新疆生产建设兵团第三师电力公司 新疆 图木舒克市 844000
摘要：本工程线路走廊资源十分紧张，通过各种绝缘子特性的分析，根据线路特点，经过计算，推荐常规直线塔、蝶型直线钻越塔、上拔型直线塔和酒杯型边坡塔均采用V型绝缘子串。根据杆塔结构和绝缘子受力特点，选用L型直线转角塔采用L型绝缘子串，大角度悬垂转角塔采用双联悬垂串。
关键词：绝缘子串 L型悬垂串 双联悬垂串 耐张绝缘子 V型绝缘子串
1、绝缘子型式的选择
虽然绝缘子的单项投资只占工程总造价的3%左右，但从绝缘子的重要性中可以看出其型式选择是否合理，对线路的运行工作将产生很大影响。它直接关系到电网的稳定和安全运行。目前我国超高压电力系统中，送电线路经常使用的绝缘子型式主要有以下三种，即：瓷绝缘子、玻璃绝缘子、合成绝缘子。此外，国内已有厂家开始生产棒式绝缘子，但由于该产品重量较重。缺少运行经验及尚未投入批量生产等原因，本此分析不考虑使用该种绝缘子。线路选用何种绝缘子进行绝缘配置，应综合考虑各种型式绝缘子的机电性能并进行经济比较。
1．1、盘型绝缘子
瓷绝缘子距今已有100多年的生产历史，已经形成较完整的系列，在我国的线路中得到普遍使用，有着丰富的生产及运行经验。瓷绝缘子成本低，原料充足，加工生产工艺成熟，具有良好的绝缘性能、耐气候性、耐热性和组装灵活等特点，无疑是一种较好的绝缘介质。它分普通型和耐污型两种。当在污秽地区采用防污型绝缘子时，瓷绝缘子的双伞、三伞型结构与玻璃绝缘子相比具有自洁效果好，易清洗等优点，特别适合干旱、多风沙地区。目前，国内外大量应用的大爬距的耐污型绝缘子伞裙结构多为钟罩伞和双伞两种，两种结构各有其特点。
图1-1 耐污型瓷绝缘子
钟罩伞型：这种绝缘子伞下的棱槽比较深，具有较大的爬电距离。伞下棱深处受潮缓慢，能有效抑制电弧发展。从国内几家试验单位对不同造型悬式绝缘子人工污闪试验结果看，单片爬电距离相同的绝缘子，钟罩伞绝缘子污秽闪络电压最高。但它的伞形结构复杂，积污量远大于双层伞绝缘子，为普通绝缘子的1.5～2倍，且风雨自洁性较差，清扫困难。
双层伞型：它的结构简单，气流通过阻力小，不易积污。风雨自洁性好，清扫方便。但双层伞绝缘子的人工耐污性能不及钟罩绝缘子。
国产瓷绝缘子生产历史已有70余年，总体来说，生产质量和各方面的技术水平在不断提高。
盘形瓷绝缘子属于可击穿型，随着运行时间的延长，其绝缘性能会逐渐降低，即存在绝缘子“老化"现象。运行人员要定期检测零值绝缘子。现今国产绝缘子生产质量和各方面的技术水平在不断提高，平均老化率保证值可达2/10000。瓷绝缘子的造型十分丰富，特别是防污型绝缘子，外开口式的双伞和三伞型较传统的钟罩型，具有自清洗性能好、积污量少、污耐压高的特点，适用于各种地区使用。
1.2、钢化玻璃绝缘子
钢化玻璃绝缘子具有优良的机电性能，其玻璃抗拉强度较瓷质绝缘子要高，钢化玻璃绝缘子耐振动疲劳，耐电弧烧伤和冷热冲击性能也优于瓷绝缘子。此外钢化绝缘子还具有零值自爆的特性，因而无需对其进行绝缘测试，但也有易被外力击碎及自爆落地引发的环保投诉等特点。国内外的运行实践证明，钢化玻璃绝缘子具有长期稳定的机电性能，即具有较长的使用寿命。
图1-2 玻璃绝缘子
钢化玻璃绝缘子的缺点是因制造工艺所限，防污型只能做成钟罩式。若要提高防污性能，就必须增加棱的数量和高度。因此导致棱槽深、易积污、难清扫、自洁性能差。比较适合于灰尘少、雾天多的沿海污秽地区。对于少雨水地区，不容易浸入湿润，其局部干区，可起阻碍泄漏电流和电弧的发展。
总之，采用优质瓷和玻璃绝缘子能控制到很低的老化率(白爆率)，达到满意的运行效果，尺寸相同的型号一般认为具有相同的污耐压特性。
全国高压工作网防污专家工作组就指出：仅就绝缘子的耐污闪性能而言，钟罩型绝缘比较适用于雨水充沛的沿海（线）地区；双伞形绝缘子比较适用于内陆工业污秽、粉尘性污秽的地区（见“2000年度防污专家工作组会议纪要”）。
1.3、合成绝缘子
合成绝缘子是一种新型的防污绝缘子，其伞裙材料目前普遍采用硅橡胶，该种材料具有很强的憎水性, 自洁能力特强,污物很难附着,由于这一特性，湿润时合成绝缘子表面不会形成水膜，而是水株，很难形成导电通路。又由于其合理的伞裙设计能减小甚至避免空气涡流的形成，从而大大减小了污秽物附着的几率。可长时间运行不需清扫,在相同的泄漏比距下，合成绝缘子污闪电压与玻璃或瓷绝缘子相比有较大的提高,即具有良好的抗污闪特性。综合其它因素，通常认为合成绝缘子的污闪电压可比瓷或玻璃绝缘子提高30%。而且体积小,重量轻(约为瓷绝缘子的1/7),尤其适用于山区线路。
图1-3 合成绝缘子
合成绝缘子的最大缺陷是它的机电强度随着运行时间增长而下降，若伞裙老化，其憎水性下降或消失，而在运行中难于监测，并有断串情况发生。在运行中也出现过鸟害、鼠害等问题，另外由于护套材料容易在运输和架线当中受到坚硬物体或利器的损伤。其次, 运行以后的机械强度下降，合成绝缘子由多种材料组成,两端金具与绝缘子芯棒连接,各厂家无统一成熟的技术工艺,据国外资料,曾经发生过金具与绝缘子芯棒脱离导致导线坠地的事故。当发生雷击危害时,一旦电弧建立, 硅橡胶制品在高温下可能发生永久性损坏而无法恢复绝缘强度。但合成绝缘子有优异的耐污性能，爬电距离仅为盘型绝缘子的3/4即可达到相应的耐污秽能力，这样绝缘子串长可控制到与B级污区盘型绝缘子串长相同，从而缩小塔头尺寸，降低工程造价。因此合成绝缘子主要考虑用于D级污秽区，且尽可能使用双串。
图1-4 合成绝缘子憎水性
三种材质绝缘子通过可靠性的评价和试验以及以上技术性能对比，玻璃绝缘子的可靠性优于瓷和合成绝缘子，悬式瓷绝缘子和玻璃绝缘子均具有成熟的运行经验。
上述三种绝缘子在国内外都已用于500kV电压等级。日本、韩国采用瓷质绝缘子，前苏联选用钢化玻璃绝缘子，美国、加拿大则主要采用复合绝缘子，纵观各国选用绝缘子的状况，不难看出都与本国或本地区绝缘子的制造水平密切相关。
根据外伞型、钟罩型绝缘子的流体场计算和试验分析，表明悬式绝缘子的积污特性主要取决于伞形结构。外伞型绝缘子下伞面无棱呈流线形，气流场无滞留、紊流和涡流现象，积污少，风洁性好，污耐受电压高。钟罩型绝缘子下伞面棱槽多，易积污，风洁性差，污耐受电压低。因此，建议在风尘较大，特别是一些风口地带和沙尘暴易发生的地区，选用外伞型绝缘子。
1.4、棒式瓷绝缘子
棒式瓷绝缘子具有不可击穿、机械强度高、可靠性高、使用寿命长、耐污性能好、易于安装和维护工作量小等优点。
棒式瓷绝缘子已在30多个国家和地区有30年以上的运行经验。有记录的年损坏率在百万分之三以下。近年来在华东地区开始试用进口产品、由于其基本属新技术，国内500kV线路上使用较少，故本工程暂不推荐使用该类绝缘子。
根据上述各种绝缘子的特点和导线选型对绝缘子强度的要求，以及沿线的具体污秽特征及污区划分情况，考虑瓷质绝缘子（标准型、外伞型、钟罩型、棒式）、玻璃绝缘子（标准型、钟罩型）以及合成绝缘子各自的积污特性及自洁性能，应采用高质量的绝缘子。在合成绝缘子的使用上，由于其优异的耐污闪能力，可以大大缩短绝缘子串长度，减少杆塔尺寸，降低工程造价。且大吨位合成绝缘子的价格比瓷质或玻璃绝缘子的价格低，经济上是可行的。
根据本工程特点，结合浙江电力公司的运行经验，推荐本工程V串及L串采用FXBW-220/120普通合成绝缘子，双联悬垂串和耐张串采用210kN玻璃绝缘子，跳线串采用FSP-220/100-TQ固定式防风偏合成绝缘子。本工程全线各种绝缘子参数如下表所示。
图1-5 长棒瓷绝缘子
2.0、绝缘子串及金具安全系数
按《110kV～750kV架空输电线路设计规范》（GB 50545-2010）的要求，绝缘子机械强度的设计安全系数不应小于下表所列数值。
（4.1-1）
式中：
G?作用在绝缘子上张力荷载(kg)；
W3?一极线复冰时重力荷载(kg/m)；
LV?垂直档距(m)；
Wj?一串绝缘子串自重(kg)；
Wf?极导线上附加荷重(kg)；
W5?极导线复冰时的风荷载(kg/m)
Lh?水平档距(m)；
TD?一极导线复冰时的张力(kg)
Q?线路转角(度)；
Pj?绝缘子串风压
从上式可知，计算绝缘子串承受的机械荷载，除考虑自重荷载外，尚应考虑风荷载和角度荷载引起的水平分量,同时还应考虑极导线的相关荷载。
悬垂串允许允许垂直档距
根据本工程导线机械荷载计算情况，确定导线悬垂组装型式及其允许的使用垂直档距如表：
据各级别绝缘子允许的相导线垂直档距的计算结果，单联V串、L串、双联悬垂串均需在本工程中采用，原则上根据荷载大小和塔位具体情况进行联数的选择。荷载较小的直线塔悬垂串采用单联。在垂直荷较大或跨越110kV及以上电力线路等重要交叉跨越物时采用顺线路的双串双挂点悬垂串。
4、“I”和“V”串的比较
试验表明：在同等污秽条件下，V型串的污耐压性能稍优于悬垂串，如计入现场的自清洗能力，V串的污闪电压远好于悬垂串。因此，采用V串是有利的。根据中国电科院人工气候室内串长为15片的瓷绝缘子I串、V串人工污秽试验结果(见下图)表明，在不同污秽程度下，V型串耐受电压比I型串耐受电压高14.3%～27.3% (V串的夹角为90°)。
图4-1 I 串与V 串布置时50％耐受电压与ρESDD 的关系
一般而言，Ⅴ型串绝缘子片数会比Ⅰ型串增加一倍，单基直线铁塔Ⅴ型串和I型串在海拔1000m，不考虑金具增加的费用外，只是绝缘子本身的费用将增加一倍，见下表。
在悬垂绝缘子串愈长，风偏后要求的塔头间隙愈大，杆塔呼称高度亦愈大，对杆塔设计及经济指标不利。对于本工程而言，如果采用V型串，虽然横担总长有所增加，但在塔头布置上能将层间距压缩0.3～0.5m，采用V型串和采用I型串铁塔重量基本一致。从表4.3-1可知，但从绝缘子费用上来看，采用V型串和I型串费用相差有限，从线路走廊宽度上讲，采用V型串能够压缩走廊宽度约5～6m，具有可观的社会效益。
5、L型悬垂串
L型悬垂串由V型悬垂串演变而来。V型悬垂串适用于不兼角或兼角度数较小的直线塔，正常运行时其两肢的荷载基本一致，受力处于平衡状态。而当线路兼角时，其两肢的受力不再处于平衡状态，其中一肢受力大，另一肢较小，严重时可能出现一肢受拉而另一肢受压的情况。为解决两串的受力平衡问题，L型悬垂串应运而生。
本工程在线路转角度数小于20°时，采用常规的直线转角塔设计方案，为充分优化绝缘子串受力条件，采用L型绝缘子串。
6、双联悬垂串
悬垂转角塔同时具有直线塔和转角塔的特点，导线绝缘子串与铁塔的连接方式与直线转角塔相似，塔头尺寸由绝缘子串的摇摆角决定，导线和绝缘子串的连接方式可依据导线开断分为悬垂和耐张两种方式，分别采用悬垂线夹和耐张线夹，如图6-1和图6-2所示。
图6-2 采用耐张线夹的绝缘子串连接方式
悬垂转角塔采用悬垂连接方式时，绝缘子串连接顺直，结构简单，受力清晰，安装施工便捷；采用耐张连接方式时，线路前后侧导线均通过液压方式与金具相连，绝缘子串可以承受导线全张力，但绝缘子串结构相对复杂，安装施工的难度较高，造价也比悬垂连接方式高。
综上所述，推荐悬垂转角塔荐采用悬垂连接方式，如图6-2所示。
7、耐张绝缘子串组装方式
7.1 耐张绝缘子串组装方式研究
输电线路采用的耐张绝缘子串组合方式，这是根据导线设计条件、气象条件、施工安装及运行维护等几方面进行技术经济比较来确定。在一般情况下，采用双联耐张绝缘子串的组合方式是比较理想的，它不仅结构简单、运行安全可靠性高，而且施工安装及运行维护都很方便。本工程导线截面为2×630mm2，采用的耐张串组合方式也应从单联、双联两种组合方式中进行优选，推荐选用最佳的耐张串组合方式，这就是本专题研究的目标，同时也对耐张串的横担挂点数量、联塔金具型式及耐张串与双分裂导线的连接方式等问题进行研究讨论。
7.2 设计方案的选择
本线路导线规格推荐选用2×JL4X/G1A-630/45。按此计算各种气象组合条件下的每相导线张力，并按系数1.1推算到铁塔悬挂点处的导线张力值，见下表。
图8-1 双联210kN绝缘子串布置图
7.3 耐张串的基本要求
由多联绝缘子串通过各种金具零件组装而成的耐张串，必须满足以下基本要求：
（1）在正常运行情况下，包括冰、风荷载的作用下，各联绝缘子的张力分配相等，在有差异时亦满足规定的安全系数要求；
（2）在断线或断联的情况下，仍能保持线路的正常运行，且剩余联能承受冲击荷载而不受到损伤；同时剩余各联的张力分配尽可能相等同，或者满足规定的安全系数要求；
（3）由于导线或绝缘子的长度存在误差或出现短暂变化时，引起各联张力分配产生的差异，耐张串有调整或自恢复的可能性；
（4）当导线产生跳跃或舞动等动态情况时，各连接点（含铁塔横担上的连接点应耐磨损和耐疲劳；
（5）便于施工安装及紧线作业；
（6）便于运行维护及检修作业；
多联耐张串要满足上述的前三项的要求，主要是利用联板这种特殊的部件来实现。关于第（4）项要求主要与横担上挂点数量及联塔金具有关。
多联耐张串是否便于施工安装，它与联的数量之间存在何种关系，有必要进行研究。由于双分裂导线目前国内均采用一次牵引和紧线作业，故与几联的关系不明显。分析施工安装工作的内容，从绝缘子的运输，到工地后每片进行擦洗和检测绝缘性能，最后组装成联等项工作，施工安装的工作量均与耐张串的绝缘子总片数有关。又从运行维护工作来分析，对每片绝缘子的清浇和检测，更换不良的绝缘子，以及绝缘子的老化片数等，都说明运行维护工作量也是与耐张串的绝缘子总片数有关，而与绝缘子联的数量多少几乎无关系。因此，对耐张串组合方式的分析比较，主要以绝缘子片的总数量来衡量施工安装及运行维护是否方便。
7.4 耐张串的两端连接方式
7.4.1 单、双挂点比较
目前220kV线路的耐张串多采用单挂点双串，当然也可以采用双挂点双串。从挂线点可靠度的角度考虑，绝缘子串各联分别固定在杆塔上是最为可靠的，且绝缘子串自身结构简单，还能降低串本身的造价，但是势必会造成塔材重量的增加。
结合国内已运行交流220kV线路的设计、运行经验，本工程双联耐张串推荐采用图6-2和独立挂点连接铁塔。
8、结论
（1）本工程线路走廊资源十分紧张，推荐常规直线塔、蝶型直线钻越塔、上拔型直线塔和酒杯型边坡塔均采用V型绝缘子串。根据杆塔结构和绝缘子受力特点，推荐L型直线转角塔采用L型绝缘子串，大角度悬垂转角塔采用双联悬垂串。
（2）推荐耐张串采用2×210kN玻璃绝缘子，采用单挂点双串结构，联间距取400mm。
（3）推荐耐张塔跳线采用固定式防风偏合成绝缘子。
本工程线路经过近几年的运行，未发生绝缘子掉串现象，在大风天气下，没有出现绝缘子与金具脱开案例，线路运行良好。
参考文献
[1]陈焕滨. 输电线路绝缘子优化选择的技术探讨[J]. 《信息记录材料》, 2017, 18(3):50-52.
[2]雍军、高波、沈庆河、胡晓黎.输电线路绝缘子发展与应用《山东电力技术》2016，第4期
作者简介
阮继强 （1973年），男，新疆，工程师，从事电网运行及项目工程技术工作。
论文作者:阮继强
论文发表刊物:《防护工程》2017年第23期
论文发表时间:2018/1/4
标签：绝缘子论文; 导线论文; 荷载论文; 线路论文; 污秽论文; 方式论文; 直线论文; 《防护工程》2017年第23期论文;