高海拔地区500 kV电缆户外终端用复合空心绝缘子的设计

赵海军，徐 健，陈琳杰，周长城

(沈阳古河电缆有限公司，辽宁 沈阳 110115)

电缆户外终端用外绝缘产品分为瓷空心绝缘子和复合空心绝缘子。复合空心绝缘子与瓷空心绝缘子相比具有以下优点：质量轻(同电压等级轻1/3～4/5)便于安装和运输、防爆性能好[1]、优异的憎水性[2]以及优良的电气性能和绝缘性能，特别是可达到很高的污秽等级[3]。

对于500 kV电缆户外终端安装，特别是高海拔地区选择质量轻、绝缘性能强的外绝缘产品尤为重要。本文针对高海拔地区500 kV电缆户外终端用复合空心绝缘子进行设计和验证。

1 产品设计

a.爬电距离

电缆户外终端的正常使用条件为海拔高度不超过1000 m，在此范围内根据Ⅳ级污秽等级所需的爬电比距计算复合空心绝缘子的爬电距离为Lt=R×U×K1×K2×K3=31×550×1.2×1.2×0.9=22 096 mm。其中：R为爬电比距；U为设备运行最高电压；K1为直径修正系数；K2为设计裕度；K3为硅橡胶耐污缩小系数。

根据GB/T 22078.3—2008《额定电压500 kV(Um=550 kV)交联聚乙烯绝缘电力电缆及其附件》规定，对于海拔高度超过1000 m，但不超过4000 m安装使用的电缆户外终端，按(试验电压×海拔校正因数Ka)要求相应提高电缆户外终端的外绝缘水平。其中Ka=1/(1.1-H×10-4)，H为电缆户外终端安装地点的海拔高度。

对于海拔4000 m高度Ka=1.43，爬电距离为22 096×1.43=31 597 mm。本次设计海拔高度为4000 m，爬电距离设计为32 000 mm。

b.伞形设计

根据规定，采用耐污型大小伞结构，其主要尺寸：伞间最小距离C=57 mm；伞间距与伞伸出之比S/P1=60/62=0.97≥0.8；大小伞伸出差P1-P2=62-46=16 mm>15 mm；大伞伞倾角6o，小伞伞倾角8o；按Ⅳ级污秽等级选取的爬电系数αCF<4；剖面形状系数P.F.=(2P1+2P2+S)/I=(2×62+2×46+60)/252=1.1。

c.产品结构高度

根据伞形设计，为满足爬电距离要求，需要127组伞，其干弧距离St=7660 mm；法兰高度L=165 mm。因此产品的结构高度H=St+2L=7660+2×165=7990 mm。

产品结构和外形尺寸如图1所示。

图1 复合空心绝缘子结构尺寸

2 主要材料和工艺控制

2.1 伞套材料

按硫化机理，硅橡胶可以分为高温硫化硅橡胶(HTV)、室温硫化硅橡胶(RTV)和液体硅橡胶(LSR)。

由于液体硅橡胶含胶量可达70%，电气性能好、机械性能优异、抗撕裂强度高，可以有效防止鸟啄和外力破坏。采用铂金催化技术进行硫化，无任何副产物，属环保产品，因此采用液体硅橡胶作为伞套材料。

2.2 内衬管材料

内衬管以环氧树脂为基材，以玻璃纤维为增强材料，采用玻璃纤维湿法缠绕成型[4]。考虑复合空心绝缘子承受的内压力和弯曲负荷，玻璃纤维缠绕角度为54o[5]。

针对玻璃纤维湿法缠绕成型制作的管内部气隙多的问题，对样品进行染料渗透试验和水扩散试验。

a.染料渗透试验[6]

从正常生产的内衬管上切割6个样品，长度为10 mm。将直径为1 mm的钢球放置在玻璃容器内，将质量分数为1%的品红溶液倒入容器内，高于钢球3 mm，将内衬管样品置于容器内。经过15 min浸泡后，品红溶液没有贯通样品，符合标准要求。如图2所示。

(a)开始时(b) 15 min后

b.水扩散试验[7-8]

从正常生产的内衬管上切割6个样品，长度为30 mm，宽度为15 mm。样品在0.1%NaCl的去离子水中煮沸100 h后，进行电压试验。试验电压以1 kV/s的速度升高至12 kV，保持1 min。试验过程中测量泄漏电流平均值为0.052 mA，符合标准要求。

2.3 端部法兰

端部法兰选用高强度、耐腐蚀的铸造铝合金ZL101A，以金属模低压铸造成型，保证了端部法兰的机械性能。

2.4 生产工艺

为了保证伞套与端部法兰界面的密封，端部法兰与内衬管进行组装后成型伞套，避免多余界面存在。由于产品较长，液体硅橡胶分段注射成型，伞套搭接面通过涂覆过渡剂保证2次成型的伞套粘接。

3 产品弯曲试验

电缆户外终端安装运行时会承受各种外力影响[9]，因此复合空心绝缘子必须具备足够的机械强度。产品设计最大机械负荷(MML)为10 kN，弯曲破坏力大于25 kN，对该产品进行弯曲破坏试验，在31 kN时复合空心绝缘子内衬管开裂，如图3所示。产品的试验值为设计值的1.24倍，验证该产品能够承受电缆户外终端运行时的外力影响。

图3 产品的弯曲试验

4 结论

a.根据GB/T 22078.3—2008标准要求，对海拔高度4000 m地区的500 kV电缆户外终端用复合空心绝缘子进行设计，复合空心绝缘子爬电距离为32 000 mm，结构高度为7990 mm。

b.通过材料选择和生产工艺控制，保证500 kV电缆复合空心绝缘子的优异性能。

c.弯曲试验破坏值为设计值的1.24倍，验证设计的产品能够承受电缆户外终端运行时的外力影响。