部法蘭界面的密封，端部法蘭與內襯管進行組裝后成型傘套，避免多余界面存在。由于產品較長，液體硅橡膠分段注射成型，傘套搭接面通過涂覆過渡劑保證2次成型的傘套粘接。

3 產品彎曲試驗

電纜戶外終端安裝運行時會承受各種外力影響[9]，因此復合空心絕緣子必須具備足夠的機械強度。產品設計最大機械負荷(MML)為10 kN，彎曲破壞力大于25 kN，對該產品進行彎曲破壞試驗，在31 kN時復合空心絕緣子內襯管開裂，如圖3所示。產品的試驗值為設計值的1.24倍，驗證該產品能夠承受電纜戶外終端運行時的外力影響。

圖3 產品的彎曲試驗

4 結論

a.根據GB/T 22078.3—2008標準要求，對海拔高度4000 m地區的500 kV電纜戶外終端用復合空心絕緣子進行設計，復合空心絕緣子爬電距離為32 000 mm，結構高度為7990 mm。

b.通過材料選擇和生產工藝控制，保證500 kV電纜復合空心絕緣子的優異性能。

c.彎曲試驗破壞值為設計值的1.24倍，驗證設計的產品能夠承受電纜戶外終端運行時的外力影響。