±1100kV特高压直流系列复合绝缘子的设计与分析

[摘 要]基于±1100kV直流系列复合绝缘子所要承受的电气和机械负荷，分析确定了±1100kV直流棒形悬式复合绝缘子产品的结构高度、绝缘距离、爬电距离，对芯棒的外套材料及结构进行了选择，对产品的金具结构、伞裙结构和均压环进行了设计。

[关键词]特高压直流；棒形悬式复合绝缘子；机械强度，伞裙；均压环

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）47-0244-03

1 引言

随着国民经济的持续发展，对能源工业和电力工业的发展提出了新的要求。根据国家中长期规划，到2020年，我国电源装机容量至少要在现有5亿千瓦的基础上再翻一番，达到10-12亿千瓦，为满足我国未来电力需求快速增长的需要，迫切需要通过自主创新，提高电力系统的供电能力。根据我国“西电东送、南北互供、全国联网”的发展战略，我国远距离输电将实现电能的经济性和合理性。

在高压电网中，直流输电一般应用在一定距离、一定规模的电力外送中，在今后的电网发展中将受到越来越多的关注[1-4]。 随着电力大规模流动的距离逐渐加大，现有的± 500kV、±800kV直流输电将无法满足电力系统的要求，“十二五”期间，我国电力需求将继续保持快速增长势头，将投资新建±1100kV特高压直流复合绝缘子输电线路，全面提升电网的资源配置能力和装配制造水平。在高压输电线路中，大量使用的悬式绝缘子多采用瓷和玻璃材料，但如果在电压等级更高，污秽问题比较严重的高压直流输电工程中使用，将会造成绝缘子串长度过长、重量过大、塔窗尺寸大，防污能力差，运行维护难，危害电网安全等问题，这就必须要研制一种适合±1100kV特高压直流输电线使用的复合绝缘子。

2 概述

±1100kV直流复合绝缘子作为输电网架的一种电力设备，属于“新材料”技术领域，复合绝缘子主要由芯棒、伞裙和外护套、金属端头等部件组成。芯棒主要承受机械负荷及起内绝缘作用，伞裙和护套承担外绝缘，且起保护芯棒免受大气侵蚀作用，金属端头传递机械负荷和链接导线。

针对±1100kV直流棒形悬式复合绝缘子所要求承受的电气和机械负荷，结合国内±800kV直流复合绝缘子的设计、生产和运行经验，从满足产品的技术要求着手，确定产品的结构高度、绝缘距离、爬电距离，对芯棒的外套材料及结构进行了系统分析与选择，对产品的金具、伞裙结构和均压环进行了设计[5-8]。

3 产品尺寸参数的确定

我公司±800kV直流系列复合绝缘子已在国内向～上线工程、锦～苏线工程、哈～郑线工程、糯扎度送广东等工程中得到了广泛的应用，产品运行情况良好。±1100kV特高压直流复合绝缘子与±800kV复合绝缘子的技术有许多相同和不同之处，其产品结构形式基本相同，产品均由金具、芯棒、伞裙材料、均压环几个基本部分组成，但由于使用产品使用环境不同，±1100kV直流复合绝缘子所需要承受的电气性能及机械性能会更高，根据±1100kV直流西电东送线路运行特点，其产品的直流1min湿耐受电压不小于+1250kV、雷电冲击耐受电压不小于+4950kV、湿操作冲击耐受电压不小于+2500kV、可见电晕电压不小于+1291kV，产品高吨位机械负荷在840kN～1200kN。根据该电气特性要求及产品机械性能，通过计算和设计，确立了±1100kV直流棒形悬式复合绝缘子的单节及双节产品图样及尺寸参数，单节产品图样见图1、尺寸参数见表1，双节产品图样见图2、尺寸参数见表2。

4 芯棒材质和直径选择

芯棒在复合绝缘子中既承受机械负荷，又是产品的内绝缘组成部分，为此特选用高温耐酸型芯棒，玻璃纤维是无碱、耐酸的，采用ECR改性型，通过了96小时67%额定负荷的耐酸试验，芯棒抗拉强度大于1100MPa，我公司根据多年特高压复合绝缘子生产经验及压接式金属端头强度，对芯棒直径进行了计算和选择，具体选用及校核见表3：

由此可见，额定荷载为160kN、240kN选用28mm芯棒，300kN选用30mm芯棒，420kN选用34mm芯棒，550kN选用40mm芯棒，840kN 50mm芯棒，1000kN、1200kN选用60mm芯棒完全能满足产品额定机械强度的要求[9]。

经国内外资料参考，选用环氧玻璃纤维引拔棒是切实可行的，其强度可以长期不受酸的腐蚀影响，而且还可满足15min染色渗透试验和100h的水扩散试验及96小时耐酸试验的要求。

5 金具连接形式及结构设计

5.1 连接结构形式

±1100kV特高压直流线路用复合绝缘子，结构形式分为单节和双节两种，单节产品端部金具的连接型式为环-环，双节产品端部金具两端为环-环，中间连接方式为脚球-帽窝。单节产品环型标记分别为21、25、32、42、42、84、100；双节产品环型标记与单节相同，中间连接方式脚球-帽窝，连接标记分别为20、20、24、28、32、36。

5.2 防腐锌环设计

直流绝缘子的金属附件存在电解腐蚀问题，电解腐蚀是由于在直流电压作用下电流沿绝缘子表面泄露引起的，当直流绝缘子污秽受潮越严重，泄露电流也随表面电导的增大而增大，绝缘子的金属附件电解腐蚀的情况也就越严重。根据实际运行情况观察，电解腐蚀一般发生在正极性情况下，正极导线上的复合绝缘子的电解腐蚀一般发生在脚球端金属附件上。而负极性导线上的复合绝缘子的电解腐蚀一般发生在帽窝端金属附件上。根据上述情况，±1100kV系列直流复合绝缘子不管是脚球金属附件还是帽窝金属附件，均在其金具端部高温胶密封处熔铸了一只锌环，锌环采用半包胶方式，锌的纯度为99.99%，±1000kV/160kN～1200kN锌环的总重量均不小于128g，外露部位的重量超过50g；锌环的厚度为6mm。如图3所示。

5.3 机械强度设计

复合绝缘子金具连接方式有多种多样，其中尤以压接工艺被广泛应用。压接工艺是利用大吨位的压接机将径向挤压力作用在端部金具上，使金具产生一定的塑性变形紧抱在芯棒端部，在金具与芯棒的接触面上产生一定的预压应力，当复合绝缘子承受负荷时，此压应力转变成轴向摩擦力而承载，从而增强端部连接结构的可靠性，该工艺加工简单、强度分散性小、可靠性高，在国内属领先水平。压接式工艺机械强度经过10多年发展有了更大提高，为了保证复合绝缘子长期机械性能满足运行可靠性的要求，金具连接采用压接式结构，金具端部与芯棒连接处设计成球面防放电型，在注射前，对金具胶料充填处表面作打毛、涂胶、预烘处理，确保胶料与金具的粘接牢固，达到整体密封的效果[10]。连接金具采用40Cr材料通过锻造加工工艺制成，消除铸造工艺存在的夹渣、缩松、裂纹等缺陷，使工件既有稳定的硬度，又具有良好的塑性效果，提高金具压延性，使压接稳定性更好，在确定合理的压接参数后，各吨位产品金具与芯棒压接表面积保证达到金具破坏极限下不过压伤棒，具体各规格产品表面积设计及破坏强度值见表4。

6 伞裙材料及结构

6.1 伞裙材料

目前，国际上在高压复合绝缘子上应用的外套材料有乙烯基醋酸（EVA）、环氧（EP）树脂，乙丙橡胶（EPR）、硅橡胶（SIR）以及它们间的一些混合材料（ALLOY）。国内使用的都是硅橡胶，对照国外运行经验，硅橡胶作为复合绝缘子的伞裙护套材料，是其具有较高的抵抗力、优良的耐气候、耐臭氧老化和高水平的绝缘能力等优良电气性能的主要原因，另外，它还可以在-50℃～+80℃下长期工作，其制品憎水性强，且具有恢复性和迁移性的特点。

±1100kV直流复合绝缘子硅橡胶原材料采用进口D4为原料的复合硅橡胶，使硅橡胶制成的伞裙材料具有优异的抗紫线、耐老化性能；采用经过表面处理过有疏水性的白炭黑。提高白炭黑和硅橡胶亲合能力，利于硅橡胶对其的包裹及硫化胶疏水性的提高。氢氧化铝微粒采用进口硅烷偶联剂处理，表面羟基在高温下可引起硅氧键的断裂，使其由亲水性变成憎水性，与硅氧烷分子的相溶性更好，分散性更加均匀，阻燃性最优，同时耐老化、耐紫外线性能也更好[11-12]。该材料制成的复合绝缘子伞裙机电性能均高于IEC标准、国家标准及行业标准要求。

6.2 伞裙结构

为确保复合绝缘子爬电距离的有效，提高对污秽的自洁能力。伞形结构是否合理至关重要。伞裙形状优化设计原则是沿空气的击穿强度约大于复合硅橡胶与空气界面的击穿强度，否则爬电距离易被短接。伞裙形状设计实际上是外绝缘配合，±1100kV直流复合绝缘子伞形采用W型（五伞形组合），提高产品外绝缘的电气性能。伞形结构形式见图4。

通过对W型五伞结构（一大一小一中一小一大伞组合）和U型四伞结构（一大二小伞组合）、V型三伞结构（一大一小组合）、双U型七伞结构（一大二小一中二小一大伞组合）等伞形的复合绝缘子的设计参数以及耐压性能试验结果进行对比，结果表明W型五伞结构的复合绝缘子既符合高压输电的电场理论，又能满足高海拔、覆冰（雪）地区输电工程的实际应用，对比情况见表5。

注：表格中伞形结构图中的L1代表绝缘高度，d1、d2、d3、d4、d5、d6分别代表每段棱端间隙距离，虚线部分代表沿面爬电距离。W型五伞结构、双U型七伞结构、V型三伞结构的沿面放电电压和棱端间隙放电电压均以U型四伞结构的沿面放电电压和棱端间隙放电电压作参考基准。

通过伞裙结构分析，±1100kV特高压交流绝缘子产品投标的复合绝缘子均采用W型五伞结构，具有耐冰闪、耐雨闪、耐雾闪、耐污性好、不易闪络、沿面放电电压高等突出优点。

7 均压环

复合绝缘子的结构与传统的瓷绝缘子串相比有很大的差别，仅上、下两端有金属端头，而且尺寸不大，端头和中间绝缘体一起构成的主电容远小于瓷绝缘子串的主电容。因此，复合绝缘子的电场分布极不均匀，尤其是在高电位一侧会出现强场区。如果最大场强超过了空气的击穿场强，就会发生电晕放电导致能量损失和无线电干扰，甚至导致绝缘子的损坏。为了使复合绝缘子的电位分布均匀，提高绝缘利用率，减缓电晕切割对复合绝缘子的影响，对±1000kV直流复合绝缘子采用圆形金属保护环来改善电场分布及引弧作用。

复合绝缘子均压环采用铝合金制成，复合绝缘子上、下端各装一只均压环，我们在高压端设计了一种大、小均压环结构，低压端采用封闭式结构，分别屏蔽高、低压端的电场，从而更加有效地改善绝缘子的电位分布，有效减少闪络、防止鸟害及冰雪的侵袭[13-15]。

我们对±1100kV直流复合绝缘子加装均压环后在杆塔上的情况进行有限元三维电场分布仿真计算，结果表明：带大、小均压环时，小均压环形成的低场强区，可有效的改善复合绝缘子硅橡胶与金具连接处的电场分布，大均压环形成的低场强区，又使小均压环外侧电场得到了有效的屏蔽，对保护金属附件、芯棒及伞套不被电弧灼伤，防止绝缘子金具端面电晕，硅橡胶护套电蚀具有重要作用，对提高产品运行可靠十分有利。

8 结论

我国能源集中在中西部地区，电能消耗集中在中西部地区，能源分布的不均衡决定了以后我国±1100kV特高压远距离输电的必然趋势。针对以上情况，结合±800kV直流复合绝缘子的设计研发经验，现设计出±1100kV直流棒形悬式复合绝缘子，其结构形式及材料选用均能满足绝缘子技术条件要求，±1100kV直流棒形悬式复合绝缘子的设计与应用，将全面提升电网的资源配置能力和装配制造水平。

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