超高壓輸電線路絕緣子的可靠性評價

　　在架空輸電線路上現(xiàn)在使用的有三種材料絕緣子——瓷絕緣子、玻璃絕緣子和有機復合絕緣子。我國目前的生產(chǎn)現(xiàn)狀是以生產(chǎn)和使用瓷絕緣子為主，玻璃絕緣子國內(nèi)生產(chǎn)能力只占國內(nèi)絕緣子總需求量的20%；我國復合絕緣子的研制起步較晚，由于近年來國內(nèi)外在此技術上的進展較快，生產(chǎn)和使用量已呈上升態(tài)勢。

　　1　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鍵。最好的評價應是大量絕緣子在輸電線路上長期運行的統(tǒng)計結果和可靠性試驗所反映出來的性能水平。因此，評價絕緣子應遵循下述準則：

　　(1)壽命周期

　　產(chǎn)品在標準規(guī)定的使用條件下，能夠保持其性能不低于出廠標準的最低使用年限為“壽命周期”。此項指標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年的玻璃和瓷絕緣子進行機電性能跟蹤對比試驗。結果表明: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［1］。玻璃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；復合絕緣子經(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)玻璃絕緣子,其壽命周期內(nèi)平均失效率為(1～4)×10－4/a［1］，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；對于復合絕緣子，由于壽命周期不能預測、復合材料配方和制造工藝還不能完全定型，其失效率很難預測。

　　(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。玻璃絕緣子失效的表現(xiàn)形式是“自動破碎”和“零值自破”［1］。“自破”不是老化，而是玻璃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”，復合絕緣子失效的主要表現(xiàn)形式為傘裙蝕損以及隱蔽的復合“界面擊穿”。此外，瓷和復合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；對于復合絕緣子，實際上根本無法檢測。

　　(4)事故率

　　年掉線次數(shù)與運行絕緣子件數(shù)之比稱為年事故率。絕緣子掉串是架空輸電線路最為嚴重的事故之一。對于EHV輸電，若造成大面積、長時間停電，后果則不堪設想。

　　國產(chǎn)玻璃絕緣子30年來的運行經(jīng)驗證明:在220～500kV的輸電線路上，從來沒有因為玻璃絕緣子失效而發(fā)生過掉線事故［1］，而國產(chǎn)瓷絕緣子掉線事故率則高達2×10－5 。前蘇聯(lián)的研究指出，即使失效率相同，瓷絕緣子較玻璃絕緣子的事故率也至少高一個數(shù)量級［3］。由于復合絕緣子為長棒式，掉線事故一般很少發(fā)生，但導致內(nèi)絕緣擊穿、芯棒斷裂和強度下降的因素始終存在，一旦失效，事故概率會高于由多個元件組成的絕緣子串。

　　(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論:與玻璃絕緣子相反，絕大多數(shù)瓷絕緣子都不能通過這些試驗［1］。對于復合絕緣子，可靠性試驗則還是一個有待于繼續(xù)探索的課題。

　　2　影響絕緣子可靠性的三大因素

　　(1)材料是基礎

　　玻璃和瓷均屬鋁硅酸鹽，瓷是三相(結晶相、玻璃相和氣相)共存的不均質(zhì)體，而玻璃是液態(tài)和玻璃態(tài)互為可逆的均質(zhì)體�！熬�質(zhì)性”是影響絕緣材料介電強度的重要因素。脆性材料的機械強度和熱穩(wěn)定性，不完全取決于材料力學性質(zhì)，而極大程度上取決于材料內(nèi)部的缺陷和表面狀態(tài)。這就是鋼化玻璃較之退火玻璃和瓷，上釉的瓷較不上釉的瓷強度高得多的原因。此外，玻璃的“熱鋼化”技術，賦予玻璃表層一個高達100～250MPa的永久預應力。這就是“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的道理。對于復合絕緣子的難點是解決有機材料在戶外條件下的老化、芯棒的脆斷和蠕變。可見，鋼化玻璃既較瓷有高得多的機械、絕緣強度，又較有機材料具有優(yōu)良的抗老化性能，為絕緣子的可靠運行奠定了良好的基礎。

　　(2)產(chǎn)品結構和耐污性能是關鍵

　　玻璃絕緣子采用圓柱頭結構，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構，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，外型尺寸較復合絕緣材料小得多，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，不會象瓷絕緣子和復合絕緣子那樣容易產(chǎn)生危險應力而導致老化。且復合絕緣子很難解決復合界面的結構質(zhì)量。

　　但復合絕緣子具有優(yōu)良的耐污性能，而且通常無需清掃。這就極大地減少了線路維護費用。就此而論，復合絕緣子發(fā)展前景廣闊。玻璃的介電常數(shù)較大，因而單只玻璃絕緣子的干閃絡電壓比瓷絕緣子的低，但有較大的主電容來改善表面的電壓分布，使之與瓷絕緣子串的閃絡電壓相當。加之玻璃絕緣子泄漏比距大，表面產(chǎn)生的凝聚物少，抵抗由污穢引起的熱應力的能力強，因而不易因閃絡而出現(xiàn)事故。華東電網(wǎng)十年來的污閃實踐一再證明，玻璃絕緣子的耐污性能優(yōu)于瓷絕緣子。

　　(3)制造水平是保證

　　在國外，優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的生產(chǎn)均已形成相當經(jīng)濟規(guī)模、且具有工藝先進的高自動化生產(chǎn)線。因而，整個西歐和前蘇聯(lián)，玻璃絕緣子的市場占有率高達90%以上；整個北美復合絕緣子使用量為世界之最，占本地絕緣子市場總量的25%～30%［2］；在日本，瓷絕緣子則一統(tǒng)天下。在我國，所幸的是國產(chǎn)玻璃絕緣子通過技術引進和自己開發(fā)，已具備了上述生產(chǎn)條件。對于瓷和復合絕緣子，除個別合資企業(yè)外，上述制造水平在我國尚未達到。可見，選用何種產(chǎn)品還取決于產(chǎn)品的制造水平和對產(chǎn)品性能及使用環(huán)境的全面了解。

　　3　結束語

　　(1)絕緣子的壽命周期、失效率、失效檢出率、事故率和可靠性試驗，應成為綜合評價EHV絕緣子可靠性的五項準則。

　　(2) 擴大使用國產(chǎn)玻璃絕緣子在當前有著較大優(yōu)勢。作為玻璃絕緣子制造者應精益求精，有效降低絕緣子運行頭幾年的失效率。

　　(3) 復合絕緣子有著較為廣闊的發(fā)展前景，應集中力量開發(fā)研制，以求在延緩材料老化和預測壽命周期