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高压支柱绝缘子式传感器的原理(有电容芯棒)
作者:管理员    发布于:2015-07-04 07:02:46    文字:【】【】【
摘要:如皋市大生线路器材有限公司
摘要: 通过对500 kV棒形复合绝缘子高压端芯棒脆断事故发生原因的分析,指出其主要原因为绝缘子串电压分布严重不均匀及均压环设计、安装不规范而引起导线端电场畸变,加速了硅橡胶护套的电蚀穿孔所致。提出了将原下垂式线夹更换为上扛式防电晕线夹,作导线挂点“八”字型改造,在复合绝缘子导线侧加挂玻璃绝缘子;采用非标准长度的复合绝缘子与玻璃绝缘子组合成串等对策,以改善复合绝缘子的电场分布,降低导线端所承受的电压,消除畸变电场,预防芯棒脆断。实践表明,改进效果良好。  
关键词: 复合绝缘子;悬挂方式;芯棒脆断;电场分布;对策;输电系统  
  硅橡胶复合绝缘子由环氧树脂玻璃纤维棒、硅橡胶伞盘(护套)、金属端头3部分组成。它具有耐污性能强、质量轻、强度高(指芯棒)、易安装、无需测零等优点,适用在2.8 
cm/kV及以上的重污区或少雷地区线路上使用。送电线路运行中悬垂双联复合绝缘子串,其中一串芯棒脆断事故已发生多起,其原因既有芯棒金具连接处的压接、密封圈、护套等产品质量问题,也有设计中选择的悬垂双串导线侧挂点安装尺寸不合理,导线侧复合绝缘子的均压环设计、加工、罩入(屏蔽)距尺寸、施工安装等存在缺陷的缘故,因此应引起线路设计、基建、运行单位和复合绝缘子生产厂家的重视。 

1 芯棒脆断原因分析



  棒形复合绝缘子整支属极间电容量极小的长杆绝缘结构,它不像盘形绝缘子串那样间隔有钢帽和球头等金属件,其伞裙形状相对于瓷、玻璃绝缘子串也较不合理。硅橡胶伞裙盘径因受制造工艺和材质的限制,无法做成如瓷、玻璃那样大直径的伞盘(若为提高爬电距离而缩短伞间距,则易发生飞弧短接现象),因此复合绝缘子沿面场强和分布电压显得极不均匀,即导线侧约6%长度的复合绝缘子串上要承受25%~30%的运行电压,这种情况在长串绝缘子及电压等级越高时越明显。国家电网公司武汉高压研究所曾做过各种绝缘子串过电压闪络试验,其中对复合绝缘子两端有、无招弧角(均压环)做了大量的闪络试验,结果发现两端无金属环装置的悬式复合绝缘子,其伞裙、护套易遭工频电弧损伤,具体表现为硅橡胶伞盘和护套的粉化、碳(硬)化,芯棒暴露,机械强度下降。所以送电线路使用复合绝缘子必须在两端安装均压环,使故障工频大电流所产生的电弧飘离伞裙和护套表面,以保护硅橡胶护套、伞裙不被大电弧灼伤而导致粉化、碳化等。

  均压环的另一功能是改善复合绝缘子的整体分布电压,但其效果仍然达不到盘形绝缘子串的电压分布水平。要改善复合绝缘子的表面场强,除选择适当的均压环外径、管径尺寸外还要选择适当的均压环高度,因为复合绝缘子的表面场强与均压环的高度即深入(抬高)伞裙的距离Δh有很大关系。实验证明:高压端均压环的管径r越大,越能降低装环侧的端部场强和平均场强。当r>10mm时,端部场强可降低至空气击穿场强以下;均压环外径R太小,会使距高压侧10%的绝缘距离处的场强有增大趋势,因而R应大一些,R越大越能降低平均场强,使电场分布更均匀,因此推荐500 
kV高压端均压环半径R一般取250~300mm为宜,当均压环的深入距离Δh≈0时,均压环开口平面处的芯棒、金具连接处将承受最大场强。如果其最大场强值超过空气击穿场强(3.0 
kV/cm)时,则将会发生较严重的电晕放电。这类集中电场会使硅橡胶材料中的微孔隙、材料缺陷或不同界面处产生漏电起痕,从而加速芯棒老化和硅橡胶护套因电蚀穿孔而导致密封性能破坏,引发复合绝缘子芯棒断裂掉串事故。试验证明:330 
kV复合绝缘子施加190 kV试验电压,均压环深入距离Δh=0时,测得芯棒、钢脚压接处场强超过5.5~6.5 kV/cm,第一片伞裙上分布电压达28~34 
kV(占运行电压的20%~26%)。当均压环罩入屏蔽住2~4个伞裙(即抬高120~150 mm)时,芯棒端部连接处的场强降低到0.4 ~1.6 
kV/cm,伞裙最大分布电压仅为运行电压的10%。但若均压环深入距离Δh太深,则会缩短横担、导线间的干弧距离,降低了绝缘子串的雷电冲击放电电压值。另外,线路施工及工程竣工验收时,绝大多数单位都没有按复合绝缘子均压环的深入尺寸要求进行验收,普遍采用在地面以目测方式观察复合绝缘子的上下均压环开口是否对齐来检验它的整个安装质量。工程中曾发现过有反装的现象。当均压装置反装时,复合绝缘子高压端的分布电压比未安装均压环时的还要高1.8%。说明均压环的正确安装与否,对复合绝缘子的电气性能影响很大。其次,也有出现过将悬垂双串盘形玻璃绝缘子更换成复合绝缘子时,未将盘形双串的FJP-500XDL均压环同时更换,错误地将原盘形绝缘子的腰子形均压环来替代随新复合绝缘子带来的配套的圆形均压环,从而造成在更换后运行不到1年时间,再次发生复合绝缘子芯棒脆断事故。

  我国现行使用的复合绝缘子均压环的结构不合理,尺寸过小,均压效果不理想;同时电力行业对复合绝缘子均压装置的设计、选型缺乏统一认识,也未制定均压环生产的技术标准,特别是对均压环的罩入屏蔽尺寸更是关心不够,因而造成各生产厂家设计的均压装置结构、环径(管径)尺寸和安装方式五花八门,有的生产厂家甚至根本不考虑均压环深入伞裙的距离以降低芯棒、接头处场强的措施。 




  根据武汉高压研究所《500 kV线路绝缘子串分布电压的现场实测与分析》的分析结论:运行线路上的绝缘子无论是单串或双串,中相绝缘子串的分布电压总比两边相串更不均匀;中相串靠近导线第一片绝缘子的分布电压比边相串的导线侧第一片约高10%,即1.1倍。所以运行线路中相悬垂复合绝缘子串更容易发生电蚀穿孔、芯棒碳化脆断的事故。另外双悬垂复合绝缘子串因2只均压环紧挨在一起,相互影响或对电场有干扰,使平行悬垂双联串更容易发生因电场畸形引发的硅橡胶电蚀,接头密封损坏,水分、酸雨侵入芯棒碳化脆断的事故,脆断情况见图1、图2。
防止复合绝缘子芯棒脆断的对策



  (1) 针对运行线路上悬垂双联平行串,由于存在并联效应,其50%雷电冲击放电电压要比悬垂单串的低,对带有双均压环的并联串,它的下降幅值更大。试验证明:220 
kV 16片悬垂玻璃绝缘子带均压环,双串的雷电冲击电压值比单串降低的最大值为11.7%,即悬垂双串的直线塔耐雷水平要下降10%左右。另外,试验还证实,平行悬垂双联串的污耐压值,要比悬垂单串绝缘子的污耐压降低8%~10%。其次,复合绝缘子双联串的高压端易出现畸变电场电蚀硅橡胶护套、损坏接头密封等事故,为消除芯棒脆断掉串事故,可将原设计的复合绝缘子平行悬垂双串(二联板间距450mm)导线侧挂点拉开,拉开间距220 
kV线路为1 000 mm,500 kV线路为1 500 mm,形成“八”字形挂设,成为形式上的单串模式,以消除由于导线侧2只均压环紧挨在一起及施工安装不规范等原因引起的高压端电场畸变的隐患,避免发生因硅橡胶电蚀、损坏接头密封等原因引发的芯棒脆断掉串事故,2平行挂点拉开后还可恢复双联串复合绝缘子的原有耐污水平,也增强了双联串绝缘子的耐雷水平。平行悬垂双串复合绝缘子串和拉开间距后的双串复合绝缘子串照片如图3、图4所示。








图3 原0.45 m联板间距的双串照片



图4 拉开1.5 m间距后的双串照片



  复合绝缘子的特点是耐污性能比较好,适合使用在重污区。因此山区压档及连续上山档杆塔应慎用双联复合绝缘子串,山区污耐压问题盘形绝缘子完全能承担,它的主要问题是耐雷水平。

  (2) 针对复合绝缘子串分布电压不均匀,靠近导线端部要承受25%~30%运行电压的问题,可充分利用无需测零、能承受较高工频耐受电压的玻璃绝缘子。对早期部分运行线路采用的“下垂式”线夹悬挂的绝缘子串,更换成“上扛式”防电晕线夹(平地双串也可进行“八”字形改造);利用更换金具使结构高度缩短(500 
kV约500 mm),在导线侧加装2、3片盘式玻璃绝缘子,使复合绝缘子端部均压环及接头连接处离开高压端,以降低复合绝缘子高压端伞裙的承受电压,改善复合绝缘子串的电场分布,消除500 
kV线路双联平行悬垂复合绝缘子串导线端高场强引发的硅橡胶电蚀穿孔,接头密封损坏,水分、酸雨侵入芯棒而碳化脆断的隐患,且不需要进行塔头间隙、交跨、风偏校验。同时还因增挂了2、3片绝缘子后,提高了雷电全波冲击耐受电压值约350 
kV。 

  (3) 由于盘式绝缘子串的金属部分与接地的杆塔横担和带电导线间存在耦合电容,使沿绝缘子串的分布电压不均匀;靠近导线侧的绝缘子承受的电压明显高于其他位置的绝缘子。如500 
kV采用“下垂式”线夹悬挂的盘式绝缘子串靠近导线侧的几片绝缘子,其承担的电压要比其他位置的绝缘子高3~4倍,最大值出现在导线侧第1片上。更换采用“上扛式”防电晕悬垂线夹后,导线侧第1片的分布电压可从原33 
kV左右下降到25 kV,因此盘形玻璃绝缘子配合使用上扛式防电晕线夹后,可以取消均压环。

  由于超高压复合绝缘子两端必须安装均压环,均压环间的主电容的大小,与均压环的等效面积成正比,与两均压环间的距离成反比。因此新建的500 kV线路,若设计采用复合绝缘子,则可将复合绝缘子特制加工成结构高度为3 
450±50 mm,两环间干弧距离为3 000 mm(正常500 kV复合绝缘子为4 450±50 mm,干弧距离为4 000 mm),在导线侧挂6片高度为170 
mm、爬电距离为550 mm的玻璃防污绝缘子。此时复合绝缘子的下均压环如同将绝缘子串分段。由于均压环的等效面积相等,根据上述正比、反比的关系,特制的短复合绝缘子的高压端的分布电压要比正常型复合绝缘子高压端的电压值低得多,从而既降低了芯棒、金具连接处的场强,又改善了整支复合绝缘子的分布电压,延长了硅橡胶产品的使用寿命,而且也没有降低原复合绝缘子串的泄漏比距。






3 结论


  针对复合绝缘子导线端因强电场和电场畸变,引起的硅橡胶护套电蚀穿孔、接头密封损坏、水分或酸雨侵入芯棒而造成芯棒碳化脆断事故,提出了采用“上扛式”防电晕线夹更换原线路悬垂双联复合绝缘子串“下垂式”线夹,使导线挂点为“八”字型,在导线侧增加玻璃绝缘子,以及在新建线路上采用特殊加工的复合绝缘子与玻璃绝缘子组合的方法,使复合绝缘子导线侧均压环、接头连接处远离高压端,降低了特制的短复合绝缘子的高压端分布电压,改善了整支复合绝缘子的电场分布,降低了复合绝缘子高压端连接处的承受电压,消除了畸变电场,避免了因连接处密封损坏而引发的芯棒碳化脆断掉串事故。同时还提高了耐雷水平约350 
kV。实践表明,上述改进方法已取得了良好的效果。







4 参考文献


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脚注信息