DQZHAN技術訊：特高壓交流輸電線路的絕緣子如何選型？
本文將分別從預期壽命、失效率和檢出率以及電氣性能方面討論三種常用特高壓線路絕緣子，并給出特高壓絕緣子選型建議，保證電力系統運行可靠性的同時抑制設備制造成本。
特高壓交流輸電線路絕緣子選型
絕緣子的選型是特高壓輸電線路絕緣配合*為重要的內容之一。合理確定絕緣子的型式對于在保證電力系統運行的可靠性的同時，控制設備制造成本有著重要意義。
特高壓線路絕緣子主要有玻璃絕緣子、復合絕緣子以及瓷絕緣子，在我國特高壓線路中均得到實際應用。我們就三種絕緣子分別從預期壽命、失效率和檢出率以及電氣性能等方面進行討論，給出特高壓絕緣子的選型建議。
1、預期壽命
瓷絕緣子的絕緣部件由無機材料氧化鋁陶瓷制成，該材料具有優良的抗老化能力和化學穩定性。玻璃絕緣子是以鋼化玻璃為絕緣體，通過水泥膠合劑與其他金屬吊掛件裝配而成，并采用“熱鋼化”工藝，賦予了玻璃表層高達100～250MPa的長久預應力，使鋼化玻璃的強度增大，熱穩定性提高，抗老化性加強，壽命延長。
根據我國對已運行5～30年的玻璃和瓷絕緣子進行的機電性能跟蹤對比試驗，玻璃絕緣子的使用壽命取決于金屬附件，瓷絕緣子的使用壽命取決于絕緣件；運行經驗表明，玻璃絕緣子運行40a，機電性能變化不大，而瓷絕緣子平均壽命周期為15～25a。
復合絕緣子外絕緣采用有機材料硅橡膠，在電暈放電、紫外線輻射、潮濕環境、溫度變化以及化學腐蝕等因素用下比較容易老化，對其使用壽命研究需長時間的跟蹤觀察，目前復合絕緣子只有20多年的運行經驗，尚無足夠數據支撐。從國內外運行經驗來看，只要復合絕緣子能夠保證出廠質量，使用壽命達到10a是沒有問題的。
2、失效率和檢出率
瓷絕緣子的失效表現形式為經過長時間運行后，材料老化，絕緣性能降到很低甚至為零。這種低值或者零值絕緣子無法從外表看出來，需要通過試驗檢測查出。
玻璃絕緣子失效表現為零值自破，即玻璃絕緣子在絕緣性能失去時，玻璃傘盤會爆裂破損。玻璃絕緣子在自破后，維修人員可以直接用肉眼觀察到破碎的玻璃傘盤，所以玻璃絕緣子的失效檢出率比瓷絕緣子高很多，通常認為玻璃絕緣子是不需要進行零值檢測的，其維護檢測工作量也比瓷絕緣子小得多。另有統計表明，國產玻璃絕緣子在其壽命周期內平均失效率為比瓷絕緣子低1～2個數量級。
復合絕緣子內絕緣距離和外絕緣距離幾乎相等。結構上屬于不可擊穿型絕緣子，不存在零值絕緣子的問題，也就不需要零值檢測。但是復合絕緣子的失效表現形式為傘裙硅橡膠蝕損以及隱蔽的“界面擊穿”，無法直接觀察，必須使用儀器逐只檢測及更換，導致維護工作量及費用增加。
3、電氣性能
目前，在我國線路上大量應用的絕緣子主要有：輕度中度污穢地區主要是雙層傘形絕緣子XWP-300、三傘瓷絕緣子CA-876、普通瓷絕緣子CA-590和玻璃絕緣子FC300；重污穢地區和高海拔地區主要為復合絕緣子。
對以上絕緣子進行人工污穢實驗，得到了在標準大氣壓下，不同鹽密下各絕緣子單位長度50%閃絡電壓（kV/m）曲線，如圖2所示。
從圖2a可以看出，復合絕緣子在不同鹽密下，其單位長度閃絡電壓*高，并且隨著鹽密的增加，閃絡電壓下降緩慢，耐污閃性能*為優越。其次是三傘型瓷絕緣子，在鹽密較小時，三傘瓷絕緣子單位長度閃絡電壓較高，但隨著鹽密的增大，閃絡電壓下降較為迅速。對比以上兩種絕緣子，普通型玻璃絕緣子耐污閃性能*差。
圖2b對比了三種傘形瓷絕緣子的耐污閃性能。可以看出，傘裙形狀對同種材質的絕緣子耐污閃性能有較大的影響：傘形絕緣子的耐污閃性能明顯優于普通型絕緣子；三傘絕緣子的耐污閃性能優于雙傘絕緣子。
隨著海拔升高，氣壓降低，污穢絕緣子的閃絡電壓也會下降，文獻2提出了海拔高度與閃絡電壓之間的線性表達式如下：
上式中，U0為絕緣子在標準大氣壓下閃絡電壓，U為海拔高度為H（km）時閃絡電壓，k為下降斜率（km-1），反映海拔高度對閃絡電壓的影響。
文獻1對低氣壓下絕緣子的閃絡電壓進行了研究，得到不同類型絕緣子在不同海拔高度下的閃絡電壓，進而求得絕緣子的下降斜率如表2所示：
由表2可以看出，復合絕緣子的下降斜率較小，高海拔絕緣性能良好；玻璃絕緣子在輕度污穢地區相比三種瓷絕緣子會有較好的耐高海拔性能；雙傘瓷絕緣子、三傘瓷絕緣子隨海拔上升，絕緣性能有較大下降。
實際應用中，不僅需要考察絕緣子的耐污閃和高海拔特性，還應考慮到特高壓電網的特殊性，對絕緣子的均壓性能及耐電弧性能等進行考察。
首先，絕緣子串應具有一定的均壓性能。
特高壓線路絕緣子串的長度是超高壓的兩倍左右。此時，絕緣子串上的電壓分布很不均勻，壓降主要集中在絕緣子串兩端，使得整個絕緣子串利用率大大降低。因此在選型時，應充分考慮絕緣子的均壓設計。
玻璃絕緣子的介電常數比瓷絕緣子略大，使得玻璃絕緣子主電容比瓷絕緣子大，當絕緣子成串使用時，每片絕緣子受對地和對導線的旁路雜散電容的影響相對較小，故整串的電壓分布也較瓷絕緣子更為均勻。這對減小無線電干擾、降低電暈損耗以及延長絕緣子的使用壽命有利，且可以提高玻璃絕緣子串的閃絡電壓。國網電科院分別測量了配置相同形式均壓環的瓷絕緣子串與玻璃絕緣子串的電壓分布，結果表明，玻璃絕緣子串的整體電壓分布趨勢與瓷絕緣子相似，但導線側幾片玻璃絕緣子承受的電壓比瓷絕緣子低8%左右。
復合絕緣子在工頻電壓作用下表面場強和電壓分布極不均勻，芯棒和金具連接處場強*高達6.5kV/cm，而導線側**個傘裙上的分布電壓一般都遠高于整串絕緣子平均分布電壓，在長期工作電壓的作用下該片絕緣傘裙有可能提前老化，從而失去絕緣能力并*終導致整個絕緣子報廢。實際中，可以通過加裝均壓環來改善復合絕緣子端部場強集中的問題。另外，也可采用復合絕緣子與數片玻璃絕緣子的混合串聯形式來解決該問題，即在復合絕緣子的頭部再串入數片玻璃絕緣子，由靠近線路側的玻璃絕緣子來承受*高分布電壓，從而避免復合絕緣子在強電場下發生提前老化。
其次，絕緣子應具有一定的耐電弧能力。
絕緣子發生閃絡時，有溫度極高的電弧流過，表面會留下燒灼痕跡，絕緣子的絕緣性能會遭到破壞。不同的絕緣子耐電弧能力不同。試驗結果表明：玻璃絕緣子的耐電弧**能力明顯優于瓷絕緣子；玻璃絕緣子在遭受雷電電弧燒灼后，表面剝落一層玻璃，新表面仍是光滑的玻璃體，絕緣強度不會下降，仍可長期運行；但瓷絕緣子在經電弧燒灼后，表面釉層剝落，露出的瓷體容易積污，導致絕緣性能下降，所以遭雷擊**的瓷絕緣子必須更換；復合絕緣子在雷擊后一般只留下白色電弧痕跡，不影響其使用，也不需要更換，但必須注意兩端金具的燒蝕情況。
再次，閃絡后絕緣子不會發生掉串。
玻璃絕緣子發生自破后，在遭受雷擊時，其電弧的引流通道將鐵帽邊緣和鋼腳桿徑直接連通，不可能繞道鐵帽內部形成通道，不會在鐵帽內部聚集大量熱量導致鐵帽爆炸，所以玻璃絕緣子即使是零值自破后，遭遇雷擊閃絡仍不會造成掉串事故。
盤形懸式瓷絕緣子屬可擊穿型絕緣子。隨著運行時間的增長，會出現劣化現象，變成低值或零值絕緣子。當含有低值絕緣子片的絕緣子串上發生雷擊或污穢閃絡時，系統的接地短路造成的工頻續流通過低值絕緣子片頭部。使氣體急劇膨脹，鐵帽爆炸，導致絕緣子斷串，甚至導線落地。國內已多次出現瓷絕緣子掉串重大事故。
復合絕緣子的掉串通常是由芯棒斷裂引起的。造成芯棒斷裂的主要原因是絕緣子高壓端部密封**，芯棒受到酸性物質的腐蝕，易發生斷裂的位置在絕緣子導線端的金具連接處附近。早期生產的復合絕緣子，在芯棒與端部的附件、芯棒與傘裙之間很容易出現密封膠開縫的情況。在高電場下，絕緣子長期工作在電暈放電狀況，在潮濕的大氣中放電產生的酸性液體侵入芯棒玻璃纖維后造成芯棒發生酸蝕，*終導致復合絕緣子發生斷裂。但是近幾年，復合絕緣子生產廠家普遍采用了整體注射成型工藝、壓接式連接新工藝使得絕緣子密封性能提高。同時，采用耐酸的芯棒也在一定程度上降低了復合絕緣子的掉串事故發生概率。
選型建議
綜上分析，三傘型和雙傘瓷絕緣子具有較好的耐污閃性能，已在我國實際工程中得到大量應用；玻璃絕緣子有著優良的機械和電氣性能：強度高、耐電弧且電壓分布更均勻，但耐污型的雙傘和三傘型玻璃絕緣子還處于研究中，實際運行的非常少，目前普通型玻璃絕緣子耐污閃能力還不如三傘型和雙傘瓷絕緣子；復合絕緣子質量輕，憎水性好，耐污閃性能和高海拔絕緣性能**，同時還具有優越的抗機械沖擊能力，可縮短輸電線路的重建工期，并可降低工程造價。
對于特高壓交流絕緣子串形、型式的選擇，有如下建議:
1.對于輕度污穢區，懸垂串一般采用雙傘型瓷絕緣子或普通型玻璃絕緣子，V形串一般采用雙傘型瓷絕緣子或普通型玻璃絕緣子，耐張串一般采用雙傘型瓷絕緣子或普通型玻璃絕緣子。
2.對于中度及以上污穢區，懸垂串一般采用合成絕緣子，V形串一般也采用合成絕緣子，而耐張串則宜采用雙傘型瓷絕緣子或普通型玻璃絕緣子。
3.對于重冰區，復合絕緣子覆冰后，會失去憎水性，且復合絕緣子傘裙較小，相鄰兩傘裙易被冰凌橋接，絕緣性能下降嚴重，故在重冰區更傾向于采用雙傘型瓷絕緣子或普通型玻璃絕緣子。此時，懸垂串一般采用雙傘型瓷絕緣子或普通型玻璃絕緣子，V形串一般采用雙傘型瓷絕緣子或普通型玻璃絕緣子，耐張串一般采用雙傘型瓷絕緣子或普通型玻璃絕緣子。
4.對于高海拔地區，懸垂串一般采用合成絕緣子，V形串一般也采用合成絕緣子，而耐張串則采用雙傘型瓷絕緣子或普通型玻璃絕緣子。
5.由于三傘型瓷絕緣子結構較復雜，成本較高，目前在實際工程中的應用沒有雙傘型瓷絕緣子廣泛。
