架空输电线路绝缘子结构设计研究 梁超

架空输电线路绝缘子结构设计研究梁超

发表时间：2019-07-05T11:17:23.180Z 来源：《电力设备》2019年第4期作者：梁超

[导读] 摘要：绝缘子作为输电线路安全运行的重要设备之一，其各种技术性能应得到严格的保证。

（国网吕梁供电公司山西吕梁 033000）

摘要：绝缘子作为输电线路安全运行的重要设备之一，其各种技术性能应得到严格的保证。正确的选择和设计架空线路的绝缘子串对维护电力系统正常运作有着极其重要的作用。对架空输电线路绝缘子结构三维设计进行初步探讨研究，重点阐述绝缘串虚拟装配情况，已达到研究结果。

关键词：绝缘子；绝缘子串；结构设计

1 对绝缘子可靠性评价的五项准则

运行的可靠性是决定绝缘子生命力的关键。最好的评价是大量绝缘子在输电线路上长期运行的统计结果和可靠性试验所反映出来的性能水平。因此，评价绝缘子应遵循下述准则：

1.1绝缘子寿命周期

产品在标准规定的使用条件下，能够保持其性能不低于出厂和标准的最低使用年限为“寿命周期”，此项指标不仅反映绝缘子的安全使用期，也能反映输电线路投资的经济性。我国曾先后多次对运行5-30年的玻璃和瓷绝缘子进行机电性能跟踪对比试验。结果表明：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体。玻璃绝缘子的寿命周期可达40年，而瓷绝缘子除全面采用国外先进制造技术后有可能较大幅度地延长其寿命周期外，其平均寿命周期仅为15-25年，复合绝缘子经历了“三代”的发展。但从迄今世界范围内的试验及运行结果分析来看，其平均寿命周期只有7年。

1.2绝缘子失效率

运行中年失效绝缘子件数与运行绝缘子总件数之比称为年失效率。据国家电力科学院调查统计，国产瓷质绝缘子的失效率一般在0.1%-0.3%之间，国产钢化玻璃绝缘子的失效率一般在0.01%-0.04%之间。对于复合绝缘子，由于复合材料配方和制造工艺还不能安全定型，其失效率很难预测。

1.3绝缘子失效检出率

绝缘子失效后能否检测出来的检出率对线路安全运行的影响是比失效率本身更为重要的因素，检出率取决于绝缘子失效的表现形式和失效的原因。玻璃绝缘子失效的表现形式是“自动破碎”和“零值自破”，这两种表现形式极大的方便电力线路工程线路故障点的查找检修。“自破”不是老化，而是玻璃绝缘子失效的唯一表现形式，所以只需凭借目测就可方便地检测出失效的绝缘子，其失效检出率可达百分之百，瓷绝缘子失效的表现形式为头部隐蔽“零值”或“低值”，复合绝缘子失效的主要表现形式为伞裙蚀损以及隐蔽的复合“界面击穿”，此外，瓷和复合绝缘子失效的原因是材料的老化，而老化程度是时间的函数。老化是隐蔽的，因此给线路巡检与测量故障点带来极大的困难，造成检出率极低，对于复合绝缘子，实际上根本无法检测。

1.4绝缘子事故率

年掉线次数与运行绝缘子件数之比称为年事故率。绝缘子掉串是架空输电线路最为严重的事故之一。对于EHV输电，若造成大面积、长时间停电，后果则不堪设想。

国产玻璃绝缘子30年来的运行经验证明：在220-500KV的输电线路上，从来没有因为玻璃绝缘子失效而发生过掉线事故。而国产瓷绝缘子掉线事故率则高达2×10-5。前苏联的研究指出，即使失效率相同，瓷绝缘子较玻璃绝缘子的事故率也至少高一个数量级。由于复合绝缘子为长棒式，掉线事故一般很少发生。但导致内绝缘击穿、芯棒断裂和强度下降的因素始终存在，一旦失效，事故概率会高于由多个元件组成的绝缘子串。

1.5绝缘子可靠性试验

为对绝缘子进行可靠性评价，国内外曾对玻璃绝缘子和瓷绝缘子作过各种方式的加速寿命试验和强制老化试验及耐压试验。如：陡波试验、热机试验、耐电弧强度试验、1500万次低频（18.5HZ）和200万次高频（185-200HZ）振动疲劳试验及内水压试验，都从不同角度得出结论：与玻璃绝缘子相反，绝大多数瓷绝缘子都不能通过这些试验。对于复合绝缘子，可靠性试验则还是一个有待于继续探索的课题。

2 绝缘子的特点和技术条件

绝缘子在架空输电线路中起着两个基本作用，即支撑导线和防止电流回地。在整条线路的运行寿命中，这两个作用必须得到保证，绝缘子不应该由于环境和电负荷条件发生变化导致的各种机电应力而失效。绝缘子承受的机械负荷除了导线和金属附件的重量之外，还必须承受恶劣天气情况下的风载荷、雪载荷、导线舞动以及运输安装过程中操作不当引起的冲击负荷。从电气角度来说，绝缘子不仅要使导线与地绝缘，还必须耐受雷电和开关操作引起的过电压冲击，当因电压冲击而发生闪络时引起的局部过热不应导致绝缘子绝缘性能。所有的外部因素都会对绝缘子的性能产生影响。

2.1特点

（1）瓷质绝缘子。原料丰富，制造简易，价格低廉，使用方便。国产瓷质绝缘子，存在劣化率很高，需检测零值，维护工作量大。遇到雷击及污闪容易发生掉串事故，目前已逐步被淘汰。

（2）玻璃绝缘子。是以钢化玻璃为介质而制作成的，价格比瓷质略高，使用方便。在运行中一旦发生低值和零值时能自爆，不用检测它的零值就能发现缺陷以利更换。遇到雷击及污闪不会发生掉串事故，在Ⅰ、Ⅱ级污区已普遍使用。

（3）合成绝缘子。在Ⅲ级及以上污区已普遍使用，它的主要特点如下有3点：

1）由硅橡胶为基体的高分子聚合物制成的伞盘具有良好的憎水性和憎水迁移性，因而能承受很高的污闪电压。

2）棒芯采用环氧玻璃纤维制成，具有很高的抗拉强度（一般都大于600Mpa），采用φ50mm的芯棒时机械负荷能承受100t，芯棒还具有良好的减震性、抗蠕变性、抗疲劳断裂性。

3）体积小、质量轻（其质量为瓷质串约1/7），具有弹性和抗击穿性，不需检测零值，对110kV以上的，使用时配有1～2只均压环。（4）瓷质棒型绝缘子。瓷质棒型绝缘子电气性能非常好，被称为不击穿绝缘子。它不易老化、容易清扫、结构简单、安装方便、能

充分利用电杆高度，且减少了横担和连接金具，因此降低了线路的造价。

2.2技术条件

（1）安全系数和机电破坏负荷。为保证绝缘子在使用过程中能够承受各种恶劣气象条件的冲击以及达到它自身所能承受的机电负荷而不被破坏，在计算或选用时，必须考虑它的安全系数，而安全系数是根据它的组合方式或使用情况的不同而不同。

1）安全系数。中华人民共和国国家标准《110kV-750kV架空输电线路设计规范》GB50545-2010规定，绝缘子机械强度的安全系数，应符合表1的规定。双联及多联绝缘子串应验算断一联后的机械强度，其荷载及安全系数按断联情况考虑。

2）机电破坏负荷。绝缘子的额定机电破坏负荷值分为4t、6t、7t、10t、16t、21t、30t七个等级；高压架空送电线路所用绝缘子的连接结构形式除有特殊要求外，一般均分为球型和槽型两种。球型较为常见。

（2）绝缘子与绝缘子串的配合。绝缘子串的片数应依据线路的电压等级和海拔高度以及污秽区的等级划分而定，而片数和串的总长度必须满足在工频电压、操作过电压、雷电过电压等各种条件下能安全可靠地运行。

1）在海拔高度1000m以下地区，操作过电压及雷电过电压要求的悬垂绝缘子串的绝缘子最小片数，不应小于表2-2所列的数值。耐张绝缘子串的绝缘子片数应在表2的基础上增加，一般情况下，500kV以下的输电线路应增加1片，对500kV输电线路应增加2片，对750kV输电线路不需增加片数。

2）为保证高杆塔的耐雷水平，全高超过40m并且带有避雷线的杆塔，高度每增加10m，按表2-2值增加同型号绝缘子1片；全高超过100m的杆塔，应进行计算并根据运行经验而确定应增加的片数。 3）通过污秽等级较高的送电线路，绝缘子的型式和片数应通过计算必须满足其泄露比距的要求而进行选择。

（3）绝缘子的泄露比距。泄漏比距指单位电压（每千伏）在绝缘子表面上的泄漏距离。即绝缘子外绝缘的泄漏距离对系统最高工作电压有效值之比。泄漏比距是表示绝缘子抗污闪能力的重要技术指标。 3绝缘子的防污产品结构和耐污性能是关键钢化玻璃绝缘子一般采有圆柱头结构，其头部内孔为内外螺旋形受力面呈均匀分布的受压状态，从而提高了它的机械强度。较之国内传统瓷质绝缘子数十年来一贯制的圆锥头结构，具有重量轻、强度高和电性能优良的特点。由于玻璃的线膨胀系数较瓷大得多，较复合绝缘材料小得多，且与金属附件和水泥的线膨胀系数接近，因此整体材质匹配良好。在恶劣气候条件下，不象瓷质绝缘子和复合绝缘子那样容易老化。复合绝缘子的粘接层是芯棒和护套间的界面，是合成绝缘子内绝缘的一个主要部分，但是很难保证粘接层的质量。

复合绝缘子的伞裙护套都是由有机高分子聚合物做成，它们都具有表面憎水性，且表面的分离小水珠不构成导电通路，在工作电压作用下，泄漏电流小，不容易发生较强的局部电弧，也难发展成污闪放电。因此复合绝缘子具有优良的耐污性能，且无需清扫极大地减少了线路维护费用，就此而言复合绝缘子有着广阔的发展前景。钢化玻璃绝缘子泄漏比距大，表面产生的凝聚物少，抵抗由污秽引起的热应力的能力强，因而自洁能力高不易发生污闪事故。国内外大量试验证明：钢化玻璃绝缘子的耐污性能优于瓷质绝缘子。

3.1绝缘子污闪的成因

线路上用的绝缘子受到固体的、液体的、气体的导电物质的污染，在遇到雾、露和毛毛细雨等湿润作用，使污层电导增大，泄露电流增加产生局部放电，在运行电压绝缘子表面的局部放电发展为电弧闪络现象，这种闪络就是污秽闪络。

3.2绝缘子污闪的处理措施

目前，在线路运行中处理污闪的方法很多，主要有以下五种：（1）定期清扫绝缘子。在污秽季节到来之前，逐杆清扫绝缘子，除去绝缘表面的污秽物。一般每年在雨季前清扫一次，可用干布或蘸去污粉的湿布擦干净，也可带电水冲洗。

（2）更换不良和零值绝缘子。定期对绝缘子串进行绝缘检测，发现不良绝缘子和零值绝缘子，及时更换。

（3）增加绝缘子串的单位泄漏比距。绝缘子表面泄漏电流越大，污闪越严重，而泄漏电流的大小与绝缘子串的单位泄漏比距成反比。因此，可以增加绝缘子片数或改为防污型绝缘子来增加绝缘子串的单位泄漏比距。

（4）采用防污涂料。对污秽严重地区的绝缘子，可采取定期在表面涂憎水性防污涂料的方法，增强其抗污能力。

（5）采用合成绝缘子。合成绝缘子具有良好的耐污闪性能，所以合成绝缘子最近几年在新建线路上应用较广，是防污闪的有效措施。

4 现存问题及建议 4.1 长期运行可靠性

对于低电压等级、低吨位产品，上述3类绝缘子的长期运行可靠性是较高的，我们一方面应重视高吨位产品的运行经验，另一方面制造企业应通过工艺改进和质量控制进一步提高产品的可靠性，稳定当前的劣化率水平。对于复合绝缘子，其硅橡胶长期老化特性、均压装置优化设计、长期机械强度、在线检测技术等仍是复合绝缘子行业重点关注的问题。对于瓷和玻璃绝缘子，水泥胶合剂在各种运行环境下的长期老化特性则是瓷和玻璃绝缘子制造企业应重点关注的问题。

4.2 使用环境

三类绝缘子各有所长，使用时应因地制宜。瓷和玻璃绝缘子具有较高的机械强度、寿命长、稳定性好，能抵抗环境老化，较适用于清洁的环境和需抵抗外力侵蚀的环境。复合绝缘子具有较高的机械强度、稳定性好，能抵抗环境老化、质量轻、防污性能优良、生产工艺简单、经济性好，适用于污染严重的地区。且电压等级越高，复合绝缘子的经济优势越明显。

4.3 选用原则

绝缘子的选用原则应参照DL/T 1000.2006和DL/T 864.2004等标准规定，并结合工程实际，从技术和经济上进行综合分析，确定合理的选择。一般来说，轻污秽地区建议采用瓷或玻璃绝缘子，重污秽地区建议采用复合绝缘子，林区不推荐使用复合绝缘子。耐张串宜采用自洁性能好的瓷或玻璃绝缘子。

5 绝缘串虚拟装配

绝缘子主要零件与装配三维图如图4.1-4.8所示，从左至右，由上而下依次是耳轴挂板、碗头挂板、球头挂环、挂板、悬垂线夹、绝缘子与杆塔连接处局部图、绝缘子串与电线连接处局部图、绝缘子结构三维图： 6 结论