特高压输电线路中绝缘子研究进展

中国石油天然气股份有限公司西气东输管道分公司 欧亚杰 李韩樱

1 引言

由于特高压输电可实现远距离、大容量、大区域电网的互联，可降低输电成本，近二十年美国、日本、意大利和我国等国家都在致力于特高压输电技术的研究。

在特高压输电工程中，系统输送功率大、输电线路距离长，同时部分地区海拔高，这给电气设备和输电线路的绝缘性能要求更高。特高压输电工程中的绝缘主要有输电导线与周围物体如输电杆塔、大地或其他设备间的空气绝缘，此外广泛应用的就是高压绝缘子。在特高压输电工程对绝缘子的性能要求更高。一方面，高压绝缘子需要有足够的机械强度以支撑相关设备，此外，绝缘子需要具有足够的抗污闪能力和热电压耐受能力。在特高压输电工程中，输电线路附近的电场强度大，容易导致电晕的发生，直流高压环境下积污较交流电压大。国内外学者相关研究表明，直流绝缘子的表面积污可以达到交流的2～3倍[1-2]。因此，在特高压直流工程中，绝缘子的表面积污速度更快，更容易发生绝缘子的闪络。

由于特高压工程具有明显经济性，目前我国正在大力建设特高压直流输电工程。工程应用的需求加快了高压绝缘子的研究，提高绝缘子的电压耐受能力和绝缘可靠性是必须解决的技术难题。本文论述特高压输电线路中绝缘子研究进展。

2 高压绝缘子的发展

复合绝缘子是目前广泛应用的绝缘子，具有机械强度高、绝缘性能好、密度小、耐污性能好优良的特点，较传统的瓷绝缘子和玻璃绝缘子具有显著的性能优势和经济优势，在特高压中得到了广泛应用，目前已经有近五六十年的工程应用和运行经验。复合绝缘子的材料生产配方可调，各项物理性能可根据工程需求进行调制，生产工艺逐步完善，是具有重大应用前景的绝缘子。

自20世纪50年代以来，国外就开始研究和使用复合绝缘子。当时主要使用环氧树脂浇注结构，一般安装在户外。20世纪60年代后期，出现了由树脂增强玻璃钢芯棒和以橡胶或氟塑料等聚合材料为伞裙护套的复合结构绝缘子，并陆续在30多个国家和地区的各种工业线路和试验线路运行。从20世纪80年代开始，国外复合绝缘子推广应用非常迅速。美国是使用复合绝缘子最早和最广泛的国家，电压等级从交流115～765kV，到直流500kV。近年来，复合绝缘子已在世界范围内得到了广大电力技术人员青睐和大量使用，其用量一直保持稳定增长[3-4]。

我国电力工程中，复合绝缘子的应用起源于20世纪90年代。复合绝缘子的引入，有效地降低了我国电网中的污闪事故。从此，我国电网使用复合绝缘子的数量迅速增加，1995年我国电网中使用的复合绝缘子数量大约为10万支，1999年达到了84万支，五年内符合绝缘子的数量增加了近8倍。从2008年复合绝缘子数量已突破达到200万支，目前我国电网工程中复合绝缘子数量已超过300万支，目前我国新建或者投产的高压和特高压工程中已经大批量使用复合绝缘子。

3 高压绝缘子国内外研究进展

绝缘子污闪是电力系统最常见的事故，关系到电力系统的安全可靠运行。国内外学者对绝缘子的污闪机理和污闪特性进行了相关深入的研究，但是绝缘子的污闪是一个概率性发生的事故，目前在实际运行中，仍有污闪事故的发生。因此加深对绝缘子的污闪性能研究很有必要，一方面研究绝缘子污秽放电机理，提取影响绝缘子污闪的关键因素，并进一步提出提高绝缘子污闪电压的技术措施，为绝缘子的可靠运行提供理论依据。

3.1 绝缘子污闪放电原理

绝缘子的污闪与绝缘子材料的物理化学特性有关。材料表面的性能有憎水性或亲水性两种[5]。在雨水或者受潮条件下，亲水性表面容易形成水膜覆盖在绝缘子表面，在高压环境下，亲水性表面的绝缘子极易发生污闪现象。陶瓷和玻璃绝缘子是典型的亲水表面，因此，在雨雪天气下，瓷和玻璃绝缘子容易发生污闪。在雨水或者受潮条件下，憎水性表面不会形成覆盖的水膜，而是形成许多水珠，这样绝缘子表明不容易发生贯穿性的放电通道，因此污闪发生的概率相对较小。复合绝缘子表面一般为憎水性[6-10]。

绝缘子污闪放电是一个涉及到电、热和化学等的错综复杂的变化过程，其主要过程如图1所示，包括：

（1）绝缘子积污过程。绝缘子积污过程是一个长期的缓慢过程，与绝缘子所在的地理环境、天气和绝缘子形状有关。

（2）染污绝缘子表面受潮。绝缘子表面受潮主要受到天气的影响。

（3）染污绝缘子表面局部放电。在外加电压作用下，绝缘子表面局部电场畸变点首先发生局部放电，其产生与绝缘子表面的积污、受潮和表面形状有关。当绝缘子表面泄漏较大时，局部放电较易发生。

本研究依托某高速公路沥青路面新建工程，进行设计前路面调查和测试，并完成该高速公路排水沥青路面试验段设计。该试验路段上面层4cm，下面层为7cm沥青混合料，基层为水泥稳定碎石。试验路段采用PA—13作为沥青面层，设计空隙率为18%，选用TPS高黏改性沥青，油石比为4.8%。

（4）绝缘子表面贯穿性污闪。绝缘子表面局部放电范围逐步扩大，最终形成贯穿性放电通道，绝缘子污闪形成。

图1 绝缘子污闪放电过程

憎水性绝缘子表面容易形成不连续的水珠或者水滴。随着污秽的形成，在水滴中，盐分逐步迁移，外加电场作用下水滴较易形成不连续、不稳定的丝状水滴。丝状水滴和水滴之间的局部放电逐步发展形成贯穿性的放电通道，导致绝缘子表面污秽放电的形成。而亲水性绝缘子表面的污秽放电过程主要形成于绝缘子表面的连续覆盖的水膜中，污秽放电过程容易形成。二者污秽缸垫过程和机理不同，因此憎水性绝缘子表面污秽放电较亲水性绝缘子的放电电压高。

污秽放电涉及复杂的物理化学过程，进二十年来一直是国内外学者研究的重点。近年来国内外学者通过物理模型、化学模型和数学模型的建立，深入研究了污秽放电的基本发展形成过程、内部机制、影响因素和抑制措施，为提高绝缘子临界闪络电压提供了依据[6-14]。

3.2 影响绝缘子闪络的因素

污闪电压与绝缘子的污秽程度（盐密和灰密）、积污过程（污秽不均匀度）、绝缘子的结构型式等因素有关。

（1）盐密和灰密

等值盐密和灰密是确定污秽等级的重要参数。国内外学者试验统计研究表明，绝缘子的污秽闪络电压（污闪电压Uf）与盐密（ESDD）的关系为[5]：

式中，A为与绝缘子材质和结构有关的系数；α为指数，表征污闪电压随盐密变化的快慢程度。

重庆大学孙才新等关于人工污秽试验研究表明，对于X-4.5型绝缘子，A=4.75，α=0.2[5]；Ramos等人试验研究统计表明，直流下α=0.33，交流下α=0.20[6]。对于不同型式绝缘子，交、直流电压作用下，随着海拔的提高，A的数值均降低；α与电压类型、绝缘子结构和型式、海拔高度有关[7]。

（2）积污过程

在电力系统中，整串绝缘子的盐密平均值是决定外绝缘污秽等级、确定外绝缘爬电距离的重要参数。由于绝缘子实际运行环境不同，绝缘子的上表面一般较为清洁，而下表面积污较为严重。统计表明，实际运行的绝缘子上、下表面的积污比一般为1：5～1：20[8]。绝缘子下表面是影响绝缘子串污闪的重要决定性因素。

上、下表面不均匀积污对绝缘子污闪电压的影响主要体现在绝缘子局部电场的畸变程度。研究表明，当上、下表面积污不均匀对绝缘子直流污闪电压的影响程度远大于交流[9]。在直流作用下，当上、下表面积污比从1：1变化到1：10时，绝缘子的直流耐受电压提高一半。

（3）绝缘子结构型式

不同结构型式绝缘子的材料组份、机械结构不同，因此其电气形成差异较大，此时绝缘子的污秽特性差异较大。绝缘子表面的积污程度主要取决于绝缘子的结构型式。不同结构型式的绝缘子上表面的积污程度差异较小，主要差异体现在绝缘子下表面的积污程度。例如，外伞型和三伞型绝缘子的绝缘子下表面设计较为平整光滑，表面空气流动性较好，不易形成污秽；而深棱伞型绝缘子下表面空气流通受到阻碍，容易积污。统计表明，深棱伞型绝缘子的下表面积污量可达到外伞型的三倍[10]。

（4）气象条件

绝缘子的污闪电压很大程度上受到气象条件的影响，不同地区的绝缘子污闪电压差别极大。影响绝缘子污闪的气象条件主要有：温度、气压、雨雪天气、湿度和酸碱性等。Ishii等人在雾室中对绝缘子污闪的研究表明，在5～35℃的范围内，环境温度每升高1℃，绝缘子的污闪电压下降0.7～1.0%[10]。气象条件对绝缘子污闪电压的影响具有一定的统计性规律，需要结合历史数据统计。

3.3 绝缘子老化研究

绝缘子的老化是导致电力系统发生绝缘子污闪的重要原因，在实际运行中无法避免。随着运行时间的增长，在不良气象条件（雨雪、紫外线照射、高温等）、机械振动和局部放电等因素作用下，绝缘子表面交易发生性能退化，具体表现为化学成分的裂变、机械性能的退化和电气性能退化，最终导致绝缘子闪络电压的降低。影响绝缘子老化的因素繁多，目前国际上对绝缘子的老化研究没有明确结果定论。研究主要集中在绝缘子老化机理、老化模拟试验和老化判据等内容。

导致绝缘子老化的主要原因是在不良气象条件下绝缘子表面的局部放电的长期积累作用，最终导致绝缘子表面性能退化和污闪电压的降低。当绝缘子表面的电场强度达到0.5～0.7kV/cm时，绝缘子表面就会产生局部放电或电晕放电现象，放电作用导致绝缘子材料氧化、憎水性下降，此外放电作用的局部高温可能加速复合材料的降解。绝缘子老化涉及复杂的物理化学变化，目前的研究很难定量破解绝缘子的老化机理。

在实验室环境下模拟绝缘子的老化过程是当前的研究热点。美国IEC、美国EPRI和国际高电压大电流技术研究联合会等都提出了相应的实验室加速老化试验方法[12-14]。目前国家标准中的老化试验方法，我国采用的是IEC中的加速老化试验方法，即5000h综合加速老化方法。具体方案为在封闭的箱体内，对绝缘子表面施加电压，并配合紫外线、温度变化和湿度变化等因素，研究绝缘子表面的污秽积累过程或者闪络电压的变化。中国电力科学研究院李庆峰等人进行了绝缘子5000h老化试验，研究认为泄漏电流变化可作为绝缘子表面状况的良好判据，泄漏电流的波形也可为绝缘子在线监测提供有用的信息[15]。

4 绝缘子污秽闪络试验方法

关于绝缘子污秽闪络的研究，主要结合调研的研究进展，提炼研究内容；通过不同试验进行验证或探究，结合放电相关理论进行分析，并提出解决方案，提高绝缘子的整体性能。

绝缘子污秽闪络试验电源需要满足《GB/T22707-2008-直流系统用高压绝缘子的人工污秽试验》和《IEC61245-1993关于直流人工污秽试验电源》的相关规定，保证电压的稳定度达到1%。人工雾室一般设有雨雾发生器、悬挂装置、排水装置、换气装置、观察窗和电气试验回路等。试验前需确保最高试验电压下人工雾室套管等部位不发生闪络。

绝缘子污秽闪络试验采用国内外广泛使用的人工污秽试验的固体污层法，其试验依据为：《GBT22707-2008-直流系统用高压绝缘子的人工污秽试验》、《IEC61245-1993-直流系统用高压绝缘子人工污秽试验方法》、《GB/T311.2-2002-绝缘配合第2部分：高压输变电设备的绝缘配合使用导则》。

绝缘子的50%闪络电压计算方法：

式中：U50%为50%闪络电压，Ui为有效试验电压；ni为有效试验电压Ui现的总次数；N为有效试验的次数。试验结果的相对标准偏差σ%。

基于高压绝缘子的污闪特性，国内外学者对绝缘子污秽闪络研究包括多方面：如同吨位下长棒形瓷绝缘子与三伞形瓷绝缘子的污闪特性、瓷绝缘子与复合绝缘子的污闪特性；对双串并联长棒形瓷绝缘子的污闪电压特性进行了试验研究，通过与单串绝缘子污闪特性对比，研究了并联安装对绝缘子污闪电压的影响；绝缘子的材料和外形对其绝缘性能的影响等。

5 小结

本文通过调研形式论述了特高压输电中的绝缘子及其发展，重点介绍了近年来高压绝缘子的国内外研究现状和绝缘子污秽研究的试验方法。特高压输电线路的绝缘子绝缘可靠性是保证输电线路运行的基本条件。在研究方面，需结合理论和试验研究绝缘子的污闪特性，提高绝缘子污闪电压，为绝缘子的研发、生产和运行提供理论支撑。

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