超高壓輸電線路絕緣子的可靠性評(píng)價(jià)

　　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(jī)復(fù)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(fù)合絕緣子的研制起步較晚，由于近年來國內(nèi)外在此技術(shù)上的進(jìn)展較快，生產(chǎn)和使用量已呈上升態(tài)勢(shì)。

　　1　對(duì)絕緣子可靠性評(píng)價(jià)的五項(xiàng)準(zhǔn)則

　　運(yùn)行的可靠性是決定絕緣子生命力的關(guān)鍵。最好的評(píng)價(jià)應(yīng)是大量絕緣子在輸電線路上長期運(yùn)行的統(tǒng)計(jì)結(jié)果和可靠性試驗(yàn)所反映出來的性能水平。因此，評(píng)價(jià)絕緣子應(yīng)遵循下述準(zhǔn)則：

　　(1)壽命周期

　　產(chǎn)品在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的使用條件下，能夠保持其性能不低于出廠標(biāo)準(zhǔn)的最低使用年限為“壽命周期”。此項(xiàng)指標(biāo)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(jì)性。我國曾先后多次對(duì)運(yùn)行5～30年的玻璃和瓷絕緣子進(jìn)行機(jī)電性能跟蹤對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)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(dá)40年，而瓷絕緣子除全面采用國外先進(jìn)制造技術(shù)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(fù)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(yàn)及運(yùn)行結(jié)果分析來看，其平均壽命周期只有7年［2］。

　　(2)失效率

　　運(yùn)行中年失效絕緣子件數(shù)與運(yùn)行絕緣子總件數(shù)之比稱為年失效率。對(duì)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(duì)于國產(chǎn)瓷絕緣子的失效率，除個(gè)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(gè)數(shù)量級(jí)；對(duì)于復(fù)合絕緣子，由于壽命周期不能預(yù)測(cè)、復(fù)合材料配方和制造工藝還不能完全定型，其失效率很難預(yù)測(cè)。

　　(3)失效檢出率

　　絕緣子失效后能否檢測(cè)出來的檢出率對(duì)線路安全運(yùn)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(dòng)破碎”和“零值自破”［1］�！白云啤辈皇抢匣�，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(cè)就可方便地檢測(cè)出失效的絕緣子，其失效檢出率可達(dá)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(fù)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(fù)合“界面擊穿”。此外，瓷和復(fù)合絕緣子失效的原因是材料的老化，而老化程度是時(shí)間的函數(shù)。老化是隱蔽的，因此給檢測(cè)帶來極大的困難，造成檢出率極低；對(duì)于復(fù)合絕緣子，實(shí)際上根本無法檢測(cè)。

　　(4)事故率

　　年掉線次數(shù)與運(yùn)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(yán)重的事故之一。對(duì)于EHV輸電，若造成大面積、長時(shí)間停電，后果則不堪設(shè)想。

　　國產(chǎn)玻璃絕緣子30年來的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證明:在220～500kV的輸電線路上，從來沒有因?yàn)椴ＡЫ^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(dá)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(gè)數(shù)量級(jí)［3］。由于復(fù)合絕緣子為長棒式，掉線事故一般很少發(fā)生，但導(dǎo)致內(nèi)絕緣擊穿、芯棒斷裂和強(qiáng)度下降的因素始終存在，一旦失效，事故概率會(huì)高于由多個(gè)元件組成的絕緣子串。

　　(5)可靠性試驗(yàn)

　　為對(duì)絕緣子進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)，國內(nèi)外曾對(duì)玻璃絕緣子和瓷絕緣子作過各種方式的加速壽命試驗(yàn)和強(qiáng)制老化試驗(yàn)。如:陡波試驗(yàn)、熱機(jī)試驗(yàn)、耐電弧強(qiáng)度試驗(yàn)、1500萬次低頻(18.5Hz)和200萬次高頻(185～200Hz)振動(dòng)疲勞試驗(yàn)及內(nèi)水壓試驗(yàn)，都從不同角度得出結(jié)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(yàn)［1］。對(duì)于復(fù)合絕緣子，可靠性試驗(yàn)則還是一個(gè)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(chǔ)

　　玻璃和瓷均屬鋁硅酸鹽，瓷是三相(結(jié)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(qiáng)度的重要因素。脆性材料的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，不完全取決于材料力學(xué)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(qiáng)度高得多的原因。此外，玻璃的“熱鋼化”技術(shù)，賦予玻璃表層一個(gè)高達(dá)100～250MPa的永久預(yù)應(yīng)力。這就是“鋼化玻璃”強(qiáng)度鋼鐵化，熱穩(wěn)定性高，較瓷不易老化和壽命長的道理。對(duì)于復(fù)合絕緣子的難點(diǎn)是解決有機(jī)材料在戶外條件下的老化、芯棒的脆斷和蠕變�？梢�，鋼化玻璃既較瓷有高得多的機(jī)械、絕緣強(qiáng)度，又較有機(jī)材料具有優(yōu)良的抗老化性能，為絕緣子的可靠運(yùn)行奠定了良好的基礎(chǔ)。

　　(2)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和耐污性能是關(guān)鍵

　　玻璃絕緣子采用圓柱頭結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，具有尺寸小、重量輕、強(qiáng)度高和電性能優(yōu)良的特點(diǎn)。由于玻璃的線膨脹系數(shù)較瓷大得多，外型尺寸較復(fù)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(huì)象瓷絕緣子和復(fù)合絕緣子那樣容易產(chǎn)生危險(xiǎn)應(yīng)力而導(dǎo)致老化。且復(fù)合絕緣子很難解決復(fù)合界面的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

　　但復(fù)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(hù)費(fèi)用。就此而論，復(fù)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(luò)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(luò)電壓相當(dāng)。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(yīng)力的能力強(qiáng)，因而不易因閃絡(luò)而出現(xiàn)事故。華東電網(wǎng)十年來的污閃實(shí)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(dāng)經(jīng)濟(jì)規(guī)模、且具有工藝先進(jìn)的高自動(dòng)化生產(chǎn)線。因而，整個(gè)西歐和前蘇聯(lián)，玻璃絕緣子的市場(chǎng)占有率高達(dá)90%以上；整個(gè)北美復(fù)合絕緣子使用量為世界之最，占本地絕緣子市場(chǎng)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(shù)引進(jìn)和自己開發(fā)，已具備了上述生產(chǎn)條件。對(duì)于瓷和復(fù)合絕緣子，除個(gè)別合資企業(yè)外，上述制造水平在我國尚未達(dá)到。可見，選用何種產(chǎn)品還取決于產(chǎn)品的制造水平和對(duì)產(chǎn)品性能及使用環(huán)境的全面了解。

　　3　結(jié)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(yàn)，應(yīng)成為綜合評(píng)價(jià)EHV絕緣子可靠性的五項(xiàng)準(zhǔn)則。

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

　　(3) 復(fù)合絕緣子有著較為廣闊的發(fā)展前景，應(yīng)集中力量開發(fā)研制，以求在延緩材料老化和預(yù)測(cè)壽命周期