浅析不同材质绝缘子在输电线路上的应用

浅析不同材质绝缘子在输电线路上的应用

于明星

（国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司内蒙古通辽028000）

摘要：本文对输电线路绝缘子的材质、运行性能、可靠性评价等内容进行了综述。为提高输电线路的运行水平，应根据蒙东区域特点有针对性的采用不同材质绝缘子，并加大改造力度以提高绝缘子的制造水平。

关键词：输电线路；绝缘子；材质；运行性能；可靠性评价；

1概述

输电线路绝缘子的材质对绝缘子性能起着决定性作用，加大绝缘子材质的改进力度，对提高绝缘子性能及线路运行质量有着重要意义。在长期的运行中，不同材质绝缘子的运行性能包括耐污性能及耐雷击性能受到考验；在实际工程应用中，不同材质绝缘子的可靠性反映出各自的性能水平，主要分析了绝缘子的寿命周期、绝缘子的失效率对比、绝缘子的失效率对比、事故率以及绝缘子可靠性试验。加大改造力度以提高绝缘子的制造水平，对于提高线路运行的可靠性非常重要。

2绝缘子材质

架空输电线路上目前使用的有三种材料绝缘子：瓷绝缘子、玻璃绝缘子和有机复合绝缘子。瓷和玻璃均为硅酸盐材料。瓷是由石英砂、粘土和长石等原料经过球磨、制浆、炼泥、成形、上釉并烧结成的，是三相（结晶相、玻璃相和气相）共存的不均质体；玻璃是由石英砂、白云石、长石、石灰石和化工原料经过高温熔融成液体后冷凝而成的一种均质的非晶体，是液态和玻璃态互为可逆的均质体[1]。“均质性”是影响绝缘材料介电强度的重要因素，脆性材料的机械强度和热稳性，不完全取决于材料力学性质，而极大程度上取决于材料内部的缺陷和表面状态。这就是钢化玻璃较之退火玻璃和瓷，上釉的瓷较不上釉的瓷强度高得多的原因。此外，玻璃的“热钢化”技术，赋予玻璃表层一个高达100—250Mpa和永久预应力。这就是“钢化玻璃”强度钢铁化，热稳定性高，较瓷不易老化和寿命长的道理。有机复合绝缘子的硅橡胶伞盘为高分子聚合物，芯棒为引拔成型的玻璃纤维增强型环氧树脂棒。瓷绝缘子和玻璃绝缘子是由铁帽、钢脚和绝缘件用高标号水泥胶装成一体。有机合成绝缘子是由硅橡胶伞裙、芯棒和端部金具构成一体。有机合成绝缘子与瓷绝缘子和玻璃绝缘子相比较，具有制造工艺简单、耐污性能较好的特点，但复合绝缘子的难点是解决有机材料在户外条件下的老化、芯棒的脆断的蠕变。综上所述，钢化玻璃既较瓷有高得多的机械、绝缘强度，又较有机材料具有优良的抗老化性能，为绝缘子的可靠运行奠定了良好的基础，应在输电线路上得到广泛使用[2]。

3绝缘子的运行运性能及分析

线路绝缘子性能的优劣直接影响到输电线路运行的可靠性和经济性，下面从三种绝缘子的耐污性能和耐雷击性能方面进行比较：

3.1耐污性能

引起线路污闪的主要污秽来源包括自然污秽：尘土、鸟粪类；工业污秽：烟尘、废气。根据蒙东地区送电线路的运行情况，由于秋冬季空气干燥，绝缘子上浮尘较多，在潮湿的空气里很容易发生污闪。选用耐污性能好的绝缘子，对提高线路运行质量有很大意义。

玻璃绝缘子采有圆柱头结构，承力组件受力均匀。较之传统瓷绝缘子数十年一贯制的圆锥头结构，具有尺寸小、重量轻、强度高和电性能优良的特点。由于玻璃的线膨胀系数较瓷大得多，较复合绝缘材料小得多，且与金属附件和水泥的线膨胀事故接近，因而受力组件材质匹配良好。在各种气候条件下，不会像瓷绝缘子和复合绝缘子那样容易产生危险应力而导致老化。玻璃的介电常数较大，因而单只玻璃绝缘子的干闪络电压比瓷绝缘子的低，但有较大的主电容来改善表面的电压分布，使之与瓷绝缘子串的闪络电压相当。加之玻璃绝缘子泄漏比距大，表面产生的凝聚物少，抵抗由污秽引起的热应力的能力强，因而不易因闪络而出现事故。污闪实践证明，玻璃绝缘子的耐污性能优于瓷绝缘子。

复合绝缘子具有优良的耐污性能，污闪电压是瓷绝缘子2-3倍，不需清扫维护。硅橡胶材料所特有的憎水迁移性，使得积污后的绝缘子仍具有优异的憎水性和极高的污闪电压，内外绝缘距离相等，属不可击穿型结构，不需进行零值检测。就此而论，复合绝缘子特别适用于污秽区[3]。

3.2耐雷击性能

在采用瓷、玻璃绝缘子的输电线路中，雷击故障约占故障总数的一半左右；在全国有机合成绝缘子的故障统计中，雷击故障约占55％左右。雷击故障次数与雷电活动次数成正比，主要发生在雷电活动频繁的地区。

根据运行经验认为：与瓷、玻璃绝缘子相比较，有机合成绝缘子的耐雷性能较差。但与瓷、玻璃绝缘子相比较，有机合成绝缘子在耐雷方面也有优势的一面，它不会发生瓷绝缘子难以避免的零值、低值和玻璃绝缘子的伞裙自爆，因而不致因零值或低值绝缘子的存在而降低整串绝缘子的耐雷水平。有机合成绝缘子不利的一面是，由于其伞裙直径较小，因而对同一高度来说，其干弧距离总是略小于瓷绝缘子和玻璃绝缘子。一般来说，绝缘子串的总长度越小，直径对闪络电压的影响越突出。另外，运行情况表明：由于有机合成绝缘子上下端均压环间或接地端头与导线端均压环间的空气间隙偏小，等效于降低了其有效绝缘长度，而造成雷击闪络电压降低。一般来说，装有均压环的有机合成绝缘子，空气间隙约减少15～20cm或更多。有机合成绝缘子的试验证明：在上下两端均配置均压环比在下端配置一个均压环，其雷电冲击闪络电压要小。产生雷电冲击闪络电压下降的原因是雷击放电总是选最短的路径、最易于空气击穿的途径发生。当均压环之间的空气间隙击穿伏秒曲线低于绝缘子表面的闪络伏秒曲线时，放电就首先选择在间隙中发生。当然，有利的一面是，当间隙偏小时，两端的均压环同时也可起到保护绝缘子的招弧角的作用。由于它使雷击不在绝缘子表面发生而是在两均压环间的空气间隙中发生，因此防止了放电电弧对硅橡胶表面及端部连接金具的烧蚀。绝缘配合一般为：两招弧角间的雷电冲击放电电压为绝缘子串雷电冲击放电电压的85％左右。一旦线路遭受雷击，雷击放电电弧不沿绝缘子串而在两招弧角间的空气间隙间形成，从而对绝缘子形成保护，大大减少了零值、劣质绝缘子的发生概率。仅从绝缘子的保护来说，两端配置均压环比仅在导线端配置均压环要好。若只在高压端配置均压环，显然不能将电弧完全从绝缘子表面引开。根据运行经验，在发生雷电闪络后，凡有机合成绝缘子两端均配置有均压环的，绝缘子表面仍保持完好，仅有局部伞裙发白；而仅只在导线端安装了均压环的，有的伞裙烧损严重，塔侧的金具也被烧蚀；而两端均没装均压环的，则两端金具及伞裙均有烧蚀现象，需要更换。对有机合成绝缘子的憎水性试验进一步说明，遭雷击闪络但无烧损的绝缘子仍保持较好的憎水性，但有明显烧蚀痕迹绝缘子的憎水性能则大大降低，意味着其耐污闪能力也将大大降低。表1-表3给出了部分型号绝缘子特性及参数。

注：LXY1-70为圆柱头结构悬式盘形玻璃绝缘子，LXHN4-70为耐污型悬式盘形玻璃绝缘子

因此，通过以上参数对比，综合考虑耐雷水平和绝缘子的保护这两个方面，不应该仅为不降低耐雷水平而取消均压环，而应该适当增加绝缘子高度，特别是在雷电活动密集区和雷电易击点，所使用的合成绝缘子更应适当加长，使装配均压环后的空气间隙及放电距离不致减小。装设均压环的另一个好处是使绝缘子串的电场分布更趋均匀，不仅可减缓在长期工作电压下，因局部高场强引发局部放电而造成绝缘子的老化或劣化，而且在同一放电距离下，可因电场均匀使放电电压提高，从而提高雷击闪络电压。

4绝缘子可靠性评价

运行的可靠性是决定绝缘子生命力的关键。在长期的运行中，绝缘子会受到雷击、污秽、鸟害、冰雪、高湿、温差等环境因素的影响，在电气上要承受强电场、雷电冲击电流、工频电弧电流的作用，在机械上要承受长期工作荷重载、综合荷载、导线舞动等机械力的作用，因此绝缘子的可靠性应从大量绝缘子在输电线路上长期运行的统计结果和可靠性试验所反映出来的性能水平来评价[4]。据此，对绝缘子进行以下评述：

4.1绝缘子的寿命周期

在标准规定的使用条件下，能够保持其性能不低于出厂和标准的最低使用年限为“寿命周期”，此项指标不仅反映绝缘子的安全使用期，也能反映输电线路投资的经济性。相关部门曾先后多次对运行5-30年的玻璃和瓷绝缘子进行机电性能跟踪对比试验。结果表明：玻璃绝缘子的使用寿命取决于金属附件，瓷绝缘子的使用寿命取决于绝缘体。玻璃绝缘子的寿命周期可达40年，而瓷绝缘子除全面采用国外先进制造技术后有可能较大幅度地延长其寿命周期外，其平均寿命周期仅为15-25年，复合绝缘子平均寿命周期只有7年。

4.2玻璃绝缘子和瓷绝缘子的失效率对比

运行中年失效绝缘子件数与运行绝缘子总件数之比称为年失效率。对于玻璃绝缘子，其寿命周期内平均失效率为（1-4）×10-4/aA，对于国产瓷绝缘子的失效率，除个别产品将有可能降低外，都比玻璃绝缘子高。

4.3玻璃绝缘子和瓷绝缘子的失效检出率对比

绝缘子失效后能否检测出来的检出率对线路安全运行的影响是比失效率本身更为重要的因素，检出率取决于绝缘子失效的表现形式和失效的原因。玻璃绝缘子失效的表现形式是“自动破碎”和“零值自破”。“自破”不是老化，而是玻璃绝缘子失效的唯一表现形式，所以只需凭借目测就可方便地检测出失效的绝缘子，其失效检出率可达百分之百，瓷绝缘子失效的表现形式为头部隐蔽“零值”或“低值”，复合绝缘子失效的主要表现形式为伞裙蚀损以及隐蔽的复合“界面击穿”，此外，瓷和复合绝缘子失效的原因是材料的老化，而老化程度是时间的函数。老化是隐蔽的，因此给检测带来极大的困难，造成检出率极低，对于复合绝缘子，实际上是无法检测的。

4.4事故率

年掉线次数与运行绝缘子件数之比称为年事故率。绝缘子掉串是架空输电线路最为严重的事故之一。对于高压输电网，若造成大面积、长时间停电，后果则不堪设想。

从玻璃绝缘子运行经验证明：在220-500kV的输电线路上，从来没有因为玻璃绝缘子失效而发生过掉线事故。而国产瓷绝缘子掉线事故率则高达2×10-5。研究指出，即使失效率相同，瓷绝缘子也比玻璃绝缘子的事故率高。由于复合绝缘子为长棒式，掉线事故一般很少发生。但导致内绝缘击穿、芯棒断裂和强度下降的因素始终存在，一旦失效，事故概率会高于由多个元件组成的绝缘子串。

4.5玻璃绝缘子和瓷绝缘子可靠性试验

为对绝缘子进行可靠性评价，国内外曾对玻璃绝缘子和瓷绝缘子作过各种方式的加速寿命试验和强制老化试验。如：陡波试验、热机试验、耐电弧强度试验、1500万次低频（18.5Hz）和200万次高频（185-200Hz）振动疲劳试验及内水压试验，都从不同角度得出结论：与玻璃绝缘子相反，绝大多数瓷绝缘子都不能通过这些试验。

影响绝缘子可靠性的因素主要包括材料、结构、性能和制造水平等,对于复合绝缘子,由于使用周期短，范围不广泛,复合绝缘子的可靠性方面相关问题有待继续探研。

5结论

本文从不同绝缘子材质展开论述，分析比较不同材质绝缘子的工作性能。进而对各类材质绝缘子的运行性能作出比较分析，介绍了它们的可靠性评估对比。得出以下结论：1)绝缘子材质对绝缘子的运行性能起着决定性作用。2)从绝缘子的运行性能对比来看，复合绝缘子有着较为广阔的发展前景，尤其在污秽区使用有着较大的优势。应集中力量开发研制，以求在延缓材料老化和预测寿命周期上取得突破。玻璃绝缘子应得到大力推广，但应有效降低绝缘子的失效率。3)应根据不同地形地貌、天气状况、运行环境等因素采用不同类型绝缘子，以提高电网安全运行水平。4)现不同材质的绝缘子还各自存在弊端，应加大技术改造力度，在材料配方、产品结构和制造水平上取得更大的进展。

参考文献

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[2]徐欣,程冬,谢佐鹏,等.110kV输电线路不挂绝缘子复合材料绝缘横担的研制与应用[J].电力建设,2014,35(7):104-109.

[3]董超强.输电线路绝缘子应用分析与探讨[J].广东科技,2008,2:96-97.

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作者简介：

于明星(1982-),男,本科，工程师，现从事输变电运维管理工作。