高壓輸電線路絕緣子的選用

1 緒論

伴隨著大慶油田的發(fā)展，油田電網(wǎng)也已經(jīng)走過(guò)了四十幾年的歷程，從剛開(kāi)始的幾公里輸電線路發(fā)展至現(xiàn)在的幾千公里輸電線路。絕緣子作為輸電線路的一個(gè)重要組成部分，也分為瓷質(zhì)絕緣子、合成絕緣子及新開(kāi)發(fā)研制的玻璃鋼型絕緣子。絕緣子的可靠性評(píng)價(jià)和合理選用直接關(guān)系到輸電線路的安全運(yùn)行，哪種型式的絕緣子更適合油田電網(wǎng)高壓輸電線路呢?

2 對(duì)絕緣子可靠性評(píng)價(jià)的五項(xiàng)準(zhǔn)則

運(yùn)行的可靠性是決定絕緣子生命力的關(guān)鍵。最好的評(píng)價(jià)應(yīng)是大量絕緣子在輸電線路上長(zhǎng)期運(yùn)行的統(tǒng)計(jì)結(jié)果和可靠性試驗(yàn)所反映出來(lái)的性能水平。因此，評(píng)價(jià)絕緣子應(yīng)遵循下述準(zhǔn)則：

2.1 壽命周期

產(chǎn)品在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的使用條件下，能夠保持其性能不低于出廠標(biāo)準(zhǔn)的最低使用年限為“壽命周期”。此項(xiàng)指標(biāo)不僅反映絕緣子的安全使用期，也能反映輸電線路投資的經(jīng)濟(jì)性。我國(guó)曾先后多次對(duì)運(yùn)行5～30 年的玻璃鋼和瓷絕緣子進(jìn)行機(jī)電性能跟蹤對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明: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。玻璃鋼絕緣子的壽命周期可達(dá) 40 年，而瓷絕緣子除全面采用 國(guó)外先進(jìn)制造技術(shù)后有可能較大幅度地延長(zhǎng)其壽命周期外，其平均壽命周期僅為15～25 年;合成絕緣子經(jīng)歷了“三代”的發(fā)展，但從迄今世界范圍內(nèi)的試驗(yàn)及運(yùn)行結(jié)果分析來(lái)看，其平均壽命周期只有 7 年。

2.2 失效率

運(yùn)行中年失效絕緣子件數(shù)與運(yùn)行絕緣子總件數(shù)之比稱為年失效率。對(duì)于國(guó)產(chǎn)玻璃鋼絕緣子,其壽命周期內(nèi)平均失效率為(1～4)×，對(duì)于國(guó)產(chǎn)瓷絕緣子的失效率，除個(gè)別合資企業(yè)產(chǎn)品將有可能降低外，比玻璃絕緣子約高 1～2 個(gè)數(shù)量級(jí);對(duì)于合成絕緣子，由于壽命周期不能預(yù)測(cè)、合成材料配方和制造工藝還不能完全定型，其失效率很難預(yù)測(cè)。

2.3 失效檢出率

絕緣子失效后能否檢測(cè)出來(lái)的檢出率對(duì)線路安全運(yùn)行的影響是比失效率本身更為重要的因素。檢出率取決于絕緣子失效的表現(xiàn)形式 和失效的原因。玻璃鋼絕緣子失效的表現(xiàn)形式是“自動(dòng)破碎”和“零 值自破”。“自破”不是老化，而是玻璃鋼絕緣子失效的唯一表現(xiàn)形 式，所以只需憑借目測(cè)就可方便地檢測(cè)出失效的絕緣子，其失效檢出率可達(dá)百分之百;瓷絕緣子失效的表現(xiàn)形式為頭部隱蔽“零值”或“低值”，合成絕緣子失效的主要表現(xiàn)形式為傘裙蝕損以及隱蔽的合成“界面擊穿”。此外，瓷和合成絕緣子失效的原因是材料的老化，而老化程度是時(shí)間的函數(shù)。老化是隱蔽的，因此給檢測(cè)帶來(lái)極大的困難，造成檢出率極低;對(duì)于合成絕緣子，實(shí)際上根本無(wú)法檢測(cè)。

2.4 事故率

年因絕緣子故障線路跳閘次數(shù)與運(yùn)行絕緣子件數(shù)之比稱為年事故率。因絕緣子掉串、污閃、零值等原因?qū)е戮€路跳閘是架空輸電線 路最為嚴(yán)重的事故之一。對(duì)于油田輸電輸電線路，若造成大面積、長(zhǎng) 時(shí)間停電，所造成的影響極其嚴(yán)重。

統(tǒng)計(jì)油田電網(wǎng)近十年來(lái)各類型絕緣子的事故率，發(fā)現(xiàn)事故率發(fā)生 最高的是合成絕緣子，其次是瓷質(zhì)絕緣子，玻璃鋼絕緣子事故率最低。而且由于合成絕緣子為長(zhǎng)棒式，內(nèi)絕緣擊穿、芯棒斷裂和強(qiáng)度下降的潛在因素始終存在，一旦失效，事故概率會(huì)高于由多個(gè)元件組成的絕 緣子串。

2.5 可靠性試驗(yàn)

為對(duì)絕緣子進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)，國(guó)內(nèi)外曾對(duì)玻璃鋼絕緣子和瓷絕緣子作過(guò)各種方式的加速壽命試驗(yàn)和強(qiáng)制老化試驗(yàn)。如:陡波試驗(yàn)、熱機(jī)試驗(yàn)、耐電弧強(qiáng)度試驗(yàn)、1500 萬(wàn)次低頻(18.5Hz)和 200 萬(wàn)次高頻 (185～200Hz)振動(dòng)疲勞試驗(yàn)及內(nèi)水壓試驗(yàn)，都從不同角度得出結(jié)論: 與玻璃鋼絕緣子相反，絕大多數(shù)瓷絕緣子都不能通過(guò)這些試驗(yàn)。對(duì)于 合成絕緣子，可靠性試驗(yàn)則還是一個(gè)有待于繼續(xù)探索的課題。

3 油田電網(wǎng)絕緣子的使用及運(yùn)行情況

大慶油田電力集團(tuán)供電公司龍南工區(qū)現(xiàn)在所管轄線路中使用的絕緣子包括瓷質(zhì)絕緣子、合成絕緣子和玻璃鋼絕緣子三種類型，其中瓷質(zhì)絕緣子有172128 片占絕緣子總數(shù)的80%、合成絕緣子16394 支占絕緣子總數(shù)的 7.0%、玻璃絕緣子37076 片占絕緣子總數(shù)的 13%。

3.1 瓷質(zhì)絕緣子

瓷質(zhì)絕緣子是最早的絕緣子類型也是油田電網(wǎng)最先使用的絕緣子，到現(xiàn)在這種絕緣子在油田電網(wǎng)已使用運(yùn)行四十多年了，占電網(wǎng)絕緣子總數(shù)的80%左右。最初使用的瓷質(zhì)絕緣子是深褐色瓷釉 LX-4.5 型絕緣子，通過(guò)幾年的運(yùn)行發(fā)現(xiàn)這種絕緣子在發(fā)生閃絡(luò)和落雷的時(shí)候 由于顏色原因極不容易被發(fā)現(xiàn)，基于這種原因后來(lái)改用1987 年統(tǒng)一 標(biāo)準(zhǔn)后的X-4.5 型和XP-7 型乳白色瓷釉絕緣子。從近三十年的運(yùn)行 情況發(fā)現(xiàn)瓷質(zhì)絕緣子積污情況比較嚴(yán)重，尤其是在化工區(qū)等重污染地區(qū)情況比較嚴(yán)重(1997 年化工區(qū)輸電線路發(fā)生過(guò)瓷質(zhì)絕緣子大面積污閃事故) ，每年的檢修工作擦拭絕緣子占去檢修時(shí)間的 60%左右，使擦拭絕緣子成為檢修工作中一項(xiàng)既耗時(shí)又耗力的工作，又由于油田穩(wěn)產(chǎn)對(duì)停電時(shí)間嚴(yán)格控制，這樣容易導(dǎo)致檢修工作不徹底或不到位，給線路安全運(yùn)行留下隱患，積污嚴(yán)重也容易造成絕緣子污閃導(dǎo)致輸電線路故障。

3.2 合成絕緣子

由于污閃和絕緣子擦拭工作的耗時(shí)耗力等原因，特別是1997 年化工區(qū)輸電線路發(fā)生瓷質(zhì)絕緣子大面積污閃事故后， 經(jīng)技術(shù)部門研究 決定將化工區(qū)等污染比較嚴(yán)重地區(qū)線路的瓷質(zhì)絕緣子全部更換為合 成絕緣子，在此之后合成絕緣子開(kāi)始逐漸在油田電網(wǎng)改造中使用。合成絕緣子具有重量輕、機(jī)電強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，因而可用于城網(wǎng)改造，用來(lái)架設(shè)緊湊型架空線路。特別是合成絕緣子具有良好的抗污閃性能，尤其適應(yīng)于化工區(qū)等污穢特別嚴(yán)重的地區(qū)使用，以有效地提高線路運(yùn)行可靠性，減少線路維護(hù)工作量。與瓷絕緣子相比，合成絕緣子優(yōu)良的防污性能是不可置疑的，在耐雷性能方面它不會(huì)發(fā)生瓷絕緣子那樣 的零值現(xiàn)象。

在合成絕緣子應(yīng)用之初起到了很好的效果，但隨著合成絕緣子的多年運(yùn)行，其缺點(diǎn)和不足也逐漸暴露。一是由于其傘裙直徑較小，干弧距離小于瓷(或玻璃)絕緣子，亦即耐雷水平小于同長(zhǎng)度的瓷(或玻 璃)絕緣子的耐雷水平，統(tǒng)計(jì)近十年線路的絕緣子落雷跳閘情況發(fā)現(xiàn)，合成絕緣子占據(jù)最高的比例。例如 35kV 龍古線全線使用合成絕緣子，2010 年就發(fā)生了3 起因絕緣子落雷跳閘的事故。二是由于絕緣子主要材料是硅橡膠，耐磨水平比較低，在輸電線路下串檢修時(shí)很容易造 成絕緣子損壞，尤其是在 110kV 線路，由于其絕緣子較長(zhǎng)，導(dǎo)線距橫擔(dān)距離遠(yuǎn)， 工作人員下串檢修在沒(méi)有專用工具的情況下很容易造成絕 緣子由于蹬踩損壞。并且合成絕緣子芯棒的抗拉可靠性比較低，可能 造成線路在施工緊線過(guò)程中耐張型合成絕緣子串發(fā)生抽芯拉斷事故。例如在1997 年110kV 興馬甲線瓷質(zhì)絕緣子更換為合成絕緣子施工過(guò) 程中就發(fā)生了由于緊線造成合成絕緣子抽芯拉斷的事故。三是雖然合 成絕緣子經(jīng)歷了“三代”的發(fā)展，但從迄今世界范圍內(nèi)的試驗(yàn)及運(yùn)行 結(jié)果分析來(lái)看，其平均壽命周期只有 7 年，而油田電網(wǎng)的合成絕緣子 68.79%已經(jīng)投入使用十年以上，29.94%已經(jīng)投入使用五至十年左右， 基本都已經(jīng)到了壽命周期，出現(xiàn)了不同程度的老化情況，各種特性都 大大降低甚至喪失。四是合成絕緣子的失效率無(wú)法檢測(cè)，可靠性試驗(yàn) 目前還處在探索階段，沒(méi)有系統(tǒng)的可以依據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 玻璃鋼絕緣子

玻璃鋼絕緣子是在2002 年至2003 年開(kāi)始在油田電網(wǎng)試用的一種新型絕緣子，2007 年油田電網(wǎng)改造新建線路中正式開(kāi)始大量使用。在玻璃絕緣子在運(yùn)行過(guò)程中有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：第一，玻璃鋼絕緣子最突 出優(yōu)點(diǎn)是“零值自爆” ，主要表現(xiàn)形式是在絕緣子出現(xiàn)污閃或零值的 情況時(shí)“自動(dòng)破碎”，可以有效降低線路安全運(yùn)行隱患。第二，玻璃 鋼絕緣子玻璃的“熱鋼化”技術(shù)，賦予玻璃表層一個(gè)高達(dá)100～ 250MPa 的永久預(yù)應(yīng)力。這就使“鋼化玻璃”強(qiáng)度鋼鐵化，熱穩(wěn)定性 高，較瓷不易老化和壽命長(zhǎng)，為“打造永恒電力，助力百年油田”提供保證。第三，玻璃鋼絕緣子采用圓柱頭結(jié)構(gòu)，承力組件受力均勻。較之國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)瓷絕緣子數(shù)十年一貫制的圓錐頭結(jié)構(gòu)，具有尺寸小、重量輕、強(qiáng)度高和電性能優(yōu)良的特點(diǎn)。由于玻璃的線膨脹系數(shù)較瓷大得多，外型尺寸較合成絕緣材料小得多，且與金屬附件和水泥易連接，因而受力組件材質(zhì)匹配良好。在各種氣候條件下，不會(huì)象瓷絕緣子和 合成絕緣子那樣容易產(chǎn)生危險(xiǎn)應(yīng)力而導(dǎo)致老化。且合成絕緣子很難解 決合成界面的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。第四，經(jīng)過(guò)這些年的發(fā)展國(guó)產(chǎn)玻璃鋼絕緣子 通過(guò)技術(shù)引進(jìn)和自己開(kāi)發(fā)， 生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)條件都已具備并趨于成熟。從油田電網(wǎng)玻璃絕緣子運(yùn)行 7 年左右的情況來(lái)看，玻璃鋼絕緣子的特性從本體運(yùn)行、故障巡視維護(hù)到工藝要求再到美觀程度來(lái)講都優(yōu) 越于瓷質(zhì)絕緣子和合成絕緣子，統(tǒng)計(jì)近四年來(lái)因絕緣子故障造成線路 跳閘的線路故障巡視情況，玻璃鋼絕緣子故障發(fā)現(xiàn)的效率高出瓷質(zhì)和合成絕緣子 2～3 倍。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上對(duì)絕緣子可靠性的綜合評(píng)價(jià)和油田電網(wǎng)絕緣子的運(yùn)行情況，未來(lái)油田電網(wǎng)的發(fā)展在絕緣子選用時(shí)可以參考以下方案。方案 一：在沒(méi)有特殊要求地區(qū)由于玻璃鋼絕緣子的長(zhǎng)壽命周期和“零值自 爆”等特性，在未來(lái)的油田發(fā)展中可以大量投入使用，符合“打造永恒電力，助力百年油田”的宗旨。方案二：在化工區(qū)等污染比較嚴(yán)重 地區(qū)可以選用防污型玻璃鋼絕緣子替換現(xiàn)在使用的合成絕緣子。合成 絕緣子在使用周期、易老化、防雷性差和出現(xiàn)故障需整支進(jìn)行更換等 問(wèn)題上就不如玻璃絕緣子更有優(yōu)勢(shì)，再加上合成絕緣子檢測(cè)和試驗(yàn)技術(shù)都還不成熟，所以從其綜合性能和長(zhǎng)期發(fā)展來(lái)考慮，合成絕緣子的性價(jià)比就遠(yuǎn)不如防污型玻璃鋼絕緣子更適合油田電網(wǎng)未來(lái)的發(fā)展。