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(1.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，鄭州 450052; 2.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司 三門峽供電公司，河南 三門峽 472000; 3.電氣與電子工程學(xué)院，強(qiáng)電磁工程 與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華中科技大學(xué))，武漢 430074)

0 引言

我國(guó)經(jīng)濟(jì)正在處于高速發(fā)展時(shí)期，目前的特高壓線路仍不能滿足持續(xù)增長(zhǎng)的輸送能力要求，仍需要不斷推進(jìn)特高壓等級(jí)電網(wǎng)的建設(shè)，帶動(dòng)電力工業(yè)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)快速發(fā)展。按照國(guó)家電網(wǎng)公司規(guī)劃，到2020年前后國(guó)家電網(wǎng)特高壓骨干網(wǎng)架將基本形成，跨區(qū)輸送容量將超過2億千瓦，占全國(guó)總裝機(jī)容量的20%以上。屆時(shí)，由周邊國(guó)家向中國(guó)遠(yuǎn)距離、大容量跨國(guó)輸電將成為可能[1]。

特高壓線路承擔(dān)跨區(qū)電能輸送任務(wù)，承擔(dān)國(guó)網(wǎng)公司構(gòu)建“全球能源互聯(lián)網(wǎng)”歷史使命，同時(shí)由于電壓等級(jí)和輸電容量的緣故，特高壓線路一旦因?yàn)榻^緣子問題出現(xiàn)故障跳閘或閉鎖將會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，甚至可能出現(xiàn)大范圍停電從而影響社會(huì)和諧安全，因此，開展特高壓線路交直流工程用大噸位絕緣子運(yùn)行特性的跟蹤分析評(píng)估研究，調(diào)查我國(guó)現(xiàn)有特高壓線路大噸位絕緣子的使用情況以及運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題，對(duì)于我國(guó)特高壓線路的建設(shè)和大噸位絕緣子的使用都有著重要的意義[2-3]。

1 特高壓大噸位絕緣子基本介紹

目前在特高壓工程中使用的大噸位絕緣子主要為額定拉力420 kN及以上絕緣子，形式主要包括：瓷、玻璃絕緣子，噴涂RTV涂料的瓷、玻璃絕緣子及復(fù)合絕緣子[4-5]。其中，耐張串一般采用瓷絕緣子，在山區(qū)、丘陵等地采用玻璃絕緣子，重污穢區(qū)域采用復(fù)合絕緣子[6]，如圖1所示。

圖1 特高壓交直流線路使用絕緣子類型Fig.1 Type of insulator for UHV AC and DC transmission lines

特高壓交流輸電線路采用300、420、550 kN型盤形懸式瓷和玻璃絕緣子，其中300、420 kN普通型盤形懸式瓷和玻璃絕緣子在特高壓輸電線路中使用廣泛，已經(jīng)積累了大量運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，550 kN等級(jí)的絕

緣子的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少。對(duì)于復(fù)合絕緣子而言，特高壓交流線路的使用等級(jí)在210～550 kN范圍內(nèi)，它的主要尺寸和技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 1 000 kV復(fù)合絕緣子主要尺寸及技術(shù)參數(shù)Table 1 Main dimensions and technical parameters of 1 000 kV composite insulator

直流絕緣子和交流絕緣子在運(yùn)行過程中所處的電壓類型不同，它們?cè)诜e污和污閃特性方面具有明顯的不同，具體表現(xiàn)在：1)直流絕緣子所處電場(chǎng)為單向電場(chǎng)，表面積污相較于交變電場(chǎng)下的交流絕緣子而言要更為嚴(yán)重，一般要高于交流絕緣子一倍；2)即便積污情況相同，直流絕緣子的污閃電壓也要低于交流絕緣子，一般要低15%～30%。在設(shè)計(jì)和制造時(shí)需要考慮二者的這些差異，特高壓直流工程線路用瓷絕緣子示意圖如圖2所示，特高壓直流輸電線路用盤形懸式絕緣子技術(shù)參數(shù)如表2所示。

(a)三傘型直流瓷絕緣子

(b)鐘罩型直流瓷絕緣子圖2 特高壓直流工程線路用瓷絕緣子示意圖Fig.2 Schematic diagram of porcelain insulators for UHV DC transmission line

種類型號(hào)額定負(fù)荷/kN結(jié)構(gòu)高度/mm盤徑/mm鐘罩型U210B/170H210170320U300B/195H300195400U420B/250H420205340U550B/240H520240380三傘型U210B/170T210170340U300B/195T300195400U420B/205T420205400U550B/240T550240400

除此之外，在新建特高壓直流線路懸垂串上越來越多的使用高溫硫化硅橡膠復(fù)合絕緣子，在±800 kV直流線路上使用的復(fù)合絕緣子的技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 ±800 kV特高壓直流線路復(fù)合絕緣子技術(shù)參數(shù)Table 3 Technical parameters of composite insulators of ±800 kV UHV DC transmission line

目前我國(guó)線路上批量使用的絕緣子中，機(jī)械強(qiáng)度最高已經(jīng)達(dá)到550 kN，2012年我國(guó)研發(fā)出760 kN大噸位盤形懸式絕緣子和玻璃絕緣子，并已經(jīng)通過鑒定，已有多個(gè)制造廠家生產(chǎn)的760 kN盤形絕緣子在±800 kV特高壓直流工程中試掛。輸電線路耐張串應(yīng)用大噸位絕緣子，可以有效降低絕緣子聯(lián)數(shù)，簡(jiǎn)化金具串型和鐵塔掛點(diǎn)，提高工程可靠性，并能夠在批量應(yīng)用后有效降低工程建設(shè)成本。

2 特高壓大噸位絕緣子掛網(wǎng)情況

根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)展規(guī)劃，公司以構(gòu)建“三華”特高壓同步電網(wǎng)為目標(biāo)，力爭(zhēng)2020年建成“五縱五橫”特高壓交流網(wǎng)架和27回特高壓直流工程。截止至2014年底，國(guó)網(wǎng)范圍110(66)kV以上的架

空輸電線路的長(zhǎng)度為794 065.8 km，其中特高壓交流1 000 kV輸電線路的長(zhǎng)度為3 099.327 km，特高壓±800 kV直流輸電線路的長(zhǎng)度為7 793.029 km，如表4所示。

表4 截至2014年底特高壓輸電線路長(zhǎng)度Table 2 UHV transmission line length by the end of 2014

在全國(guó)范圍內(nèi)，國(guó)網(wǎng)河南、浙江和湖南省電力公司運(yùn)維特高壓1 000 kV交流和±800 kV直流線路長(zhǎng)度占比很大，具體長(zhǎng)度如表5所示。

表5 三省電力公司特高壓線路運(yùn)維情況Table 5 Operation and maintenance of UHV power lines in three provinces

截止2014年底，三省公司共計(jì)運(yùn)維特高壓交流1 000 kV線路1 528.1 km，占全國(guó)1 000 kV線路長(zhǎng)度49.3%；運(yùn)維特高壓直流±800 kV線路1 945.7 km，占全國(guó)±800 kV線路長(zhǎng)度25.0%。(截至2014年底1 000 kV線路共計(jì)3 099.3 km；±800 kV直流線路7 793.0 km)。另外考慮到所選三省運(yùn)維特高壓交直流線路上選用的絕緣子類型涵蓋了瓷、玻璃絕緣子(含涂敷RTV后的絕緣子)和復(fù)合絕緣子，同時(shí)覆蓋全國(guó)典型地形如盆地、山地、丘陵、嚴(yán)寒，典型氣候如溫帶-亞熱帶、濕潤(rùn)-半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候、暖溫帶、亞熱帶、亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，因此本文選取河南、浙江和湖南作為取樣調(diào)研對(duì)象。

經(jīng)過調(diào)研統(tǒng)計(jì)，三省特高壓交直流線路共計(jì)使用各類絕緣子56 863串，其中玻璃絕緣子7 836串、瓷絕緣子19 551串、復(fù)合絕緣子29 476串。而在這些絕緣子中共有大噸位絕緣子30 630串，其中玻璃絕緣子7 554串、瓷絕緣子12 060串、復(fù)合絕緣子11 016串，分別占比為96.40%、56.57%、37.37%。大噸位絕緣子的使用占絕緣子總數(shù)的比例如圖3所示。

圖3 大噸位絕緣子的使用占比情況Fig.3 Proportion of the use of large tonnage insulators

按照懸掛類型來看，三省特高壓交直流線路共計(jì)使用耐張串大噸位絕緣子16 658串，懸垂串大噸位絕緣子15 318串，如圖4所示。

圖4 大噸位絕緣子懸掛類型情況Fig.4 Suspension type of large tonnage insulators

按照噸位分布來看，三省特高壓交直流線路上使用的大噸位絕緣子一共涉及420 kN、550 kN和760 kN三個(gè)噸位，其中760 kN只在河南省天中線上懸掛了6串，使用較少，大部分絕緣子屬于420 kN和550 kN兩個(gè)等級(jí)，如圖5所示。

圖5 大噸位絕緣子噸位分布情況Fig.5 Tonnage distribution of large tonnage insulators

隨著特高壓線路的發(fā)展，與之相對(duì)應(yīng)的絕緣子的生產(chǎn)和應(yīng)用也得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步，目前國(guó)內(nèi)大噸位絕緣子生產(chǎn)廠家越來越多地涌現(xiàn)，且其產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于特高壓交直流線路，能夠滿足各個(gè)電壓等級(jí)的需要。

3 特高壓大噸位絕緣子主要運(yùn)行故障

3.1 運(yùn)行總體情況

隨著我國(guó)特高壓線路的快速發(fā)展，用于特高壓線路的大噸位絕緣子的數(shù)量越來越多，它們?cè)谶@些高電壓等級(jí)的交直流線路上表現(xiàn)出了優(yōu)良的性能。然而，由于特高壓線路電壓等級(jí)較高，線路上的大噸位絕緣子承受的電壓高，導(dǎo)致其需要負(fù)載更大的機(jī)械載荷，機(jī)電特性、安全運(yùn)行性能面臨更大考驗(yàn)。2010年至2014年，有記錄的特高壓交、直流線路絕緣子的故障類型及次數(shù)如表6所示。

表6 2010年至2014年特高壓線路絕緣子故障類型及次數(shù)Table 6 Type and frequency of insulator fault in UHV transmission lines from 2014 to 2010

特高壓交、直流大噸位絕緣子各種故障類型所占比例情況如圖6所示。

圖6 特高壓交、直流大噸位絕緣子各種故障類型所占比例Fig.6 Proportion of various types of faults in large tonnage insulators of UHV AC and DC lines

依照特高壓交直流線路上使用的絕緣子類型來看，各種故障主要可以總結(jié)分為三類，即玻璃絕緣子自爆、瓷質(zhì)絕緣子低零值和復(fù)合絕緣子傘裙破損。

3.2 大噸位玻璃絕緣子自爆

國(guó)內(nèi)某特高壓直流±800 kV線路巡視時(shí)發(fā)現(xiàn)某區(qū)段線路耐張塔鋼化玻璃絕緣子自爆117片，絕緣子自爆率為0.1%，超出規(guī)程要求，如圖7所示。

圖7 特高壓直流±800 kV玻璃絕緣子自爆F(xiàn)ig.7 Blew of UHV DC ±800 kV glass insulator

湖南電網(wǎng)三大特高壓線路有玻璃絕緣子掛網(wǎng)運(yùn)行的是±800 kV賓金線和錦蘇線?！?00 kV賓金線自2014年投運(yùn)以來，共計(jì)自爆大噸位玻璃絕緣子共23片，自爆率0.184‰；±800千伏錦蘇線自2012年投運(yùn)以來，共計(jì)自爆大噸位玻璃絕緣子56片，自爆率0.0232%。

玻璃絕緣子具有零值自爆的特點(diǎn)，檢測(cè)方便，在實(shí)際運(yùn)維中可以減少人工測(cè)量的工作量，同時(shí)遭遇閃絡(luò)故障時(shí)不易發(fā)生掉串事故，因而在電網(wǎng)運(yùn)行中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但是，一旦發(fā)生玻璃絕緣子的自爆事件，可能會(huì)對(duì)輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成重大威脅，更為嚴(yán)重的是，短時(shí)間內(nèi)的玻璃絕緣子集中自爆甚至?xí)鹁€路的跳閘故障[7-8]。

玻璃絕緣子的自爆是由其自身內(nèi)部玻璃件的鋼化應(yīng)力不均勻?qū)е碌?。自爆現(xiàn)象一般用自爆率進(jìn)行評(píng)估，而自爆率又與絕緣子的老化相掛鉤。一般而言，瓷和復(fù)合絕緣子的老化具有后期暴露的特點(diǎn)，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，老化程度不斷加深，自爆率也隨之上升[9]。而玻璃絕緣子的老化屬于早期暴露現(xiàn)象，其自爆率隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)并最終穩(wěn)定在一定水平上。

玻璃絕緣子在運(yùn)行過程中受到電場(chǎng)力和線路機(jī)械力的作用，長(zhǎng)期的影響下會(huì)使得玻璃絕緣子本身逐漸劣化。這時(shí)，如果制造不合理導(dǎo)致內(nèi)部存在缺陷如含有雜質(zhì)或者突然承受外界的較大沖擊力，則維持玻璃體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力平衡受到破壞，從玻璃體內(nèi)部釋放出較大的沖擊張力，使絕緣子爆炸毀壞，即發(fā)生“自爆”。

從玻璃絕緣子自爆的原因來看，主要可以分為內(nèi)因和外因兩個(gè)部分。其中，玻璃絕緣子內(nèi)部是否含有雜質(zhì)微粒是影響絕緣自是否自爆的主要原因。在絕緣子制造過程中，一旦混入石英顆粒、混濁原料等雜質(zhì)，由于它們與玻璃顆粒的熱膨脹系數(shù)不同，容易擾亂玻璃體內(nèi)部應(yīng)力的分布，降低在受到外界熱干擾和應(yīng)力沖擊時(shí)的承受能m力，就極易發(fā)生自爆。從外因來看，裸露的玻璃絕緣子受到的較大的溫差變化、長(zhǎng)期污穢沉積和外界應(yīng)力沖擊等均會(huì)提高自爆幾率。尤其是當(dāng)幾種因素共同作用下，表面電流上升引發(fā)局部放電導(dǎo)致絕緣程度下降，最終引起擊穿。

3.3 大噸位瓷質(zhì)絕緣子低零值

某特高壓交流1 000 kV線路瓷質(zhì)絕緣子鋼帽有持續(xù)放電現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)照片如圖8所示。

圖8 放電現(xiàn)象Fig.8 Discharge phenomenon

湖南省±800 kV賓金線自投運(yùn)以來，于2016年停電檢修期間通過零值檢測(cè)發(fā)現(xiàn)1601號(hào)存在2片低零值絕緣子。

絕緣子隨著運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，由于長(zhǎng)期受到自然環(huán)境的影響，會(huì)逐漸向老化狀態(tài)發(fā)展，具體表現(xiàn)就是絕緣水平的下降。對(duì)瓷質(zhì)絕緣子而言，其老化就是指絕緣性能降低到達(dá)零值，兩端絕緣電阻很低，通常將其稱作零值絕緣子[10]。

懸式瓷絕緣子主要由四部分構(gòu)成，分別為鑄鋼帽、水泥交合部分、瓷質(zhì)部分和連接桿，其中瓷質(zhì)部分是其中的主要絕緣部件。我國(guó)一直以來在瓷質(zhì)絕緣子的制造工藝上普遍采用長(zhǎng)石、石英和黏土作為主要原材料。由于這些不同材料的熱學(xué)性能存在較大差異，受熱時(shí)的膨脹系數(shù)各不相同，當(dāng)外界環(huán)境的溫度變化較大時(shí)，各材料組分延展和收縮幅度不均，在瓷絕緣件內(nèi)部產(chǎn)生很大的軸向壓應(yīng)力和切向剪應(yīng)力，積累到一定程度時(shí)就會(huì)使絕緣件斷裂擊穿，絕緣性能下降成為零值絕緣子[11]。同時(shí)，瓷質(zhì)材料自身強(qiáng)度較低的特點(diǎn)以及可能產(chǎn)生的剝釉剝砂現(xiàn)象,也會(huì)加深瓷質(zhì)絕緣子在使用過程中,對(duì)外界溫度變化和外加機(jī)械應(yīng)力的反應(yīng)程度，加快瓷件的破壞進(jìn)程。

正如前面所述瓷質(zhì)絕緣子與玻璃絕緣子老化進(jìn)程存在差異，瓷質(zhì)絕緣子的老化具有后期暴露的特點(diǎn)，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)，其機(jī)電性能逐漸衰減。有相關(guān)資料顯示，懸式瓷絕緣子在運(yùn)行早期(開始運(yùn)行2～3年)和運(yùn)行一段時(shí)間后(20年左右)劣化情況較嚴(yán)重。我國(guó)每年特高壓交、直流線路中懸式瓷絕緣子的平均劣化率達(dá)到千分之六，而日本僅僅只有十萬分之二左右，說明絕緣子的生產(chǎn)和運(yùn)維水平還有較大的提升空間。

3.4 大噸位復(fù)合絕緣子傘裙破損

某特高壓交流1 000 kV線路年度檢修中發(fā)現(xiàn)復(fù)合絕緣子(懸垂串)傘裙破損穿孔、撕裂，現(xiàn)場(chǎng)照片如圖9所示。

圖9 交流線路傘裙破損現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.9 AC line umbrella skirt damage site map

在±800 kV直流線路上，也有大噸位復(fù)合絕緣子傘裙破損現(xiàn)象的發(fā)生，現(xiàn)場(chǎng)圖如圖10所示。

圖10 直流線路傘裙破損現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.10 DC line umbrella skirt damage site map

復(fù)合絕緣子傘裙破損主要有三個(gè)方面的原因。首先是復(fù)合絕緣子自身材料因素的影響。瓷和玻璃屬于無機(jī)材料的范疇，而復(fù)合絕緣子的傘裙護(hù)套采用的有機(jī)硅橡膠則是有機(jī)材料[12]。與無機(jī)材料不同的是，使有機(jī)材料中各元素分子結(jié)合的作用力是共價(jià)鍵的鍵和力，其作用程度較弱，共價(jià)鍵容易斷裂，構(gòu)成有機(jī)材料的大分子團(tuán)不穩(wěn)定，因此其老化速度要明顯快于瓷和玻璃等無機(jī)材料。

另一個(gè)原因是絕緣子表面放電尤其是電暈放電的影響。當(dāng)電網(wǎng)中產(chǎn)生過電壓時(shí)，絕緣子表面電場(chǎng)強(qiáng)度上升，當(dāng)達(dá)到0.5～ 0.7 kV/cm，且在受潮狀況下，絕緣子表面就會(huì)產(chǎn)生電暈放電現(xiàn)象。電暈放電會(huì)產(chǎn)生臭氧并制造高溫環(huán)境。其中臭氧會(huì)對(duì)絕緣子表面的有機(jī)硅橡膠產(chǎn)生較強(qiáng)的氧化作用，加速絕緣子絕緣性能的退化；同時(shí)產(chǎn)生的高溫環(huán)境也對(duì)有機(jī)材料內(nèi)部的各種化學(xué)反應(yīng)有促進(jìn)作用，不僅加速有機(jī)硅橡膠內(nèi)部共價(jià)鍵的斷裂，還會(huì)引起交聯(lián)反應(yīng)的發(fā)生[13-14]。

此外，外界環(huán)境諸如紫外線、高溫、污穢沉積和降水等也對(duì)復(fù)合絕緣子傘裙破損有一定影響[15]。酸雨侵蝕絕緣子表面護(hù)套并制造潮濕環(huán)境，長(zhǎng)期的污穢積累降低絕緣子表面耐壓水平，使表面放電得以發(fā)生。表面放電過程中產(chǎn)生的熱量和臭氧又會(huì)造成局部溫升，加速各種化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程[16]。在多種因素的作用之下，絕緣子表面?zhèn)闳沟钠茡p以及絕緣性能的下降以一個(gè)較快的速度發(fā)展。

4 結(jié)論

對(duì)全國(guó)幾個(gè)主要省份特高壓大噸位絕緣子的使用情況進(jìn)行了調(diào)研分析，對(duì)其掛網(wǎng)情況和運(yùn)行過程中的主要故障進(jìn)行了討論。針對(duì)不同類型的大噸位絕緣子，分別對(duì)其故障類型和機(jī)理進(jìn)行了分析。最后得到以下結(jié)論：

1)特高壓線路上大噸位瓷絕緣子使用數(shù)量最多，而大噸位玻璃絕緣子在同類型絕緣子中占比最高，達(dá)到96.40%；耐張串和懸垂串比例相當(dāng)，占比分別為51.95%和48.05%；噸位主要分布在420 kN和550 kN這兩個(gè)等級(jí)，且550 kN占比較高，比例為62.07%。

2)特高壓交、直流線路上所發(fā)生的各類故障中，發(fā)生頻次最高的為玻璃絕緣子自爆和瓷質(zhì)絕緣子低零值，其次為復(fù)合絕緣子傘裙破損。

3)大噸位玻璃絕緣子自爆原因是內(nèi)部雜質(zhì)影響和外部溫差、污穢和應(yīng)力作用；瓷質(zhì)絕緣子各種結(jié)構(gòu)物質(zhì)熱膨脹系數(shù)不同是其開裂擊穿形成低零值的主要原因；復(fù)合絕緣子硅橡膠傘裙護(hù)套的材料缺陷與電暈放電的產(chǎn)生容易引起傘裙破損。