周曙琛，劉西中，朱勇，方江，范克強(qiáng)，張偉，王中陽(yáng)，周慶慶，邢琳

（1.江蘇神馬電力股份有限公司，江蘇南通 226553；2.青海省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，青海西寧 810008；3.西北電網(wǎng)有限公司，陜西西安 710048；4.陜西省電力公司規(guī)劃評(píng)審中心，陜西西安 710065）

變電站主要設(shè)備分為一次設(shè)備和二次設(shè)備。一次設(shè)備（也稱主設(shè)備）是構(gòu)成電力系統(tǒng)的主體，它是直接生產(chǎn)、輸送和分配電能的設(shè)備，包括變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、電力母線、互感器、電抗器、補(bǔ)償電容器、避雷器、電力電纜等。

絕緣子作為一次設(shè)備的外絕緣，主要有瓷絕緣子和復(fù)合絕緣子2種。其中復(fù)合絕緣子采用非脆性材料，外部傘套材料是硅橡膠，內(nèi)部絕緣管材料是玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂，相比傳統(tǒng)的瓷絕緣子，具有以下優(yōu)越性能：重量輕、運(yùn)輸安裝方便；強(qiáng)度高、不易破碎，抗震性能佳；耐污、濕閃性能優(yōu)異；免清洗，減少運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等。正是這些優(yōu)點(diǎn)，使復(fù)合絕緣子逐漸取代瓷絕緣子，成為電站設(shè)備外絕緣的首選。國(guó)家電網(wǎng)公司在《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》中就明確指出“一次設(shè)備應(yīng)具備高可靠性，其外絕緣宜采用復(fù)合材料，與當(dāng)?shù)丨h(huán)境相適應(yīng)。”所以，復(fù)合絕緣子逐步取代傳統(tǒng)瓷絕緣子應(yīng)用于電站設(shè)備外絕緣，實(shí)現(xiàn)電站外絕緣的全復(fù)合化是電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-3]。

1 電站設(shè)備用傳統(tǒng)瓷絕緣子的弱點(diǎn)

瓷絕緣子是主要由黏土、長(zhǎng)石、石英（或鋁氧原料）等鋁硅酸鹽原料混合配制，經(jīng)過(guò)加工成一定形狀，在較高溫度下焙燒成的無(wú)機(jī)絕緣材料，并在表面覆蓋一層玻璃質(zhì)的平滑薄層釉。作為一次設(shè)備外絕緣的瓷絕緣子有很多難以克服的先天弱點(diǎn)，下面從瓷絕緣子的材料特性、制造工藝、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等方面論述。

1.1 材料特性

瓷絕緣子的材料是由離子鍵或共價(jià)鍵所組成的多晶結(jié)構(gòu),它缺乏能促使材料變形的滑移系統(tǒng)，材料一旦受到外加的負(fù)荷,再加上陶瓷工藝所很難避免在材料表面所構(gòu)成的微缺陷的存在,它們都有可能構(gòu)成應(yīng)力并且在這些應(yīng)力尖端集中。在瓷材料中又沒有其他可以消耗外來(lái)能量的系統(tǒng),只有以新的自由能予以交換，所謂新的自由能就是應(yīng)力尖端的擴(kuò)展所形成新的表面所吸收的能量。這樣的結(jié)果就造成應(yīng)力的快速擴(kuò)展，進(jìn)而造成絕緣子的斷裂或爆炸。這是瓷絕緣子材料最重要的力學(xué)性質(zhì)。

1.2 制造工藝

瓷材料顯微組織復(fù)雜且不均勻，這是由于瓷材料的生產(chǎn)制造過(guò)程所致。瓷絕緣子一般經(jīng)過(guò)原料的粉碎配制、成型和燒結(jié)等過(guò)程，其顯微組織由晶體相、玻璃相和氣相組成，而且各相的相對(duì)量相差很大，分布也不均勻。瓷絕緣子一旦燒制成形，其顯微組織無(wú)法通過(guò)冷熱加工加以改變。如果瓷件在制作過(guò)程中配方不當(dāng)，工藝流程中原料混合不均勻，焙燒火力不足等，則瓷件易形成吸濕性氣孔；而結(jié)構(gòu)不合理或者成型時(shí)失誤、受力不均等,也會(huì)使瓷件內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，在使用過(guò)程中內(nèi)應(yīng)力釋放，引起微裂紋，并在載荷作用下逐漸擴(kuò)大失穩(wěn)導(dǎo)致斷裂。

所以說(shuō)瓷絕緣子的制造工作有很多不可控因素，在各段工序中都可能引進(jìn)缺陷，造成瓷絕緣子易斷裂或爆炸。表1說(shuō)明在瓷絕緣子生產(chǎn)工序中可能引進(jìn)的各類缺陷。

表1 瓷絕緣子生產(chǎn)工序中可能引進(jìn)的各類缺陷Tab.1 The defects in the production process of porcelain insulators

1.3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

瓷絕緣子由瓷件、水泥、鑄鐵法蘭這3種材料黏結(jié)在一起組成，而3種材料的線膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)都是不同的，瓷的膨脹系數(shù)為（3.5~4.0）×10-6/℃，水泥為10×10-6/℃，鑄鐵為12×10-6/℃。由于各部件的膨脹系數(shù)不同，在環(huán)境溫度發(fā)生變化的情況下對(duì)瓷件造成不均勻的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。由于長(zhǎng)期受到過(guò)大的應(yīng)力，會(huì)使瓷材料自然劣化，引起原有性能的逐步降低。

由于法蘭部分采用水泥作為膠合劑，水泥易吸收水分和CO2后體積會(huì)增大，冬季水泥吸收水分后在結(jié)冰體積增大情況下，壓迫瓷件，久而久之促使瓷件的機(jī)械強(qiáng)度下降。

1.4 其他因素

瓷絕緣子在運(yùn)輸、裝配和搬運(yùn)過(guò)程中，如果沒有妥善的保護(hù)措施，在受到外力沖擊等因素下，也易造成不同程度的應(yīng)力損傷。

正是由于上述各種瓷絕緣子本身固有且難以克服的特性，使得瓷絕緣子在使用過(guò)程中有易爆炸傷害、閃絡(luò)跳電、脆斷坍塌、濕閃污閃、覆冰閃絡(luò)等缺點(diǎn)，且瓷絕緣子的制造和使用中會(huì)造成資源和環(huán)境污染嚴(yán)重、運(yùn)輸和安裝不便和維修費(fèi)用巨大等不利因素。

2 電站設(shè)備用復(fù)合絕緣子與瓷絕緣子的比較

復(fù)合絕緣子作為電力行業(yè)外絕緣的新生力量，已逐步大量應(yīng)用于電站設(shè)備。其基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示（以空心復(fù)合絕緣子為例）。相比前節(jié)所述的傳統(tǒng)瓷絕緣子，其突出的優(yōu)點(diǎn)如下。

圖1 復(fù)合絕緣子的結(jié)構(gòu)[2]Fig.1 The structure of the composite insulator[2]

2.1 優(yōu)異的抗破壞性能

復(fù)合絕緣子提供機(jī)械強(qiáng)度的絕緣管是由玻璃纖維增強(qiáng)樹脂（FRP）材料制成，外部傘套材料是高溫硫化硅橡膠（HTV），傘套和內(nèi)部絕緣管均為非脆性材料，在運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行過(guò)程中，不易碰損、爆炸、脆斷。FRP材料阻尼比是瓷的2倍。阻尼比越大，抗震性能就越好，并且具有優(yōu)異的抗彎強(qiáng)度，地震時(shí)動(dòng)力反應(yīng)小，無(wú)需加裝減震裝置。而且，同等抗彎強(qiáng)度的電站用復(fù)合絕緣子的重量?jī)H為瓷的40%，重量上的優(yōu)勢(shì)同樣保證了震動(dòng)時(shí)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。FRP管材內(nèi)壓力許用應(yīng)力是高強(qiáng)瓷的2~3倍，即使在內(nèi)壓力過(guò)大的極端情況下也不發(fā)生爆炸，而僅僅通過(guò)破口或裂縫泄壓，存在對(duì)周圍設(shè)備及人員傷害性小，易于搶修等特點(diǎn)。

而復(fù)合絕緣子由于是由非脆性材料制成，所以具有良好的抗破壞性，圖2是對(duì)復(fù)合絕緣子進(jìn)行的磚擊破壞實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合絕緣子未發(fā)生斷裂及破損，性能優(yōu)越。

圖2 復(fù)合絕緣子的抗磚擊破壞實(shí)驗(yàn)[2]Fig.2 Resistance to destruction test of composite insulators[2]

2.2 優(yōu)異的抗震性能

電站設(shè)備用瓷絕緣子的特點(diǎn)決定了其在地震中的脆弱性，是地震中的易損件。因?yàn)樘沾墒谴嘈圆牧?，抗彎性能很差，加上電站外絕緣設(shè)備的結(jié)構(gòu)形狀特殊，不僅又細(xì)又長(zhǎng)，而且上部質(zhì)量較大，地震時(shí)瓷套管的根部承受很大的彎矩，使瓷套管強(qiáng)度不足而斷裂，尤其是在瓷套與其他材料的連接處；同時(shí)，這類設(shè)備的固有頻率在1~10 Hz范圍內(nèi)，與地震波的卓越頻率相接近，同時(shí)這類設(shè)備阻尼值較小，其主材料瓷柱屬脆性材料，儲(chǔ)能能力較小，因此在地震中極易因類共振影響設(shè)備遭受破壞。

而復(fù)合絕緣子采用的是玻璃纖維增強(qiáng)樹脂（FRP）材料，屬于韌性材料，阻尼比較大（見表2），儲(chǔ)能能力較大，抗彎強(qiáng)度高，且復(fù)合絕緣子重量輕，約為瓷絕緣子的1/3，大幅降低設(shè)備重心，所以電氣設(shè)備在地震中更不易損壞。

表2 復(fù)合絕緣子和瓷絕緣子相關(guān)參數(shù)比較Tab.2 Related parameters comparison between composites insulator and porcelain insulators

在2008年5月12日的汶川大地震中，運(yùn)行在四川的數(shù)百支某復(fù)合產(chǎn)品成功經(jīng)受8級(jí)地震考驗(yàn)，在瓷套出現(xiàn)斷裂事故的情況下完好無(wú)損。圖3為四川某電站地震后現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖3 復(fù)合絕緣子與瓷絕緣子的抗震性能比較Fig.3 The seismic performance of the composite insulator and porcelain insulator

2.3 優(yōu)異的耐污、雨和冰閃性能

圖4 為瓷材料表面親水性和硅橡膠表面憎水性的對(duì)比。在雨水和霧氣等濕潤(rùn)的環(huán)境中，親水性的瓷質(zhì)材料表面會(huì)形成連續(xù)的水膜，再加上可溶性的污穢物質(zhì)溶解于其中，形成電導(dǎo)率較高的污濕層，當(dāng)污穢較重時(shí)易發(fā)生污閃。

圖4 瓷質(zhì)材料表面親水性和硅橡膠表面憎水性對(duì)比Fig.4 Comparisons between the porcelain surface hydrophilicity and the silicone rubber surface hydrophobic

而復(fù)合絕緣子采用高溫硫化硅橡膠作為外絕緣傘套材料，其化學(xué)結(jié)構(gòu)決定了優(yōu)異的表面憎水性；并且硅橡膠具有獨(dú)特的憎水性遷移特性，即使絕緣子表面積污，表面污穢也會(huì)很快獲得憎水性。從而賦予了復(fù)合絕緣子優(yōu)異的耐污、濕閃性能。研究結(jié)果（見圖5）表明：其污閃電壓比相同泄漏距離的瓷絕緣子高出50%以上[4]。

圖5 復(fù)合絕緣子和瓷絕緣子污耐壓對(duì)比[4]Fig.5 Comparison of pollution withstand voltages between the composite insulator and porcelain insulator[4]

正是由于憎水性的不同，復(fù)合絕緣子較瓷絕緣子的覆冰閃絡(luò)要優(yōu)異很多。圖6為2008年南方雪災(zāi)中江西500 kV進(jìn)賢變電站絕緣子覆冰對(duì)比，瓷絕緣子覆冰，冰棱橋接閃絡(luò)，甚至產(chǎn)生爆炸。復(fù)合絕緣子由于材料特有的良好熱容性及憎水性，不會(huì)形成連接的冰棱，避免了閃絡(luò)及爆炸事故。

圖6 復(fù)合絕緣子和瓷絕緣子表面覆冰對(duì)比Fig.6 Comparison of ice covered conditions between the composite insulator and porcelain insulator

2.4 膠裝工藝

瓷絕緣子由于膠裝時(shí)各項(xiàng)材料的膨脹系數(shù)不同而導(dǎo)致的密封性能不佳，經(jīng)常造成事故。例如2010年12月14日05時(shí)24分，在無(wú)任何操作和異常信號(hào)情況下，某電力公司500 kV變電站發(fā)生斷路器A相在運(yùn)行中自行斷落故障。檢查發(fā)現(xiàn)滅弧室法蘭與瓷套結(jié)合部位封裝油漆劣化；法蘭與瓷套結(jié)合處內(nèi)1 cm左右處的瓷件斷面有發(fā)黃痕跡，如圖7所示，判斷是膠狀工藝不良導(dǎo)致水汽滲入，進(jìn)而破壞斷路器外絕緣，致事故發(fā)生。

復(fù)合絕緣子法蘭膠裝部位采用與玻璃鋼同種材質(zhì)的樹脂作為膠黏劑，有效保證了與玻璃鋼的黏結(jié)度，同時(shí)由于材料性質(zhì)相同，無(wú)膨脹系數(shù)差異，因而受外界溫度變化的影響較小。此外，在法蘭與管體結(jié)合面采用有效的密封措施，保證膠裝區(qū)不受外界濕氣等影響。

對(duì)神馬電力復(fù)合絕緣子進(jìn)行密封性能試驗(yàn)，樣品放置在試驗(yàn)箱中，2 h從室溫升溫到100℃，并保持8 h；保溫結(jié)束后的4 h逐漸降溫到-50℃，并保持8 h；保溫結(jié)束后的4 h逐漸升溫到100℃，并保持8 h；一次高溫和一次低溫為一個(gè)循環(huán)，共計(jì)10個(gè)循環(huán)，最后從低溫-50℃恢復(fù)到室溫。測(cè)試密封性能，絕緣子無(wú)損壞且密封性能良好。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如圖8。

圖8 冷熱循環(huán)試驗(yàn)（-50~+100℃）Fig.8 High and low temperature cycle test（-50~+100℃）

在試驗(yàn)完成后測(cè)試密封性能，年泄漏率仍為0.001 4%（國(guó)標(biāo)要求年泄漏率小于0.5%）。此后，進(jìn)行了內(nèi)壓力試驗(yàn)，冷熱循環(huán)后破壞值為5.4 MPa，而未進(jìn)行高低溫循環(huán)試驗(yàn)的同批產(chǎn)品內(nèi)壓力平均破壞值為5.5 MPa，幾乎未有變化。從而得出結(jié)論：劇烈的溫差變化對(duì)某復(fù)合絕緣子膠裝區(qū)域幾乎沒有任何影響。

2.5 清洗和維護(hù)

瓷絕緣子為了防止污閃，須定期噴涂RTV維護(hù)，復(fù)合絕緣子免維護(hù)，所以在電站的全生命周期中瓷絕緣子維護(hù)成本遠(yuǎn)高于復(fù)合絕緣子[3]。復(fù)合絕緣子由于其獨(dú)有的憎水性和憎水性遷移，使其在運(yùn)行過(guò)程中可以無(wú)需清掃維護(hù)。表3是對(duì)瓷絕緣子和復(fù)合絕緣子的清掃與維護(hù)評(píng)估比較。

表3 瓷絕緣子和復(fù)合絕緣子的清掃與維護(hù)評(píng)估比較Tab.3 Comparative evaluation of the cleaning and maintenance between the porcelain insulator and composite insulator

2.6 資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)瓷絕緣子采用不可再生的黏土作為原材料，對(duì)環(huán)境破壞較大。在其制造過(guò)程中采用大量油、氣燒制，且重量大，其生產(chǎn)、運(yùn)輸和安裝全流程能源消耗和碳排放量極高。復(fù)合絕緣子采用蘊(yùn)含量極大的石英礦和金屬硅礦作為原材料，在生產(chǎn)、運(yùn)輸和安裝全流程的能源消耗與碳排放量是瓷產(chǎn)品的1/3，屬于典型的“資源節(jié)約型”和“環(huán)境友好型”產(chǎn)品。

2.7 生產(chǎn)周期優(yōu)勢(shì)

瓷絕緣子的材料特性和加工工藝決定了產(chǎn)品交貨周期長(zhǎng)，甚至于一些工程出現(xiàn)了整體進(jìn)度受制于瓷絕緣子交貨期的現(xiàn)象。復(fù)合絕緣子的材料特性和加工工藝決定了產(chǎn)品易于形成批量、規(guī)?；a(chǎn)，在保證質(zhì)量穩(wěn)定的同時(shí)，極大地縮短了交貨周期。一般來(lái)說(shuō)，某公司復(fù)合絕緣子的交貨周期是瓷絕緣子的50%左右，并且產(chǎn)品采用大型數(shù)控自動(dòng)化設(shè)備，產(chǎn)品一次合格率高，大大提高了產(chǎn)品生產(chǎn)效率和質(zhì)量的穩(wěn)定性、一致性。

瓷質(zhì)材料脆性的致命弱點(diǎn)以及生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)過(guò)程中可控性差，復(fù)合絕緣子無(wú)論在材料性能還是生產(chǎn)過(guò)程的可控性都具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，以神馬公司生產(chǎn)的復(fù)合絕緣子為例主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1）神馬公司的復(fù)合絕緣子主體為高性能環(huán)氧樹脂玻璃鋼筒，由環(huán)氧樹脂膠液浸透玻璃纖維纏繞而成。在成型過(guò)程中，環(huán)氧樹脂膠液經(jīng)過(guò)一系列物理、化學(xué)變化過(guò)程，形成環(huán)氧樹脂基體（環(huán)氧樹脂固化物），并與纖維結(jié)合成一個(gè)整體，從而充分發(fā)揮了原材料的潛在能力，使材料呈現(xiàn)出優(yōu)異的復(fù)合效果。玻璃鋼筒體采用濕法纏繞成型技術(shù)制造，恒溫恒濕的全封閉環(huán)境和四維全自動(dòng)數(shù)控纏繞設(shè)備，全流程可控的工藝有效保證了玻璃鋼筒性能的穩(wěn)定性和可靠性，杜絕了局部弱點(diǎn)出現(xiàn)的可能性，實(shí)現(xiàn)了整體產(chǎn)品優(yōu)異的機(jī)械和電氣性能。

2）傘裙采用整體真空注射成型工藝，通過(guò)對(duì)注射裝備、注射模具和注射工藝進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了特大型高精度全密封注射結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、16點(diǎn)冷流道注射系統(tǒng)及模具流道系統(tǒng)設(shè)計(jì)、特大型復(fù)合絕緣子整體真空注射成型工藝技術(shù)，有效保障了產(chǎn)品內(nèi)外絕緣的可靠黏接。由于產(chǎn)品采用一次真空注射成型工藝，杜絕了硅橡膠內(nèi)部可能出現(xiàn)的缺陷，確保了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定與可靠。

3）法蘭膠裝部位采用與玻璃鋼同種材質(zhì)的樹脂作為膠黏劑有效保證了與玻璃鋼的黏結(jié)度，同時(shí)由于材料性質(zhì)相同，無(wú)膨脹系數(shù)差異，因而受外界溫度變化的影響較小。此外，在法蘭與管體結(jié)合面采用有效的密封措施，保證膠裝區(qū)不受外界濕氣等影響。為了考核絕緣子膠裝區(qū)域耐冷熱循環(huán)及熱老化性能，產(chǎn)品順利通過(guò)了Alstom熱穩(wěn)定試驗(yàn)及熱老化試驗(yàn)，熱穩(wěn)定試驗(yàn)即絕緣子在-50~+100℃的溫度下循環(huán)10次，熱老化試驗(yàn)即絕緣子在+100℃下維持2 000 h，試驗(yàn)后絕緣子仍能保持優(yōu)異的密封性能，且機(jī)械性能（內(nèi)壓力及彎曲）未見明顯下降。2種試驗(yàn)充分考慮了復(fù)合絕緣子膠裝區(qū)域耐受冷熱循環(huán)及長(zhǎng)期高溫的運(yùn)行環(huán)境，有效證明了神馬公司的復(fù)合絕緣子遠(yuǎn)勝于瓷質(zhì)絕緣子的性能。

復(fù)合絕緣子與瓷質(zhì)絕緣子性能對(duì)比如表4。

3 復(fù)合絕緣子在各類電站設(shè)備的應(yīng)用

在電站設(shè)備外絕緣的應(yīng)用上，復(fù)合絕緣子比瓷質(zhì)絕緣子具備更優(yōu)異的運(yùn)行可靠性，能夠?qū)⒃O(shè)備事故率降至最低。某復(fù)合空心絕緣子能夠滿足電站全部設(shè)備外絕緣使用要求，運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)已達(dá)到12 a，掛網(wǎng)運(yùn)行業(yè)績(jī)豐富，在國(guó)家電網(wǎng)及南方電網(wǎng)特高壓交、直流工程中得到廣泛應(yīng)用，無(wú)一例事故，實(shí)踐證明神馬復(fù)合絕緣子性能優(yōu)越，安全可靠。下面就神馬復(fù)合絕緣子在全球各地電站設(shè)備的應(yīng)用舉例。

3.1 變壓器

3.1.1 復(fù)合絕緣子在變壓器中的使用優(yōu)勢(shì)

除了第2節(jié)提到復(fù)合絕緣子相對(duì)于瓷絕緣子有著優(yōu)異的抗破壞性能、優(yōu)異的耐污閃、冰閃等性能。由于變壓器用絕緣子很多是接觸變壓器油的，所以變壓器中的復(fù)合絕緣子還需要考慮其耐油性。

而在耐油性方面，神馬對(duì)管耐油性及硅橡膠耐油性進(jìn)行了大量深入研究。對(duì)于絕緣管耐油性，復(fù)合絕緣子內(nèi)襯選用耐油材料，根據(jù)GB/T 17623-1998絕緣油中溶解氣體組分含量的氣相色譜測(cè)定法進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)論合格；對(duì)于硅橡膠耐油性，硅橡膠材料表面粘變壓器油后對(duì)其性能影響甚微。圖9顯示的是神馬硅橡膠的耐變壓器油實(shí)驗(yàn)，表5顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表4 復(fù)合絕緣子與瓷質(zhì)絕緣子性能對(duì)比Tab.4 Performance comparison between the composite insulator and porcelain insulator

圖9 是神馬硅橡膠的耐變壓器油實(shí)驗(yàn)Fig.9 Transformer oil resistance test of SHENMA silicon rubber

表5 神馬硅橡膠的耐變壓器油實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Transformer oil resistance test results for SHENMA silicon rubber

3.1.2 復(fù)合絕緣子在變壓器上的應(yīng)用舉例

圖10為神馬公司空心復(fù)合絕緣子用于昆明特高壓2 250 kV試驗(yàn)變壓器運(yùn)行情況圖，證明神馬復(fù)合絕緣子完全滿足變壓器外絕緣使用。

圖10 2 250 kV試驗(yàn)變壓器用空心復(fù)合絕緣子昆明特高壓運(yùn)行實(shí)景Fig.10 2 250 k V UHV test transformer with hollow composite insulator running at Kunming

3.2 柱式斷路器

3.2.1 復(fù)合絕緣子在柱式斷路器中的使用優(yōu)勢(shì)

在柱式斷路器上最為重要的要求是在開關(guān)開斷時(shí)滅弧單元承受內(nèi)壓力強(qiáng)，而瓷絕緣子由于是脆性材料，在壓力下其本身的裂紋擴(kuò)大，易發(fā)生斷裂或爆炸。而復(fù)合絕緣子的內(nèi)壓力許用應(yīng)力是高強(qiáng)瓷的2~3倍。即使在內(nèi)壓力過(guò)大的極端情況下不發(fā)生爆炸，而僅僅通過(guò)破口或裂縫泄壓。

斷路器外絕緣的復(fù)合絕緣子和瓷質(zhì)絕緣子在內(nèi)部過(guò)壓對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見圖11，瓷絕緣子過(guò)壓即發(fā)生爆炸、斷裂，碎片四濺；而復(fù)合絕緣子，氣體從相對(duì)薄弱點(diǎn)釋放，不會(huì)爆炸，更無(wú)散射的碎片，整體結(jié)構(gòu)能夠得到保持，對(duì)斷路器無(wú)損傷，對(duì)周圍設(shè)備也無(wú)損害。

圖11 復(fù)合與瓷絕緣子柱式斷路器的過(guò)壓對(duì)比試驗(yàn)[2]Fig.11 Shatter test of live tank circuit breaker[2]

另外耐電弧能力是斷路器非常重要的性能。某公司研發(fā)的復(fù)合絕緣子內(nèi)襯采用可耐腐蝕和耐受極限高溫的新型材料，可以滿足斷路器設(shè)備極限開端的苛刻要求。某某公司252 kV及550 kV 2支空心復(fù)合絕緣子已經(jīng)在某院運(yùn)行1 a多時(shí)間，其中252 kV在一個(gè)月時(shí)間內(nèi)累積電流超過(guò)2 000 kA，550 kV累積電流達(dá)到4 000 kA以上，經(jīng)過(guò)多次觀察，絕緣子內(nèi)壁完好，無(wú)明顯損傷，完全能滿足滅弧室開斷要求。圖12為該絕緣子的內(nèi)壁情況。

圖12 復(fù)合絕緣子耐電弧后內(nèi)壁情況Fig.12 Composite insulator liner after arc resistance test

3.2.2 復(fù)合絕緣子在柱式斷路器上應(yīng)用舉例

圖13為某公司復(fù)合絕緣子應(yīng)用與某550 kV斷路器，相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)表明該復(fù)合絕緣子完全能夠滿足柱式斷路器的使用需要。

圖13 復(fù)合絕緣子應(yīng)用與550 kV斷路器Fig.13 550 kV circuit breaker applied in composite insulator

3.3 避雷器

3.3.1 復(fù)合絕緣子在避雷器中的使用優(yōu)勢(shì)

一般情況下，避雷器設(shè)備與其保護(hù)的設(shè)備并聯(lián)。因此，避雷器用絕緣子除了承受長(zhǎng)期的工頻耐受電壓外還間斷地承受工頻過(guò)電壓、雷電過(guò)電壓和操作過(guò)電壓等暫態(tài)過(guò)電壓的作用。復(fù)合絕緣子承受高電壓方面較瓷絕緣子具有明顯的優(yōu)勢(shì)，復(fù)合絕緣子護(hù)套的傘裙采用模具整體注射成型，在與瓷套有著相同干弧距離的情況下，可以達(dá)到遠(yuǎn)大于四級(jí)污穢的爬距。此外，由于避雷器大多屬于細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，重心較高，根部承受很大的彎矩，如采用瓷套管因強(qiáng)度不足易發(fā)生根部斷裂，而復(fù)合絕緣子在此方面擁有明顯的優(yōu)勢(shì)。

3.3.2 復(fù)合絕緣子在避雷器上的應(yīng)用舉例

圖14為某空心復(fù)合絕緣子應(yīng)用于印度CG1 200 kV避雷器，并通過(guò)了相關(guān)型式試驗(yàn)。

圖14 空心復(fù)合絕緣子應(yīng)用于1 200 k V避雷器Fig.14 Hollow composite insulator applied in 1 200 k V surge arrester

3.4 互感器

3.4.1 復(fù)合絕緣子在互感器中的使用優(yōu)勢(shì)

一般互感器上端有線圈，在風(fēng)力作用及振動(dòng)（比如說(shuō)地震情況）下，會(huì)在下端的絕緣子根部產(chǎn)生較大的抗彎力。在相同的強(qiáng)度要求下，瓷套的厚度及重量要遠(yuǎn)大于復(fù)合護(hù)套。第2節(jié)提到，由于脆性材料的緣故，瓷套管容易斷裂；而復(fù)合絕緣子由非脆性材料制成，抗彎強(qiáng)度遠(yuǎn)大于瓷絕緣子。

3.4.2 復(fù)合絕緣子在互感器上的應(yīng)用舉例

圖15顯示的是神馬復(fù)合絕緣子應(yīng)用于洛大變電站363 kV電流互感器，自投運(yùn)以來(lái)，運(yùn)行情況良好。

圖15 洛大變電站363 kV電流互感器Fig.15 363 kV CT at Luoda Substation

3.5 開關(guān)設(shè)備（GIS、HGIS、罐式斷路器、PASS、COMPASS）

3.5.1 復(fù)合絕緣子在開關(guān)設(shè)備中的使用優(yōu)勢(shì)

開關(guān)設(shè)備用復(fù)合絕緣子承受SF6氣體內(nèi)壓力，第2節(jié)已經(jīng)論述，瓷絕緣子由于是脆性材料，在內(nèi)壓力下其本身的裂紋擴(kuò)大從而導(dǎo)致發(fā)生斷裂或爆炸；而復(fù)合絕緣子由于是由非脆性材料制成，其內(nèi)壓力許用應(yīng)力是高強(qiáng)瓷的2~3倍，即使在內(nèi)壓力過(guò)大的極端情況下也不發(fā)生爆炸，而僅僅通過(guò)破口或裂縫泄壓。

3.5.2 復(fù)合絕緣子在開關(guān)設(shè)備中的應(yīng)用舉例

某開關(guān)設(shè)備用復(fù)合絕緣子已用于湖北荊門站1 100 kV GIS、青海官亭站750 kV GIS、寧夏賀蘭山變電站750 kV罐式斷路器和寧夏黃河變電站750 kV罐式斷路器等。圖16、圖17是部分應(yīng)用示意圖。

圖16 復(fù)合絕緣子用于湖北荊門站1 100 kV GISFig.16 Composite insulator applied in 1 100 kV GISat Jinmen Substation

圖17 750 kV復(fù)合絕緣子應(yīng)用于寧夏黃河變電站罐式斷路器Fig.17 Composite insulator applied in 750 kV DTB at Huanghe Substation

3.6 支柱絕緣子

支柱絕緣子對(duì)很多設(shè)備起支撐作用，在電站中應(yīng)用非常廣泛，可以用在電抗器、母線支柱和隔離開關(guān)上等[5]。

3.6.1 復(fù)合絕緣子在支柱絕緣子中的使用優(yōu)勢(shì)

常見的支柱絕緣子有棒形瓷支柱絕緣子，其缺點(diǎn)是：易碎斷，抗震性差，在直流系統(tǒng)表面易積污的情況下，因其外絕緣耐污穢能力差，運(yùn)行中必須定期清掃，工作量很大，圖18為瓷支柱絕緣子的斷裂情況。

圖18 瓷支柱絕緣子的斷裂情況Fig.18 Porcelain post insulator rupture

復(fù)合支柱絕緣子由于采用的是環(huán)氧樹脂玻璃鋼筒，阻尼比是瓷的2倍，具有優(yōu)異的彎曲作用應(yīng)力和抗彎強(qiáng)度，解決了瓷支柱絕緣子的缺陷，絕緣性能好，抗震性能優(yōu)異，運(yùn)行中無(wú)需定期清掃，維護(hù)工作量小。

3.6.2 支柱復(fù)合絕緣子的應(yīng)用舉例

神馬支柱復(fù)合絕緣子已用于±1 560 kV昆明特高壓基地母線支柱[6]、±660 kV寧東工程寧夏銀川東換流站、山東青島換流站電抗器和母線支柱等。圖19、圖20是部分應(yīng)用示意圖。

圖19 ±800 kV支柱復(fù)合絕緣子配套應(yīng)用在平波電抗器上Fig.19 Composite post insulator applied in±800 kV smoothing reactor

圖20 ±1 560 kV母線支柱Fig.20 ±1 560 k V bus bar

4 結(jié)論

1）近年來(lái)，電站設(shè)備用瓷絕緣子事故頻發(fā)，且呈上升趨勢(shì)。

2）瓷質(zhì)材料固有的脆性和親水性特點(diǎn)，加之瓷絕緣子在生產(chǎn)過(guò)程中環(huán)節(jié)較多，質(zhì)量上的不完全可控性客觀存在，瓷絕緣子膠裝結(jié)構(gòu)的缺陷等因素都是造成瓷絕緣子損壞的主要原因。

3）復(fù)合絕緣子優(yōu)異的防爆及抗震性能，耐污、雨和冰閃性能、材料性質(zhì)均一的膠狀結(jié)構(gòu)，以及完全可控的真空注射一體成型工藝決定了其在電站設(shè)備上應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，可從根本滿足電站一次設(shè)備外絕緣要求。

4）針對(duì)電站設(shè)備用復(fù)合絕緣子，神馬通過(guò)深入研究徹底解決了耐老化問(wèn)題，并在多項(xiàng)老化試驗(yàn)及實(shí)際運(yùn)行中得到性能驗(yàn)證。

總之，面對(duì)目前電站設(shè)備用瓷絕緣子污閃、濕閃，頻頻損壞，不斷危害電網(wǎng)安全運(yùn)行的嚴(yán)峻情況，神馬空心復(fù)合絕緣子的出現(xiàn)必定能夠徹底解決這一行業(yè)難題，復(fù)合絕緣子在電站設(shè)備上的應(yīng)用是電站設(shè)備外絕緣全復(fù)合化發(fā)展的必然趨勢(shì)。

[1] 關(guān)志成.絕緣子及輸變?cè)O(shè)備外絕緣[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[2] 黎斌.SF6高壓電器設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

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[4] 馬斌.±800 kV直流支柱復(fù)合絕緣子制造技術(shù)[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2009，3（4）：49-52.MA Bin.Manufacture technology of±800 kV post composite insulators[J].Southern Power System Technology，2009，3（4）：49-52（in Chinese）.

[5] 汪晶毅.復(fù)合絕緣子在特高壓直流工程中應(yīng)用探討[J].電網(wǎng)與清潔能源，2010，26（12）：8-11.WANG Jing-yi.Discussions on application of composite insulators on UHVDC projects[J].Power System and Clean Energy，2010，26（12）：8-11（in Chinese）.

[6]王永輝.基于動(dòng)態(tài)水滴試驗(yàn)的電力復(fù)合絕緣子憎水性研究[J].電力科學(xué)與工程，2010，26（4）：28-32.WANG Yong-hui.Study on hydrophobicity of composite insulator based on dynamic drop test[J].Electric Power Science and Engineering，2010，26（4）：28-32（in Chinese）.