高压绝缘子在输电过程中的应用.pdf
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1、自动化应用电力设备高压绝缘子在输电过程中的应用李锡伟(兰州倚能电力设计咨询有限公司,甘肃兰州7 30 0 0 0)摘要:本文全面综述了国外文献中有关增强高压绝缘子周围电场因素的报道。首先,讨论了可能导致高压绝缘子周围电场应力增强的因素,如局部场的增强、机械应力和环境影响。这些因素会加速绝缘材料的老化并导致失效。然后,分析了现有的应力控制方法,如电晕环、组合绝缘组件和末端连接器设计。这些方法可以改善高压绝缘子的电气性能和可靠性,延长使用寿命。最后,介绍了一种全新、有前景的技术,即使用场分级方法进行应力控制。场分级材料通过添加无机填料到绝缘材料中提高其机械和电气性能。该技术表现出优于传统绝缘材料的
2、电气性能。关键词:高压输电,应力控制,绝缘子LI Xiwei中图分类号:TM216Application of High-Voltage Insulator on the Stress Control of Electric TransmissionAbstract:This paper presents a comprehensive review of reports in the foreign literature on factors that enhance the electricfield around high-voltage insulators.Firstly,facto
3、rs that may lead to the enhancement of electric field stresses around high-voltage insulators,such as the enhancement of local fields,mechanical stresses and environmental influences,are discussed.These factors can accelerate the deterioration of insulating materials and lead to failure.Existing str
4、ess control methods suchas corona rings,combined insulation assemblies and end connector designs are then analyzed.These methods can improve theelectrical performance and reliability of high-voltage insulators and extend their service life.Finally,a new promisingtechnique for stress control by field
5、-grading methods is presented.Field-graded materials improve their mechanical andelectrical properties by adding inorganic fillers to the insulating material.This technique exhibits electrical properties superiorto those of conventional insulating materials.Key words:high-voltage transmission,stress
6、 control,insulator文献标识码:A(Lanzhou E-Power Electric Design Consulting Co.,Ltd.,Lanzhou,Gansu 730000,China)0引言高压架空绝缘子为电力传输中带电导线与配电杆塔的隔离提供了有效的隔离路径,可通过电力系统将电能传输给消费者,在输电和配电网络中具有至关重要的作用。商业上对高压输配电线路的需求始于18 8 0 年,这是最具成本效益的电能传输远距离技术。为了满足这种需求,电力系统需要更大、更高效的架空绝缘子来承载和支撑高压线路。高压绝缘子的主要功能是分离带电导体与输配电杆塔,并由输配电杆塔为其提供机械支
7、持1玻璃和瓷绝缘子应用在电力系统中已有10 0 多年。这类绝缘子可以有效抵抗因环境因素而引起的自身老化,具有广泛的应用场景。但由于陶瓷材料表面的亲水性,这些绝缘子的抗污染性能较差。2 0 世纪6 0 年代,研究人员又推出了聚合物绝缘子(复合或非陶瓷绝缘子),与玻璃和瓷绝缘子相比,这类绝缘子具有许多优点,例如,更好的疏水性、更低的泄露电流、更高的机械强度和抗破坏性2。但聚合物绝缘子也存在一些弱点,在绝缘子的设计过程中必须充分考虑这些弱点。聚合物绝缘子的使用寿命难以估计,其可靠性也存在一定的不确定性。根据现场数据分析,聚合物材料易受电场应力下的降解影响,可能会导致过早失效。因此,必须测试聚合物介质
8、的性能,并研究架空绝缘子沿电场分布的特性。与传统绝缘子相比,复合绝缘子存在中间硬件,具有电场非线性。复合绝缘子具有一定的应力场分级,非常高的电场应力会导致电磁污染、系统的局部放电和绝缘子的加速老化3。为了解绝缘材料在交流、直流电场影响下的特性,必须考虑电场的基本原理及控制电场强度和分布。电场可以描述为在场附近任何给定点电荷的电力。当施加电场时,作者简介:李锡伟,男,19 8 6 年生,工程师,从事供配电工程设计工作。146|自动化应用电力设备自动化应用电荷的电力会增加。绝缘体(绝缘介质)是电荷不能自由穿果显示,绝缘子本体和护盖的电压会受风速和风向的影过其体内的材料。但由于介质都具有一定的导电率
9、,不存响。文献12 研究了风洞中交流电压下复合绝缘子的击穿在完美的绝缘介质。当在介质上施加高水平的电场时,绝电压,结果显示,随着风速的增加,击穿电压会增大。但由缘体会受热并开始流通导电电流。因此,必须测试绝缘体于风有助于干燥绝缘子上的湿污染物,这也可能降低击穿以确定其耐电压等级(标准绝缘等级)。如果绝缘材料暴露的风险。于超过其临界电场强度的高电应力下,将会发生电晕、电2现有的应力控制方法离或电弧等绝缘故障。这些局部放电活动会导致绝缘材料的过早失效。电场分布还取决于许多参数,包括电压的波形、绝缘体的设计、电极的形状和材料、塔架的配置以及大气条件和污染物等4。本文将确定可能增加高压绝缘子上电场强度
10、的因素,并更详细地讨论现有的应力控制方法和使用先进材料进行应力控制的新技术。1绝缘故障因素高压绝缘子位于输配电电线杆塔的顶部。经过多年的现场使用,绝缘材料的性能会随着时间的推移而降低。对于瓷和玻璃绝缘子,绝缘材料会出现如裂纹、表面老化和结构损坏等缺陷。对于复合绝缘子,暴露在紫外线辐射下会加速聚合物外壳的老化,使绝缘结构变得脆弱并出现裂纹,从而导致局部放电的发生。泄露电流通过绝缘子表面和上方在输配电线和杆塔之间流动。高压架空绝缘子的局部放电可以定义为绝缘子表面或绝缘材料内的局部电应力,局部放电活动的主要特征包括化学反应、光线、声音和热量。因此,局部放电是早期绝缘介质击穿的主要原因之一5。1.1污
11、染的影响污染是影响高压绝缘子使用寿命的主要问题之一。污染层的逐渐增加会严重影响高压绝缘子的电气性能,同时沿绝缘子表面的污染层会扭曲电场分布。此外,泄露电流也可能沿爬电距离流动6。架空绝缘子包括横向、纵向周期性和纵向非周期性3种主要类型的非均匀污染。国外研究团队已经研究了非均匀污染对交流电压下高压绝缘子闪络的影响7,并建立了不同的理论模型。该模型被开发用于研究沿高压绝缘子的污染层行为。例如,文献8 通过记录总电阻进行实验研究,展示了圆盘模型和开放模型之间的差异。1.2大气条件的影响降雨对高压绝缘子的电气性能也有显著影响。对瓷制柱状绝缘子沿爬电路径的电场研究表明,当雨量低于1.6mm/min且电导
12、率小于2 50 s/m时,放电活动和场增强都会略微增加9。降雨可能会导致表面丧失疏水性,从而增加绝缘子表面的泄露电流流动。文献10 的研究结果显示,雨水条件对3种不同位置(水平、垂直和倾斜)的复合绝缘子具有不同影响。文献11利用新提出的电压分布模型,研究了风速和风向对串联绝缘子电压分布,模拟结为了防止绝缘子和防雨罩内部发生局部放电,减少绝缘子表面的局部放电,避免在绝缘子和相关金属部件上出现电晕放电,必须将沿高压绝缘子的电场应力控制在最大水平下。应用于高压绝缘子的现有应力控制方法包括电晕环、组合组件和优化端子设计。2.1电晕环水滴积聚或电场增强的三重接点处可能导致绝缘子表面出现电晕,而电晕可能会
13、加速绝缘子老化,永久失去疏水性,最终导致早期故障。为了减小端子处的电场应力,需要使用一种被称为电晕环(Corona Ring,CR)的金属环。此环具有光滑表面,表面上分布的电场可减小端子附近的电场应力。同时,在设计过程中应考虑CR的参数,如环管的半径、电晕环的半径和环的垂直位置13。文献14通过使用粒子群优化算法和观察动态种群的大小变化,识别高压绝缘子上CR的最佳设计参数。通常,当电压水平超过345kV时,CR会安装在绝缘子两端(高压端和地端);当电压水平在2 30 345kV时,只需要在高端安装1个CR即可;而当电压低于2 30 kV时,则很少使用CR。此外,还可以添加分级环进一步减小电场应
14、力并防止信号干扰和噪音。但到目前为止,还是没有专门的标准用于设计和安装CR。2.2组合绝缘子组件由于非陶瓷绝缘子的结构特点,绝缘子的两端始终存在高电场增强。而高电场增强可能导致三重交界处的局部放电。因此,文献15提出了一种结合非陶瓷绝缘体和玻璃绝缘体的新型优化结构,并在多个电压等级下进行了测试。测试结果表明,在所有情况下,电场强度均有所降低15。目前,尚没有与CR安装有关的特定标准,不正确的安装可能导致电场分布的进一步增强。为了实现更好的电场均匀性,文献16 提出将3种不同控制方法(复合绝缘子、瓷制单元和分级环)组合成新的控制方法,该方法可降低近40%的电场强度。2.3优化端子设计增加电晕环或
15、陶瓷部件机械部件,可能会导致绝缘的总质量增加。但通过端子的独特设计可以避免额外增加的质量,并提供自分级机制。绝缘子设计中必须避免小半径元素、尖锐边缘和针尖。文献17 提出了一种新的柱式绝缘子上的接头设计。该设计是将绝缘材料的上接头用普通的金属接头代替,改善了端子周围的电场分布。2023|16期/147and assessment techniques of high voltage silicone rubber insulatorJ.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,自动化应用电力设备3应用先进材料进行应力控
16、制的方法近年来,许多研究人员使用场强分布材料(Functiona-IlyGradedMaterials,FGM)降低高压绝缘子上的电场增强。根据绝缘材料内部的位移性质,FGM主要分为电阻性和电容性两种类型。与其他几何控制方法不同,FGM的场强分布作用在绝缘材料内部6。19 6 0 年,研究人员就提出了FGM在应力分级方面的应用。但FGM的概念仅在有限的高压应用中使用过,如高压电机和电缆终端。电力公司一直致力于将这些概念应用于其他高压设备,如套管和户外绝缘子18。这项研究有效证明了使用先进材料进行应力控制可以更好地设计设备。3.1电阻分级电阻分级材料具有非线性导电行为,其电导率随着电场的变化而变
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