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加拿大电力公司高压绝缘的选择和维护问题
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加拿大电力公司高压绝缘的选择和维护问题

January 21, 2016 • Utility Practice & Experience, 最近文章汇总

加拿大的亚伯达省面积约170万平方公里, 人口超过300万。尽管该省的发电未经调节 并出售到电力公司,但其输电和配电系统还 是受到限制。该省输电线路最主要的所有者和运营者为卡 尔加里市的AltaLink,AltaLink与另一家主要 的电力公司拥有21000公里从69kV至500kV 不等的线路,并拥有500多所变电站。 在亚伯达省,一些特殊的因素影响着电气系 统及其主要零部件,如线路绝缘子的建造与 维护。其中最主要的因素就是地形与温差的 变化非常大。本文介绍了目前如何选择最合适的线路绝缘 子及后期维护过程中最主要的影响因素。
亚伯达省的电气系统的运行环境与其他地方一样多样 化。地形从沙漠到平原到丘陵再到山脉,同时还包 含一些“微小地形”。 这种高度多变的地形及其独特的地理位置使该省的温度变 化 最 低 可 达 - 5 0 °C 最 高 可 达 4 0 °C 。此 外 ,剧 烈 的 温 度 变 化 非 常快。这样迅速的变化通常发生在冬天,是由奇努克造成 的。奇努克是一种温暖的西风,可在一小时内使温度升高 23°C(如从-20°C升高至3°C)。 亚 伯 达 省 的 天 气 也 经 常 出 现 飓 风 、龙 卷 风 、雷 暴 、雷 雨 、冰 雹和冻雨。
当提到绝缘子时,气候和地形不是该省电力工业中需要应 对的唯一问题,还包括预期的大幅增加的电量需求。 几年来,亚伯达省已经步入有史以来发展最迅速的阶段。 例如,未来十年,预计该省将会建成大约十亿美元的输电 线以提升现有的输电主网架从而满足所预计的不断增长 的需求。 Screen-Shot-2016-01-20-at-4.54.59-PM 加拿大电力公司高压绝缘的选择和维护问题 加拿大电力公司高压绝缘的选择和维护问题 Screen Shot 2016 01 20 at 4 在这方面,一个分为二阶段的工程已经启动并将在未来 的五年内建设完毕。第一期工程将会增加大约350公里 500kV单回输电线,数条138kV和240kV输电线以及所需的变电站。第二期工程将会继续发展,增加350公里50 0kV 输电线以及相关的低压线路和电站。
这次线路扩展和架设对绝缘子的需求将产生重大的影响, 将会购买大约250000个新的线路绝缘子。选择合适的绝 缘类型被视为成功建设和维护新输电能力的关键。
亚伯达省挑选绝缘子的背景 像世界上其他大部分地区一样,在亚伯达省选择合适的绝 缘子历来是保证电网可靠性的重要因素。大部分由于天气、 气候以及地形所造成的断电均与绝缘有关。 最开始的时候,瓷是亚伯达省电力行业唯一的选择。尽管这 种绝缘子让人非常满意,但也会出现诸如金具较短的质量 问题以及粘合剂膨胀和电气性能降低的问题。虽然制造商 最终改正了这些缺陷,但迄今为止亚伯达省的电网仍有几 千个上述旧式绝缘子,这样就面临着需要对这些绝缘子进 行维护的挑战。 绝缘子选择的可能性直到20世纪70年代早期才得以改进, 玻璃开始被接受作为瓷的替代材料。然而,玻璃绝缘子直到 很多年以后才流行起来并取得了与瓷绝缘子相同的地位。 2 0 世 纪 8 0 年 代 期 间 ,绝 缘 子 选 择 的 可 能 性 再 一 次 拓 宽 ,非 瓷绝缘子(主要为硅橡胶和三元乙丙橡胶)开始用于电网。 在亚伯达省,电力行业最先尝试了两种聚合材料,但发现硅 橡胶更适合当地的需要。
AltaLink 公司使用复合绝缘子设计线路支柱
69kV电线杆火灾修复的例子
Screen-Shot-2016-01-20-at-4.55.11-PM 加拿大电力公司高压绝缘的选择和维护问题 加拿大电力公司高压绝缘的选择和维护问题 Screen Shot 2016 01 20 at 4尽管这些年来不同类型的绝缘子的范围在不断增 长,AltaLink通过经验了解到世界上没有可以通用的最好 的绝缘子,材料的选择最终取决于特定的应用。例如,虽然 整个输电线路中瓷绝缘子仍是使用最多的,但在某些特殊 情况下,例如在严重污秽地区用支柱替换69kV瓷针形绝缘 子时,使用聚合物材料更佳。 另一方面,即使某些特定的应用最好使用聚合材料制成的 绝缘子,但在维护与修理技术方面,他们不一定是最佳选 择。随着用户对电力的需求越来越大,为了维护而断电是用 户无法接受的。由于AltaLink只对瓷和玻璃绝缘子允许带 电作业,所以非瓷绝缘子(NCIs)反而处于次要位置。 绝缘水平 除了挑选最合适的绝缘材料以外,正确的绝缘水平也同样 重要。确定正确的绝缘水平也会出现一些问题,这些问题的 解决有时需要创造性。 例 如 ,最 初 使 用 1 3 8 k V 输 电 线 的 时 候 ,所 有 文 件 指 出 8 个 绝 缘子组成的绝缘子串为合适的绝缘水平。因此,亚伯达省 第一条这样的线路就是使用8个绝缘子进行绝缘。然而在 很短的时间内,荷载与耗损结合使得线路上不得不增加了 另 外 的 导 线( 束 )。该 导 线 束 为 垂 直 安 装 ,这 样 就 减 少 了 绝 缘子的容许风偏。
最简单的解决办法就是将绝缘子的数量减少为6个以适应 绝缘子串的风偏。不幸的是,尽管这样解决了风偏的问题, 但大大增加了电杆和横担发生火灾的次数。解决办法是再 增加另一个绝缘子,这样既解决了火灾问题 ,而且绝缘子 风偏也在可接受的范围内。通过这种方式,AltaLink最终 确定7个绝缘子组成的绝缘子串为138kV线路绝缘水平的 标准。 经过一段时期的反复试验,设计决策明显地发生了改变。 现在,选择绝缘水平更多的是依靠周密的、前瞻性的设计, 而不是在工作时进行创造。但是,即使经过周密的策划也 不是经常可以给出明确的答案。 例如,关于架空线路所需的最佳绝缘子数量,那些影响电 力行业决策的著名组织之间常有不同的选择。即使对于 145kV线路在轻微污秽的条件下,他们所推荐的绝缘子串 长度也会有少于7个绝缘子到多于10 个绝缘子(见表1) 这些意见分歧以及由此产生的不同的绝缘水平主要是由于 在做出最佳决策时有很多因素需要考虑在内,其中包括: • 电压 在过去的几年中,亚伯达省输电系统的电压一直在不 断提升。过去轻负荷输电系统现在承受了很大的压力。
AltaLink 根据经验了解到世界 上没有可以通用的最好的 绝缘子。绝缘子的选择最终 取决于其特定的应用。
表 1. 电力系统的绝缘配合(Hileman) 绝缘子数量、直线串的比较,每片绝缘子的爬电距离 = 305mm
轻度污秽, 0.06mg/cm2
中度污秽, 0.20 mg/cm2
系统最大电压 (kV)
复合绝缘子不恰当储存方法的例子
例如,一些69kV线路已经升压至80kV;183kV线路有时 可以达到165kV;240kV线路经常达到265kV 。
  • 污秽 如今人们对污秽的影响了解得比过去更多了,绝缘水平 现在可以更好地进行测量和分类。尽管大部分人认为亚 伯达省的环境处于原始状态,但是这里仍然存在一些 天然的以及人为的污秽问题。根据IEC60815定义的标 准,该地区的污秽水平可以确定为非常轻度到中度,一 些地区稍有例外。
  • 海拔高度 亚伯达省的输电线路经过的地区海拔高度从500米到 5000米不等。过去海拔高度没有看作为一个重要的问 题,但现在工程师对此有了更多的了解。上述每一个因素,不论它们是单独的还是共同存在的,都足 以需要提高绝缘水平。然而不管何种原因,电压提高或者绝 缘水平提高又会提出其他的要求,其中包括:
    • 更大的安全距离
    • 更大的空气间隙
    • 更大的离地距离
    • 更大的绝缘子容许风偏
    • 像连锁反应一样, 所有这些问题都指向一个结论,即需要对结构进行重新设计。
  维护除了确定最理想的线路绝缘水平和材料之外,亚伯达省 还 从 各 方 面 致 力 于 绝 缘 子 的 维 护 ,其 中 包 括 从 包 装 ,再 到储存,一直到现场监测。1. 包装 瓷绝缘子使用了很长的时间,电力行业的每个人实际上都 对瓷绝缘子的知识有了了解,包括在装运时的包装方法以 及所需的板条箱的类型等,还有重新包装和重新装运的方  
Screen-Shot-2016-01-20-at-4.56.27-PM 加拿大电力公司高压绝缘的选择和维护问题 加拿大电力公司高压绝缘的选择和维护问题 Screen Shot 2016 01 20 at 4操作不当可能导致伞盘变形
用处理过的木材制造可重复利用的高级板条箱
使用高级板条箱储存的安全的绝缘子
  较长的复合绝缘子最好采用悬挂方式以免过于拥挤
法。同时人们对这种绝缘子的现场处理以及怎样区别绝缘 子的好坏也有了更多的了解。 另一方面,在这些方面知识的缺乏对非瓷绝缘子的影响更 大。事实上,引起这些型类绝缘子故障的最主要原因是储 存方法错误和现场处理不当。   非瓷绝缘子的玻璃纤维芯棒既是主要的绝缘部件又是承载 机械荷载的重要部件。因此,芯棒损坏会导致灾难性的电 气与机械故障。由于处理不当导致非瓷绝缘子的聚合物保 护层破损,而且这种破损难以检测,芯棒裸露会导致脆性 断裂。 AltaLink 根据经验了解到原厂包装的质量才是恰当的。相 反,一旦重新包装,就导致绝缘子在运输途中受损,正如中 间卖主收到多家电力公司客户的订单时发生的情况一样。 卖主通常会打开板条箱,将每个客户所需的绝缘子重新包 装,然后再转发给客户。这样包装的非瓷绝缘子通常没有达 到标准,容易导致大量绝缘子损坏。 为了解决这个问题,AltaLink 与卖主进行合作,发明了一种
可再利用的高级板条箱。这种板条箱十分坚硬,箱壁为实 体,从而防止在运输和储存过程中被啮齿动物咬破伞盘和 护套。而且,这种板条箱是用经过处理的木材制作而成,可 以在户外储存很长时间。相反,一般的木屑板在户外很容易 腐烂和翘曲,使用这种包装材料制成的板条箱是不适合的。 高级板条箱设计得很安全,而且可以重复利用。箱盖上配备 了夹子使得箱子易于打开和重新关闭,箱子很容易与卡车 车队的后部贴合。为了将板条箱举起放入或取出卡车,这些 板条箱必须可以使用升降机或吊索进行运输。 这些绝缘子在板条箱内受到保护并不得在板条箱内移动。 使用木制限制器更佳,以免触碰绝缘子护套,木制限制器可 以轻易地拆除。同样地,使用木制凹槽而不是金属螺钉来固 定限制器,从而确保绝缘子不被损坏。 为了防止绝缘子之间发生拥挤现象,木制限制器中设计了 槽口,这样不仅保证了绝缘子的定位还可以确保板条箱不 会装得太满。这一点很重要,因为板条箱装了太多的绝缘子 会使其伞盘变形。 2. 储存 非瓷绝缘子在户内或户外储存均可,只要储存的区域没有 积水和污秽。可将非瓷绝缘子保留在原来的板条箱内或悬 挂在特制的垂直支架上。用于240kV或更高电压的线路绝 缘子由于过长,通常采用悬挂的方式,而且支架的高度足以 使绝缘子自由的悬挂并不至于太过拥挤。 3. 运输至安装地点 非瓷绝缘子通常使用高级板条箱运至安装地点。如果只需 要板条箱中的部分绝缘子,则这些绝缘子在运输过程中必 须采用适当的保护层,例如塑料保护层。
自从 AltaLink 于 20世纪80年代早期 开始使用复合绝缘子 以来,这些绝缘子 从未牵涉到任何与污 污秽相关的事件。

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