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)走過了四十幾年的歷程，從剛開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重要組成部分，也分為瓷質(zhì)絕緣子、合成絕緣子及新開發(fā)研制的玻璃鋼型絕緣子。絕緣子的可靠性評價和合理選用直接關(guān)系到輸電線路的安全運行，哪種型式的絕緣子更適合油田電網(wǎng)高壓輸電線路呢?

2 對絕緣子可靠性評價的五項準則

運行的可靠性是決定絕緣子生命力的關(guān)鍵。最好的評價應(yīng)是大量絕緣子在輸電線路上長期運行的統(tǒng)計結(jié)果和可靠性試驗所反映出來的性能水平。因此，評價絕緣子應(yīng)遵循下述準則：

2.1 壽命周期

產(chǎn)品在標(biāo)準規(guī)定的使用條件下，能夠保持其性能不低于出廠標(biāo)準的最低使用年限為“壽命周期”。此項指標(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)濟性。我國曾先后多次對運行5～30 年的玻璃鋼和瓷絕緣子進行機電性能跟蹤對比試驗。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 40 年，而瓷絕緣子除全面采用 國外先進制造技術(shù)后有可能較大幅度地延長其壽命周期外，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)的試驗及運行結(jié)果分析來看，其平均壽命周期只有 7 年。

2.2 失效率

運行中年失效絕緣子件數(shù)與運行絕緣子總件數(shù)之比稱為年失效率。對于國產(chǎn)玻璃鋼絕緣子,其壽命周期內(nèi)平均失效率為(1～4)×，對于國產(chǎn)瓷絕緣子的失效率，除個別合資企業(yè)產(chǎn)品將有可能降低外，比玻璃絕緣子約高 1～2 個數(shù)量級;對于合成絕緣子，由于壽命周期不能預(yù)測、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。

2.3 失效檢出率

絕緣子失效后能否檢測出來的檢出率對線路安全運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，所以只需憑借目測就可方便地檢測出失效的絕緣子，其失效檢出率可達百分之百;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，而老化程度是時間的函數(shù)。老化是隱蔽的，因此給檢測帶來極大的困難，造成檢出率極低;對于合成絕緣子，實際上根本無法檢測。

2.4 事故率

年因絕緣子故障線路跳閘次數(shù)與運行絕緣子件數(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 路最為嚴重的事故之一。對于油田輸電輸電線路，若造成大面積、長 時間停電，所造成的影響極其嚴重。

統(tǒng)計油田電網(wǎng)近十年來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棒式，內(nèi)絕緣擊穿、芯棒斷裂和強度下降的潛在因素始終存在，一旦失效，事故概率會高于由多個元件組成的絕 緣子串。

2.5 可靠性試驗

為對絕緣子進行可靠性評價，國內(nèi)外曾對玻璃鋼絕緣子和瓷絕緣子作過各種方式的加速壽命試驗和強制老化試驗。如:陡波試驗、熱機試驗、耐電弧強度試驗、1500 萬次低頻(18.5Hz)和 200 萬次高頻 (185～200Hz)振動疲勞試驗及內(nèi)水壓試驗，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這些試驗。對于 合成絕緣子，可靠性試驗則還是一個有待于繼續(xù)探索的課題。

3 油田電網(wǎng)絕緣子的使用及運行情況

大慶油田電力集團供電公司龍南工區(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，通過幾年的運行發(fā)現(xiàn)這種絕緣子在發(fā)生閃絡(luò)和落雷的時候 由于顏色原因極不容易被發(fā)現(xiàn)，基于這種原因后來改用1987 年統(tǒng)一 標(biāo)準后的X-4.5 型和XP-7 型乳白色瓷釉絕緣子。從近三十年的運行 情況發(fā)現(xiàn)瓷質(zhì)絕緣子積污情況比較嚴重，尤其是在化工區(qū)等重污染地區(qū)情況比較嚴重(1997 年化工區(qū)輸電線路發(fā)生過瓷質(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間的 60%左右，使擦拭絕緣子成為檢修工作中一項既耗時又耗力的工作，又由于油田穩(wěn)產(chǎn)對停電時間嚴格控制，這樣容易導(dǎo)致檢修工作不徹底或不到位，給線路安全運行留下隱患，積污嚴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、機電強度高等優(yōu)點，因而可用于城網(wǎng)改造，用來架設(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)等污穢特別嚴重的地區(qū)使用，以有效地提高線路運行可靠性，減少線路維護工作量。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行，其缺點和不足也逐漸暴露。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度的瓷(或玻 璃)絕緣子的耐雷水平，統(tǒng)計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，導(dǎo)線距橫擔(dān)距離遠， 工作人員下串檢修在沒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 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)的試驗及運行 結(jié)果分析來看，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法檢測，可靠性試驗 目前還處在探索階段，沒有系統(tǒng)的可以依據(jù)試驗標(biāo)準。

3.3 玻璃鋼絕緣子

玻璃鋼絕緣子是在2002 年至2003 年開始在油田電網(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始大量使用。在玻璃絕緣子在運行過程中有其獨特的優(yōu)點：第一，玻璃鋼絕緣子最突 出優(yōu)點是“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“自動破碎”，可以有效降低線路安全運行隱患。第二，玻璃 鋼絕緣子玻璃的“熱鋼化”技術(shù)，賦予玻璃表層一個高達100～ 250MPa 的永久預(yù)應(yīng)力。這就使“鋼化玻璃”強度鋼鐵化，熱穩(wěn)定性 高，較瓷不易老化和壽命長，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、強度高和電性能優(yōu)良的特點。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，不會象瓷絕緣子和 合成絕緣子那樣容易產(chǎn)生危險應(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)過這些年的發(fā)展國產(chǎn)玻璃鋼絕緣子 通過技術(shù)引進和自己開發(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)玻璃絕緣子運行 7 年左右的情況來看，玻璃鋼絕緣子的特性從本體運行、故障巡視維護到工藝要求再到美觀程度來講都優(yōu) 越于瓷質(zhì)絕緣子和合成絕緣子，統(tǒng)計近四年來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

通過以上對絕緣子可靠性的綜合評價和油田電網(wǎng)絕緣子的運行情況，未來油田電網(wǎng)的發(fā)展在絕緣子選用時可以參考以下方案。方案 一：在沒有特殊要求地區(qū)由于玻璃鋼絕緣子的長壽命周期和“零值自 爆”等特性，在未來的油田發(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)故障需整支進行更換等 問題上就不如玻璃絕緣子更有優(yōu)勢，再加上合成絕緣子檢測和試驗技術(shù)都還不成熟，所以從其綜合性能和長期發(fā)展來考慮，合成絕緣子的性價比就遠不如防污型玻璃鋼絕緣子更適合油田電網(wǎng)未來的發(fā)展。