硅橡胶合成绝缘子的发展及其应用

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电气时空
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硅橡胶合成绝缘子的发展及其应用
! 山东莱芜钢铁集团公司 周志敏
[摘 要] 本文回顾了我国合成绝缘子研制应用的历史、 从 ’))/ 年开始, 合成绝缘子进入全面实用化阶段。 它不仅 得到运行部门的广泛好评, 而且引起设计部门的关注; 不仅在 已运行的高压线路和 /""+, 线路的调爬技改工程中大批量使 用, 并且新建线路也开始批量甚至全线路使用。此间主要标志 是 -. 1 2%!3"0’))3 “ 高压线路用棒形悬式复 合 绝 缘 子 ” 行业标 准公布和国调中心调网 [’))$] “合 成 绝 缘 子 使 用 )& 号 文 颁 发 指导性意见” 。为确保入网合成绝缘子的质量,国调中心调网 [’))$] ’!/ 号文还颁发 了 “入 网 合 成 绝 缘 子 质 量 保 证 必 备 条 件” 。上述标准与规定的颁布都是为了适应电力系统大规模使 用合成绝缘子的需要, 规范合成绝缘子的生产。
工业性试运行阶段
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机械强度的选择 合成绝缘子芯棒最突出特点是高强度与高比强度。 其拉伸
’))"*’))! 年是合成绝缘子工业性试运行阶段。 ’)%) 年底
至 ’))" 年初相继发生在华东、 华北、 东北等地的电网发生大面 积污闪, 以此为契机, 合成绝缘子开始大量进入电网; 到 ’))! 年底国内已形成规模生产,其挂网运行主要集中在污闪多发、 易发地区。 在此期间以国际电工委员会标准为基础的国家行业 标准 -./%)#0)’ “ 有机复合绝缘子技术条件” 颁布, 及根据该标
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栏 目 编 辑 肖 朝 晖
构表面都会 形 成 由 硅 氧 烷 分 子 迁 移 浸 润 包 裹 污 秽 物 的 污 层 。 当遇到大雾或凝露等自然环境条件下,沿整个产品绝缘结构 表面开始所凝结水珠的形状,将按着产品的伞裙数量以伞裙 下表面、护套表面和伞裙上表面的顺序相差 ’*# 级的周期性 变化。随着大雾或凝露的时间延长, 在其绝缘结构表面所分布
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清扫问题 合成绝缘子积污是否重于瓷绝缘子,目前尚无统一意见。
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复合绝缘子表面防污性能特点 复合绝缘子在冶金污秽环境下运行一段时间后, 其绝缘结
一些污闪事故的发生和重污区合成绝缘子积污过多, 提出了是 否需要清扫的问题。由于合成绝缘子污闪电压高, 即使憎水性 下降甚至短时消失, 其污耐压也高于瓷绝缘子 #": 。因此, 清 洁区和一般污秽地区可免清扫。 对于特别严重的工业和盐碱污 染地区可采用定期更换的办法, 当表面憎水性明显下降, 且盐 密过大 (如 大 于 "(# 8D 1 78#) 时更换新绝缘子, 并以此确定更 换周期。
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强度可达 $"""456 1 78#, 比强度是优质碳素钢的 / 倍。有的地 区、 部门提出使用合成绝缘子, 机械强度要比传统瓷、 玻璃绝缘 子提高一级, 如使用瓷绝缘子为 ’3" +9, 而使用合成绝缘子为 当使用负荷小于 &&: 额定机械负荷时, 可保 #’" +9。实际上, 证运行的可靠性。因此, 完全可按照瓷绝缘子的方法选用合成 绝缘子, 而不必提高机械负荷值。合成绝缘子有良好的抗弯性 能、 良好的耐舞动和微风振动性能, 当用于耐张塔时, 可承受一 定的弯距。

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复合绝缘子在冶金污秽区应用问题分析
复合绝缘子污秽表面的憎水性状态 复合绝缘子在冶金污秽地区运行过程中, 其绝缘表面总会
受到工业排放物和自然环境下存在的漂浮污秽物所污染。对 于以硅橡胶为基材所组成的绝缘材质结构中,其表面硅氧烷 分子自由状态的端头和没有交链的活动链段,将浸润包裹靠 近表面污秽物。而绝缘材质结构中没有交链的硅氧烷低分子, 微酸性补强剂诱导异裂出来的硅氧烷小分子,表面污秽物作 用异裂断链而形成链端及硅氧烷端分子等,又以分子结构赋 于高活动的布朗运动, 逐渐迁移浸润包裹污秽物。 随着产品运行时间的延长,复合绝缘子绝缘结构表面, 将 形成有不同形式硅氧烷分子浸润包裹污秽物的污层,污层表 面也必然存在着硅氧烷分子。硅氧烷分子的结构体系中, 结构 性能稳定又不显极性的甲基都排列在分子链的外侧,并以碳 硅键长进行自由状态高速旋转,使整个硅氧烷分子中的极性 和弱性键被屏蔽。这种憎水表面如果出现凝集水珠散落在表 面上, 对于运行中的复合绝缘子来说, 则由于产品绝缘结构表 面所处的位置形状不同,在其表面上所凝集一定形状质量的 水珠, 必然受到地球引力的作用, 使水珠形状有所变化。 (’) 复合绝缘子伞裙上表面所凝结存在的水珠, 本应是以 液体内部极性水分子对表面层分子吸引的张力作用,使水珠 以球状存在。由于引力的作用, 使水珠更靠近其表面, 因此, 水 珠底部与其表面接触面积必然扩大,球状水珠也逐渐变成半 圆形。污层与水珠接触部分的可溶成分会逐渐溶于水中, 水珠 的分子也较容易浸润扩散进入污层,使得接触区域的表面电 导率变大,从而在伞裙表面形成的以半圆形水珠为中心的高 电导率的 “小岛” 。 (#) 复合绝缘子下表面所凝结的水珠, 由于水珠本身重力 作用, 促使水珠向脱离其表面方向发展。 由此, 球状水珠底部与 其表面接触面变小, 水珠脱离其表面的概率必然增加。即使有 水珠不脱离其表面, 相应的接触面积就小, 水珠底部浸润扩散 进入污层所形成的 “小岛” 面积也不可能太大。
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对机械强度下降的评价 机械强度下降有 $ 种: 一是端部结构不良造成的芯棒在小
高温硅橡胶在一般地区使用不少于 (% 年, 国外已有运行 表现良好。但也有些运行 $/! 年的产品出 $& 年以上的产品, 现脆化, 或低温且长时间受潮后憎水性难以恢复, 都反映了硅 橡胶材质的配方存在一些问题, 其配方需进一步优化, 使其具 有良好的憎水性及迁移性,长时间受潮时憎水性减弱要缓慢, 受潮后恢复要迅速。
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大规模实用阶段
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面材质憎水性的劣化, 取 ’B’; 二是综合当前各国运行经验, 比 距可适当减少, 如合成绝缘子可取瓷绝缘子的 # 1 & 或 & 1 !。为 规范合成绝缘子的外形尺寸, -. 1 2%!3" 行 业 标 准 和 国 调 中 心 “合成绝缘子使用指导性意见” 统一要求: 比 "0! 级污秽地区, 距为 #" 88 1 +,; 比距为 #/ 88 1 +,。实际 "0# 级污秽地区, 上, 这一规定, 对于清洁区和一般污秽地区, 高 于 C. 1 2’3!&! 的要求; 对于重污区, 就是瓷绝缘子的 & 1 !。
准生产的新一代产品大批量投运,特别是国产 /""+, 线路合 成绝缘子批量挂网运行。为了保障电网的安全,原能源部 [’))&] “绝缘子全 过 程 管 理 办 法 ” , 其中对合成 !/ 号文颁发了 绝缘子的鉴定、 订货及运行管理提出了明确要求。
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比距的选择 合成绝缘子比距的选择, 国内外有两种意见: 一是考虑表
国家和地区使用, 使用量最多的是北美地区。早期合成绝缘子 材质包括环氧树脂、 乙丙橡胶、 室温硅橡胶等, 直至上世纪 $" 年代高温硫化硅橡胶合成绝缘子首先在德国问世。与传统的 瓷、 玻璃绝缘子相比, 合成绝缘子具有重量轻、 强度高、 耐污闪 能力强、 制造维护方便等优点, 国外使用它主要是防止枪击及 运输方面, 而我国主要是用于防治输变电设备的污闪。尽管我 国起步较晚, 但首先就研制生产出高温硫化硅橡胶绝缘子 (以 下简称合成绝缘子) 。 近年来, 合成绝缘子受到电力系统的认可 和好评, 发展十分迅猛。我国合成绝缘子的研制开发始于上世 纪 %" 年代初, 其应用大致可分为 & 个阶段:
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复合绝缘子的选型
复合绝缘子结构表面形状选择 复合绝缘子外绝缘结构是由护套和伞裙构成。 复合绝缘子
护套是保护芯棒免受自然环境各种因素浸润的防护结构, 它是 沿着产品绝缘长度通过绝缘材质包裹芯棒来实现的。 复合绝缘 子伞裙是用来增加产品爬电距离, 使其满足产品在自然环境下 长期安全运行的绝缘部件。 伞裙是以伞形绝缘结构形状而出现 的。 伞裙结构表面包括伞裙上、 下表面和伞裙边缘表面。 伞裙上 表面的形状是依据污秽物在其表面堆积最轻和自清扫能力最 好情况下, 确定出有一定倾角的表面结构。伞裙下表面形状由 于考虑到减少污秽物粘附和减轻伞裙下表面结构效应等原因, 则采用平面结构。伞裙边沿应采取无滴水沿结构。复合绝缘子 绝缘结构是按着产品使用地区污秽等级所规定的爬电距离要 求, 由若干伞裙在产品护套上均匀分布而构成的。 因此, 复合绝 缘子爬电距离将由伞裙间护套与伞裙上、 下表面所构成的单元 爬电长度串联而成。
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研制、 成果转让与产品化阶段 成果转让与产品化 ’)%’*’))" 年是合成绝缘子开发研制、
阶段。 使合成绝缘子进入 ’)%% 年将研制开发的科技成果转让, 产品化阶段。主要标志是 ’’"+, 线路棒形与横担支柱产品通 过有关部门组织的鉴定, 并进入挂网运行阶段, 当时尚无统一 制造标准。
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的水珠密度和形状必然有所改变。 产品每个伞裙上表面的水珠 形状则因本身重力的作用下, 在污层表面容易形成半圆形高电 导率的 “小岛” 会扩大。 有的可能几滴水珠受表面倾角作用而连 在一起形成局部水带, 在污层表面也相应出现高电导率的 “局 部带状小岛” 。 随着护套表面水珠的数量增多, 其水珠本身重力 与水珠表面张力所形成的合力, 除了易集积形成大水珠以滚动 方式脱离表面外, 还对滞留污层水珠起着拉长形成高电导率的 “长岛” 。 在污层表面还粘附着的水珠, 则长时间浸润污层, 对已存 在高电导率的 “小岛” 有可能变成 “大岛” 。 在这种表面憎水状态 下, 复合绝缘子的工作电压将以产品伞裙数量确定的单元电阻 区串联来承担,则因单元电阻区的伞裙下表面水珠的“大岛” 间, 护套表面水珠的 “长岛” 间以及伞裙上表面的 “局部带形岛” 间污层的高电阻率, 其产品表面泄漏电流是很小的。若逐步施 加比工作电压更高的试验电压时, 沿着产品表面各种状态水珠 间电场强度必然逐渐加强, 随之而来表面各种形状水珠沿着电 场方向延长, 当试验电压升到一定程度时, 其水珠如液体击穿 过程中的桥接效应一样, 以排列组成 “小桥” 的方式而导致产品 表面闪络, 因此闪络电压比较高。 复合绝缘子护套和伞裙下表面水珠状态假设往坏的方向 进一步发展,这将缩短了表面各种状态水珠间有效承压距离。 同时由于伞裙上表面水膜带着已溶污秽物的流失, 也降低上表 面污层的电导率。 当护套和伞裙下表面上各种状态水珠间如果 出现电弧时, 在伞裙上表面出现泄漏电流所形成剩余高电阻的 污层, 必然会分担部分工作电压, 从而抑制电弧进一步发展为 闪络的临界值。 曾在表面上新涂的 "(&/8D 1 78# 盐密的复合绝缘子,在雾 其表面闪络 室里使其所有绝缘结构表面水珠状态都为 3 级时, 电压还为正常工作电压的 # 倍以上。 至于复合绝缘子绝缘结构 表面有 )": 面积被水膜覆盖的 3 级,以及全部面积形成连续 水膜的 $ 级。对于硅橡胶绝缘材质来说, 只有在水里长时间浸 泡和新涂污秽物马上进行污秽试验情况下才呈现出来。 而在自 然环境下长期运行的复合绝缘子, 其表面都同时成为 3 级或 $ 级是不可能出现的。运行中的复合绝缘子, 其表面盐密不大于 灰密不大于 #8D 1 78# 的污秽情况下, 沿整个产品绝 "(!8D 1 78#, 缘结构表面有明显爬电痕迹污闪的概率是很低的。这说明, 复 合绝缘子以硅橡胶为基材制成合理的伞套绝缘结构, 其产品表 面在自然环境下长期运行有良好的防污闪性能。
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现状与前景, 分析了合成绝缘子表面形状位置的不同, 使得 运行中的合成绝缘子, 沿着产品爬电距离表面所凝结水珠形 状将出现周期性交替改变, 可以提高产品闪络电压, 避免了 合成绝缘子污闪事故发生。 [关键词] 硅橡胶; 合成绝缘子; 绝缘表面; 憎水迁移性
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发展概况
合成绝缘子的应用已有近 !" 年的历史, 已在世界上 #$ 个
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