特高压交流输电线路的绝缘子如何选型

特高压交流输电线路绝缘子选型
绝缘子的选型是特高压输电线路绝缘配合最为重要的内容之一。

合理确定绝缘子的型式对于在保证电力系统运行的可靠性的同时，控制设备制造成本有着重要意义。

特高压线路绝缘子主要有玻璃绝缘子、复合绝缘子以及瓷绝缘子，在我国特高压线路中均得到实际应用。

我们就三种绝缘子分别从预期寿命、失效率和检出率以及电气性能等方面进行讨论，给出特高压绝缘子的选型建议。

1、预期寿命
瓷绝缘子的绝缘部件由无机材料氧化铝陶瓷制成，该材料具有优良的抗老化能力和化学稳定性。

玻璃绝缘子是以钢化玻璃为绝缘体，通过水泥胶合剂与其他金属吊挂件装配而成，并采用“热钢化”工艺，赋予了玻璃表层高达100～250MPa的永久预应力，使钢化玻璃的强度增大，热稳定性提高，抗老化性加强，寿命延长。

根据我国对已运行5～30年的玻璃和瓷绝缘子进行的机电性能跟踪对比试验，玻璃绝缘子的使用寿命取决于金属附件，瓷绝缘子的使用寿命取决于绝缘件；运行经验表明，玻璃绝缘子运行40a，机电性能变化不大，而瓷绝缘子平均寿命周期为15～25a。

复合绝缘子外绝缘采用有机材料硅橡胶，在电晕放电、紫外线辐射、潮湿环境、温度变化以及化学腐蚀等因素用下比较容易老化，对其使用寿命研究需长时间的跟踪观察，目前复合绝缘子只有20多年的运行经验，尚无足够数据支撑。

从国内外运行经验来看，只要复合绝缘子能够保证出厂质量，使用寿命达到10a是没有问题的。

2、失效率和检出率
瓷绝缘子的失效表现形式为经过长时间运行后，材料老化，绝缘性能降到很低甚至为零。

这种低值或者零值绝缘子无法从外表看出来，需要通过试验检测查出。

玻璃绝缘子失效表现为零值自破，即玻璃绝缘子在绝缘性能失去时，玻璃伞盘会爆裂破损。

玻璃绝缘子在自破后，维修人员可以直接用肉眼观察到破碎的玻璃伞盘，所以玻璃绝缘子的失效检出率比瓷绝缘子高很多，通常认为玻璃绝缘子是不需要进行零值检测的，其维护检测工作量也比瓷绝缘子小得多。

另有统计表明，国产玻璃绝缘子在其寿命周期内平均失效率为比瓷绝缘子低1～2个数量级。

复合绝缘子内绝缘距离和外绝缘距离几乎相等。

结构上属于不可击穿型绝缘子，不存在零值绝缘子的问题，也就不需要零值检测。

但是复合绝缘子的失效表现形式为伞裙硅橡胶蚀损以及隐蔽的“界面击穿”，无法直接观察，必须使用仪器逐只检测及更换，导致维护工作量及费用增加。

3、电气性能
目前，在我国线路上大量应用的绝缘子主要有：轻度中度污秽地区主要是双层伞形绝缘子XWP-300、三伞瓷绝缘子CA-876、普通瓷绝缘子CA-590和玻璃绝缘子FC300；重污秽地区和高海拔地区主要为复合绝缘子。

选取几种线路中常见的绝缘子进行了研究[1]，其具体结构如图1所示：
常用绝缘子几何参数如表1所示：
对以上绝缘子进行人工污秽实验，得到了在标准大气压下，不同盐密下各绝缘子单位长度50%闪络电压（kV/m）曲线，如图2所示。

从图2a可以看出，复合绝缘子在不同盐密下，其单位长度闪络电压最高，并且随着盐密的增加，闪络电压下降缓慢，耐污闪性能最为优越。

其次是三伞型瓷绝缘子，在盐密较小时，三伞瓷绝缘子单位长度闪络电压较高，但随着盐密的增大，闪络电压下降较为迅速。

对比以上两种绝缘子，普通型玻璃绝缘子耐污闪性能最差。

图2b对比了三种伞形瓷绝缘子的耐污闪性能。

可以看出，伞裙形状对同种材质的绝缘子耐污闪性能有较大的影响：伞形绝缘子的耐污闪性能明显优于普通型绝缘子；三伞绝缘子的耐污闪性能优于双伞绝缘子。

随着海拔升高，气压降低，污秽绝缘子的闪络电压也会下降，文献2提出了海拔高度与闪络电压之间的线性表达式如下：
上式中，U0为绝缘子在标准大气压下闪络电压，U为海拔高度为H（km）时闪络电压，k
为下降斜率（km-1），反映海拔高度对闪络电压的影响。

文献1对低气压下绝缘子的闪络电压进行了研究，得到不同类型绝缘子在不同海拔高度下的闪络电压，进而求得绝缘子的下降斜率如表2所示：
由表2可以看出，复合绝缘子的下降斜率较小，高海拔绝缘性能良好；玻璃绝缘子在轻度污秽地区相比三种瓷绝缘子会有较好的耐高海拔性能；双伞瓷绝缘子、三伞瓷绝缘子随海拔上升，绝缘性能有较大下降。

实际应用中，不仅需要考察绝缘子的耐污闪和高海拔特性，还应考虑到特高压电网的特殊性，对绝缘子的均压性能及耐电弧性能等进行考察。

首先，绝缘子串应具有一定的均压性能。

特高压线路绝缘子串的长度是超高压的两倍左右。

此时，绝缘子串上的电压分布很不均匀，
压降主要集中在绝缘子串两端，使得整个绝缘子串利用率大大降低。

因此在选型时，应充分考虑绝缘子的均压设计。

玻璃绝缘子的介电常数比瓷绝缘子略大，使得玻璃绝缘子主电容比瓷绝缘子大，当绝缘子成串使用时，每片绝缘子受对地和对导线的旁路杂散电容的影响相对较小，故整串的电压分布也较瓷绝缘子更为均匀。

这对减小无线电干扰、降低电晕损耗以及延长绝缘子的使用寿命有利，且可以提高玻璃绝缘子串的闪络电压。

国网电科院分别测量了配置相同形式均压环的瓷绝缘子串与玻璃绝缘子串的电压分布，结果表明，玻璃绝缘子串的整体电压分布趋势与瓷绝缘子相似，但导线侧几片玻璃绝缘子承受的电压比瓷绝缘子低8%左右。

复合绝缘子在工频电压作用下表面场强和电压分布极不均匀，芯棒和金具连接处场强最高达6.5kV/cm，而导线侧第一个伞裙上的分布电压一般都远高于整串绝缘子平均分布电压，在长期工作电压的作用下该片绝缘伞裙有可能提前老化，从而失去绝缘能力并最终导致整个绝缘子报废。

实际中，可以通过加装均压环来改善复合绝缘子端部场强集中的问题。

另外，也可采用复合绝缘子与数片玻璃绝缘子的混合串联形式来解决该问题，即在复合绝缘子的头部再串入数片玻璃绝缘子，由靠近线路侧的玻璃绝缘子来承受最高分布电压，从而避免复合绝缘子在强电场下发生提前老化。

其次，绝缘子应具有一定的耐电弧能力。

绝缘子发生闪络时，有温度极高的电弧流过，表面会留下烧灼痕迹，绝缘子的绝缘性能会遭到破坏。

不同的绝缘子耐电弧能力不同。

试验结果表明：玻璃绝缘子的耐电弧烧伤能力明显优于瓷绝缘子；玻璃绝缘子在遭受雷电电弧烧灼后，表面剥落一层玻璃，新表面仍是光滑的玻璃体，绝缘强度不会下降，仍可长期运行；但瓷绝缘子在经电弧烧灼后，表面釉层剥落，露出的瓷体容易积污，导致绝缘性能下降，所以遭雷击烧伤的瓷绝缘子必须更换；复合绝缘子在雷击后一般只留下白色电弧痕迹，不影响其使用，也不需要更换，但必须注意两端金具的烧蚀情况。

再次，闪络后绝缘子不会发生掉串。

玻璃绝缘子发生自破后，在遭受雷击时，其电弧的引流通道将铁帽边缘和钢脚杆径直接连通，不可能绕道铁帽内部形成通道，不会在铁帽内部聚集大量热量导致铁帽爆炸，所以玻璃绝缘子即使是零值自破后，遭遇雷击闪络仍不会造成掉串事故。

盘形悬式瓷绝缘子属可击穿型绝缘子。

随着运行时间的增长，会出现劣化现象，变成低值或零值绝缘子。

当含有低值绝缘子片的绝缘子串上发生雷击或污秽闪络时，系统的接地短路造成的工频续流通过低值绝缘子片头部。

使气体急剧膨胀，铁帽爆炸，导致绝缘子断串，甚至导线落地。

国内已多次出现瓷绝缘子掉串重大事故。

复合绝缘子的掉串通常是由芯棒断裂引起的。

造成芯棒断裂的主要原因是绝缘子高压端部密封不良，芯棒受到酸性物质的腐蚀，易发生断裂的位置在绝缘子导线端的金具连接处附近。

早期生产的复合绝缘子，在芯棒与端部的附件、芯棒与伞裙之间很容易出现密封胶开缝的情况。

在高电场下，绝缘子长期工作在电晕放电状况，在潮湿的大气中放电产生的酸性液体侵
入芯棒玻璃纤维后造成芯棒发生酸蚀，最终导致复合绝缘子发生断裂。

但是近几年，复合绝缘子生产厂家普遍采用了整体注射成型工艺、压接式连接新工艺使得绝缘子密封性能提高。

同时，采用耐酸的芯棒也在一定程度上降低了复合绝缘子的掉串事故发生概率。

选型建议
综上分析，三伞型和双伞瓷绝缘子具有较好的耐污闪性能，已在我国实际工程中得到大量应用；玻璃绝缘子有着优秀的机械和电气性能：强度高、耐电弧且电压分布更均匀，但耐污型的双伞和三伞型玻璃绝缘子还处于研究中，实际运行的非常少，目前普通型玻璃绝缘子耐污闪能力还不如三伞型和双伞瓷绝缘子；复合绝缘子质量轻，憎水性好，耐污闪性能和高海拔绝缘性能极佳，同时还具有优越的抗机械冲击能力，可缩短输电线路的重建工期，并可降低工程造价。

对于特高压交流绝缘子串形、型式的选择，有如下建议:
1.对于轻度污秽区，悬垂串一般采用双伞型瓷绝缘子或普通型玻璃绝缘子，V形串一般采用双伞型瓷绝缘子或普通型玻璃绝缘子，耐张串一般采用双伞型瓷绝缘子或普通型玻璃绝缘子。

2.对于中度及以上污秽区，悬垂串一般采用合成绝缘子，V形串一般也采用合成绝缘子，而耐张串则宜采用双伞型瓷绝缘子或普通型玻璃绝缘子。

3.对于重冰区，复合绝缘子覆冰后，会失去憎水性，且复合绝缘子伞裙较小，相邻两伞裙易被冰凌桥接，绝缘性能下降严重，故在重冰区更倾向于采用双伞型瓷绝缘子或普通型玻璃绝缘子。

此时，悬垂串一般采用双伞型瓷绝缘子或普通型玻璃绝缘子，V形串一般采用双伞型瓷绝缘子或普通型玻璃绝缘子，耐张串一般采用双伞型瓷绝缘子或普通型玻璃绝缘子。

4.对于高海拔地区，悬垂串一般采用合成绝缘子，V形串一般也采用合成绝缘子，而耐张串则采用双伞型瓷绝缘子或普通型玻璃绝缘子。

5.由于三伞型瓷绝缘子结构较复杂，成本较高，目前在实际工程中的应用没有双伞型瓷绝缘子广泛。