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复合绝缘子及其应用

日期：2018-09-27 14:24:02

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为了提高绝缘子的机械强度、绝缘强度和耐污闪性能，提高生产效率和降低成本，克服电瓷和玻璃绝缘子固有的缺点，适应电力系统的发展，世界各国均着手研制以高分子有机材料基材料的复合绝缘子，用来代替传统的电瓷和玻璃绝缘子。自19世纪末出现高压输电线路以来，瓷绝缘子用于高压外绝缘领域已有100多年历史，随着电压等级的提高，绝缘子所受的机点负荷的加重，以及大气污染的加剧，瓷绝缘子在使用中暴露出性能上的缺陷。复合绝缘子的使用弥补了瓷绝缘子的缺陷与弱点。
早在20世纪40年代中期，双酚环氧树脂绝缘子就开始用于户内绝缘。这种绝缘子重量轻，耐冲击能力强，易于加工成复合的绝缘结构。但由于其耐老化性能、耐漏电起迹及耐点蚀性能差，不能用于户外。20世纪50年代出现了性能更好的脂环族树脂绝缘子，60年代初，已有少量此类绝缘子运行于400kV输电线路以及500kV电站。60年代末70年代初，欧洲及美国开始制造用于输电线路的聚合物绝缘子。早众多的聚合物中，高温硫化硅橡胶在耐老化、耐恶劣环境方面优于乙丙橡胶等其他材料，得到了更为广泛的应用。
随着时代的发展，复合绝缘子不断获得改进和改善。针对早期复合绝缘子在运行中所暴露的问题，除改善了伞裙的配方外，还增加了芯棒的机械强度和耐水解的性能，改进了粘接剂的材质和复合绝缘子两端的金具的密封结构和金具卡装结构，从而使复合绝缘子的整体性能得到了改善。
我国电力部门及生产厂家在多年的悬挂式复合绝缘子应用与制造的经验中，也逐渐体会到复合绝缘子除耐污性能优异外的其他诸多优点，如重量轻、体积小、不易破碎、运输安装方便、生产工艺简单、废品率低、生产耗能低、生产过程对环境污染小等。在野外施工及运行维护时，电力部门对复合绝缘子的优点则有更深刻的认识，从而不断扩大了硅橡胶绝缘子的应用范围，在不少轻污秽区或清洁公司也开始推广使用复合绝缘子。
复合绝缘子（composite insulator）又称合成绝缘子、非瓷制绝缘子、聚合物绝缘子、橡胶绝缘子等，其主要结构一般由伞裙护套（hosing and shed）、玻璃钢芯棒（FRP core）和端部金具（end-fitting）三部分组成。其中伞裙护套一般由有机合成材料制成、如乙丙橡胶、高温硫化硅橡胶等；FRP芯棒一般是玻璃纤维做作增强材料、还氧树脂做基体的玻璃符合材料；端部金具一般是外表镀有热锌铝的碳素钢或者碳素结构钢。
早期的复合绝缘子芯棒与伞裙的连接方法是利用伞裙套内径与芯棒外径的负公差，夸张套筒，将单个伞裙逐个挤套在芯棒上，芯棒与散套界面用介电类粘接剂密封粘接，由此形成早期的复合绝缘子生产工艺，第二带复合绝缘子为了保护芯棒免受外界潮湿大气的侵蚀，开始先在芯棒上包一层弹性材料护套，再用介电类粘接剂将伞裙护套、粘接在护套上，第三带工艺生产的复合绝缘子也有不少采用护套保护芯棒的方法，但是护套是由挤包机直接挤出包裹在芯棒上的。
芯棒受力的合理与否，对绝缘子的机械寿命影响甚大，因此端部结构的合理设计与安装是关系复合绝缘子机械性能的关键。复合绝缘子的端部连接部分为内楔式、外楔式、机械挤压、胶装四种。经过多年的发展，国外已逐渐放弃了早期的内、外锲式的传统连接工艺，代之以机械挤压极粘接剂连接，而国内目前情况是以上四种工艺并存。
复合绝缘子根据使用特点不同，其端部金具的结构也不同，国内用于输电线路的合成绝缘子大都采用"球头-碗头"的结构型式。金属端头的设计除了满足抗张强度、满足要求、与芯棒可靠连接以外，还需要满足在高电压下应用的特殊要求。复合绝缘子一般都制成棒形，自身电容小。因此绝缘子表面的电压分布很不均匀。这样，在正常工作时，产生的电晕将带来危害，因此需要采用均压措施，此外，合成绝缘材料不能耐受几十千安电流的电弧，在短路故障时会使靠近导线和杆塔处的伞盘烧毁，因此需要采用引弧措施，国内外普遍采用加装均压环的方法来均匀端部电场，减弱电晕，引开故障电弧。
复合绝缘子的均压环是复合绝缘子的一个组成部分，其作用是：控制绝缘子内部电场强度，避免内部局部放电，减小外部、特别是金属连接部件表面的局部电场强度，减小无线电干扰，引开工频电弧，避免烧损绝缘子表面，以及尽量减小靠近端部表面的局部电场强度，提高其抗污闪性能。为了完成不同的作用，均压环的设计可以是不同的，目前还没有统一的标准。
复合绝缘子是需要长期运行的外绝缘器件，设计要求其使用寿命一般至少为30~50年。在长期运行中，复合绝缘子承受的载荷形式是变化的但主要的基础负荷是拉伸载荷，因此，对长期机械性能的研究主要是拉伸性能的研究。复合绝缘子长期拉伸性能的一个*大特点是当载荷超过强度极限时，强度随时间推移而下降，即具有强度蠕变的特性。为了保证绝缘子在长期运行后的强度仍能满足运行线路的负荷要求，必须对绝缘子强度蠕变特性进行充分的研究，以保证绝缘子的长期安全运行。
国际上曾对复合绝缘子进行长期试验，并在IEC61109中制定了绝缘子强度蠕变曲线的要求。国内JB5892只是引用了IEC61109的相关内容，但是国内一直没有自己的长期试验数据，国内占主导地位的内锲模式绝缘子和新型压接式绝缘子的长期蠕变特性到底如何，对IEC61109中绝缘子强度蠕变曲线如何使用，是主要的研究内容。
有机复合绝缘子的机械强度受到三个方面因素的影响，即金具强度、芯棒强度以及连接结构的强度。目前国内外生产的复合绝缘子金具与芯棒的连接形式多种多样，其中主要的有锲接式接头结构（包括内锲式、外锲式以及内外锲结结合式）和压接式接头结构。国内挂网运行的外锲式复合绝缘子数量比较少，挂网运行中的主要是内锲式复合绝缘子，在保证生产工艺的基础上生产出来的内锲式复合绝缘子，在挂网运行中表现出了良好的性能，在国内电网中得到大规模的使用，使用量增长十分迅速。其中运行时间*长的已达十几年了，经过这样长时间的运行后，绝缘子今后继续运行的安全性是用户密切关注的问题。压接式复合绝缘子的生产工艺决定了在其生产过程中不会对芯棒造成损坏，在实验室中表现出良好的机械性能。目前挂网运行的实际情况也证实了压接式接头结构工艺的优势，运行中表现出良好的机械特性，但国内压接式结构绝缘子挂网运行时间比较短，运行经验还很欠缺。
虽然压接式复合绝缘子在国际上的使用已经有相当长的时间，有很丰富的运行经验，但是在国内的使用时间还比较短，没偶什么运行经验，对其长期性能的了解几乎是一片空白。另一方面，在这很短的使用期间内，压接式复合绝缘子已经表现出优良的电气和机械性能，受到用户和生产厂家的广泛欢迎，压接式复合绝缘子的使用量正在迅猛增长。对压接式复合绝缘子，用户同样关心长期运行性能的稳定性。实验室模拟的内锲式复合绝缘子长期蠕变曲线图如图9-11所示，其中*长的试验时间达630天，同样把其中短时耐受破坏的数据点和长期耐受破坏的数据点合在一起，进行线性模拟，得到图中所示的压接式复合绝缘子全程强度强度蠕变曲线，斜率为-2.07%Mav/对数时间单位。此斜率远优于-0.8%Mav/对数时间单位的要求。
对于老线路改造，我们建议按以下原则选用复合绝缘子。
一、尽可能选择结构高度大的复合绝缘子
针对结构高度为1240mm及以下的复合绝缘子，发生各种闪络的概率比较高，有些电力部门就提出了加强复合绝缘子高度的要求，山东电力公司于1995年就下文要求各个电力分公司选用结构高度为1440mm的110kV复合绝缘子，这几年来，这种绝缘子很少闪络。
海拔1000m以上的地区，结构高度还应更长些，高海拔地区，特别是有季节性水源的地区，下季是南方的大型候鸟栖息的地方，冬季又是西伯利亚来的大型候鸟栖息地，使用结构高度为1350mm的复合绝缘子，没有有效的防鸟害措施，发生"不明原因"（鸟害）闪络概率会很高。
二、选择用合理均压环
均压环的结构形式非常重要，在市场上供应的大多数均压环，结构不太合理，均压环相对绝缘子的端部金属附件的边缘没有一定的抬高，均压效果差，安装均压环的螺钉没有很好的屏蔽，起始电晕电压很低。同时也没有防止反装的措施，现场均压环反装的很多，不但均压效果差，而且连接螺钉完全暴露在电场之中，起始电晕电压很低，在恶劣气象条件下电晕很严重。所以建议使用对接式合金均压环。这种对接式均压环的特性在于均压环是由两个结构、形状相同的半圆环薄壳对接组成，圆环有比较大的曲率半径和抬高，使沿绝缘子轴线的电场进一步均匀分布，在靠近绝缘子端部附件又有一个圆形电极，对于均压环的连接螺钉有很好的屏蔽作用，因此，大大提高了绝缘子的起始电晕电压等电气性能，同时还有防止反装结构，能确保均压环的正确安装。
三、不宜选择太大的爬距
复合绝缘子的优势就是硅橡胶表面有憎水性，而且还有很好的憎水迁移特性，落在复合绝缘子表面的灰尘，72~96h后，其污秽层也具有很好的憎水性，因此，生产了一些爬距比相应瓷和玻璃绝缘子小的复合绝缘子，几年来在各地瓷和玻璃绝缘子发生大面积闪络事故时，在重污秽区的复合绝缘子并没有发生大规模的闪络事故。
因此，我们认为复合绝缘子的"爬距有效性"比瓷绝缘子好，复合绝缘子的爬电比距可以适当小一点，*多与瓷绝缘子相同，比瓷绝缘子要求更高是没有必要的，有人提出在不增加结构高度的情况下增加几个伞裙，这并是不*好的选择，因为多增加几个伞裙，会使伞间距离减小，伞间距与伞伸出之比减少，爬距的有效性降低，污闪有可能不沿伞表面发展，而从伞边直接桥接，限制了污闪电压的提高，因此，如果要加大爬距，就必须同时增大绝缘子的结构高度。
四、复合绝缘子与瓷和玻璃绝缘子的重量问题
在老线路改造，用复合绝缘子代替瓷和玻璃绝缘子时，绝缘子串要加长，同时重量又减小了，风偏加大了，在刮大风时又可能导致绝缘子串高压端对杆塔放电，即"风闪"。为此，我们设计了"配重均压环"，就是将均压环与电力部门常常使用的配重锤结合起来，配重均压环用铸铁制造，110kV重量为27kg左右，220kV重量为40kg。在不增加复合绝缘子长度的情况下，增加绝缘子串的重量，对110kV而言，带配重均压环的复合绝缘子串的重量已经大于瓷绝缘子的重量，所以这样的绝缘子将比瓷绝缘子串小。
五、适应耐张的复合绝缘子
瓷和玻璃绝缘子耐张串所用的绝缘子比悬垂多1~2片，在以往的污闪事故中，污闪多发在瓷和比例绝缘子悬垂串，当悬垂串大量使用复合绝缘子后，耐张的瓷和玻璃绝缘子串就成了整个线路绝缘的薄弱环节，在21世纪发生的大规模污闪事故中，有很多瓷和玻璃绝缘子耐张串也发生了污闪事故，因此在污秽比较严重的地区，要把瓷和玻璃绝缘子耐张串换成复合绝缘子。要实现上述方法，在目前的复合绝缘子制造水平和质量水平来看，是完全可以实现的。

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