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复合绝 缘子的受欢迎程度蔓延得如此迅速, 开 始超越了玻璃和电瓷而成为国内输电 线路的主导绝缘技术
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复合绝缘子: 中国30年的经验 教训(上集)

April 5, 2017 • Insulator / 绝缘子, Utility Practice & Experience, 最近文章汇总

早在1983年, 硅橡胶复合绝 缘子首次在中国电气化铁道 上投入运行, 自此以来, 复合绝缘子经历了长足的发展。例如, 初 期面临的其中一个艰难挑战是克服中 国电力行业的保守主义思想, 这一状 况造成了需要多年的运行经验甚至才 开始考虑应用这一技术。 事实证明, 硅橡胶绝缘子被接纳并在 全国范围得以推广应用的速度和程度远远超出了最初的预测。的确, 复合绝 缘子的受欢迎程度蔓延得如此迅速, 开 始超越了玻璃和电瓷而成为国内输电 线路的主导绝缘技术。与此同时, 中 国也成为了第一个在特高压交流和特 高压直流工程上广泛采用复合线路绝 缘子的国家。
本文由北京清华大学电机系梁曦东教 授和王家福先生撰稿, 回顾了中国复 合绝缘子的发展, 提出了这一发展经 历了不同阶段, 每个阶段各具特性和决 策导向。文中也讨论了增加安装数量, 生产技术的进步和故障原因等因素。
中国电网:1983-2013 任何国家绝缘子技术的发展常常与 本地电力行业的发展密切相关。就 中国而言, 近30年来供电行业经历了 令人瞩目的发展, 尤其是自20世纪和 21世纪交替以来。
length line china中国架空输电线路的长度 复合绝缘子 复合绝缘子: 中国30年的经验 教训(上集) length line china

中国架空输电线路的长度

例如, 2012年底, 装机发电容量 已达1145GW, 年发电已攀升至 4977TWh。这些数据分别是1985年 的15和14倍。预计到2013年底装机 容量和年发电量分别是1230GW和 5300TWh。同样, 中国220kV及以 上架空线路总长2012年底增长到了 约50万公里 – 约为1985年的10倍。 但电网扩建仅是自1983年以来中国 电力行业高速发展的一个缩影。另 一个是电网向更高电压等级攀升的 高速度。例如, 1981年之前, 中国输电 线路的最高运行电压为300kV。相比 之下, 如今仅500kV交流线路已达约 14万公里, 而到了2011年已经有超过 1万公里750kV线路在运行。 高压直流的增长速度也同样令人震 惊, 目前有11条高压直流线路运行在 ±400 kV, ±500 kV和±660 kV电压等 级下。各条不同长度线路的总和超过 10500公里, 联合额定功率30.4 GW。 特高压方面, 2009年1月中国640公 里长1000kV示范工程开始运行。
三个±800kV特高压直流双极工程 最近也投入运行, 总长5370公里, 总 容量18.6 GW, 其中2个目前已经无 重大故障运行3年, 第二条行程656 公里的双回路1000kV架空线路也 正在试运行。 如此大规模的新增电网建设自然需 要大批量绝缘子, 同时对绝缘子的性 能要求也更加严苛。例如, 传统上, 中 国110kV和220kV线路瓷绝缘子的额 定机械强度一直是70kN到120kN。但 目前用于500kV线路的绝大多数绝缘 子的机械强度额定为160kN到210kN, 而特高压交流和特高压直流绝缘子的 机械强度则为300kN到400kN。实际 上, 成功满足上述要求是促进推动复 合绝缘子应用增长的其中一个因素, 尤其是近15年来(参见图3)。
中国挂网运行复合绝缘子的数量 复合绝缘子 复合绝缘子: 中国30年的经验 教训(上集) qty if insulators china

中国挂网运行复合绝缘子的数量

复合绝缘子:机遇和挑战 过去30年中国复合绝缘子的高速发 展历程分为几个阶段, 每个阶段都标 志着独特的机遇---克服严重的问题 或者找到实际的解决方案, 以满足电 网高速扩建的需求。根据国内瓷和 玻璃绝缘子的运行经验, 不可能满 足电网高速增长的所有要求。就这 一点来说, 成功应用复合绝缘子有 助于克服电网建设面临的挑战, 极 大地加速了人们对复合绝缘子的接 受。图4给出了中国复合绝缘子三个 不同的‘机遇时期’。
在中国, 硅橡胶 绝缘子被接纳 并在全国范围得 以推广应用的速 度和程度远远 超出了所有人最 初的想象。
中国历史性的污闪问题创造了独特的机遇, 使硅橡胶绝缘子从科学研究实验室试验阶段迅速 发展到广泛应用于现场中。
A.第一次机遇时期:污闪 中国复合绝缘子的第一个机遇时期出现在80年代末90年代初,可以贴切地表述为‘污秽带来的机遇’。 中国第一条500kV输电线路1981 年投入运行。此后, 多数省当地的 件, 导致大规模中断和停电, 例如,  500kV电网以及华北, 东北, 华中 1989年1月,构成华东电网6条500kV 和华东的主干网开始在接下来的10 中的5条线路在浓雾期间遭遇了污  年间形成了规模。 闪, 记录到12次跳闸。同年12月, 其中的2条500kV线路再次发生污闪, 但很快发生了一系列严重的污闪事 同时, 悬式瓷绝缘子串机械故障导 致500kV斗-渡线导线跌落地面, 致使该条线路停运近一个星期。
1990年2月, 华北持续被浓雾笼罩 达一周多, 瓷绝缘子污闪导致该电 网上全部4条500kV线路停止运行。 由于悬式瓷绝缘子故障导致500kV 房-北线导线跌落, 环绕北京和天津 的京-津-唐电网也发生大面积停电, 恢复供电耗时5天。同样, 污闪造成 500kV大-房I线停运60小时。
中国复合绝缘子机遇和发展阶段与增长中的供电行业背景资料对比图 复合绝缘子 复合绝缘子: 中国30年的经验 教训(上集) compare graph data

中国复合绝缘子机遇和发展阶段与增长中的供电行业背景资料对比图

所有这些问题致使中国能源部强制 从1990年开始至1992年每年召开一 次会议, 议题是找到抗击污秽的解 决方案。遍及中国的污闪事件引起 了政府最高层的重视, 浓雾条件下 污秽绝缘子被列入给中国500kV主 干线安全运行带来忧虑的议题中。 当时应对绝缘子污秽问题的措施多 数是采用传统的方法, 如增加绝缘子 串伞盘数或增加总爬距。也安排更多 停电次数以对污秽绝缘子进行人工 清洗, 以及较小规模对一些线路绝 缘子采用硅脂涂层。但仅这些补救 措施仍然证明收效甚微。 在这一背景下, 发展本国的复合绝 缘子成为了中国第七个五年计划的 目标之一。两所大学 – 清华大学和 武汉水利电力学院 – 被指定为该项 研究的定点, 开发并成功测试了一系 列110kV到500kV硅橡胶绝缘子。投 入大规模生产的这一技术随后被引 荐给国内的绝缘子生产厂家, 包括伞 裙材料的理想配方, 连接端部金具的 最佳技术等。
这一经验证明, 中国历史性的污闪问 题创造了独特的机遇, 使硅橡胶绝缘 子从研究阶段迅速发展到现场广泛 应用阶段。实际上, 在复合绝缘子的 众多优势中, 最初证明对于中国最 具吸引力的正是其污秽环境下优异 的性能。事实上, 复合绝缘子很快 成为本地称之为的‘抗-污绝缘子’, 而备选的聚合物伞裙材料(如三元 乙丙或环氧树脂)被视为不被接受。 以下实例证明了向这一绝缘子技 术的转换获得了巨大成功:1971到 1999年间记录到中国架空线路上污 闪事故超过4000次, 35kV到500kV 交流系统变电站污闪事故超过2000 次。电网上大面积采用硅橡胶绝缘 子之后, 2008年中国国家电网公司 66kV及以上电压线路的电网仅发生 34次污闪, 只有11次导致停电。如今, 在导致中国架空线路跳闸的因素中, 污闪排在最后。
需要提及的是, 尽管硅橡胶绝缘子 的价格是瓷绝缘子的2到3倍, 在价 格上处于劣势, 但中国硅橡胶绝缘子 应用的高速发展却仍然在1990年左 右如期而至。因其性能优异,当地电
力公司仍然愿意支付高价。此外,硅 橡胶的耐污性能优于所有其它有机 材料已经广为人知,极少担忧过早老 化的风险。
伞裙持续硬化的严重程度导致材 料变脆,易破裂或撕裂 复合绝缘子 复合绝缘子: 中国30年的经验 教训(上集) crack examples

图解:典型的芯棒脆断实例, 断面表面光滑平整且径向开裂(左)。绝缘子的硅橡胶材料不断脆化, 致使伞裙更易破裂的实例(右)。

B.第二次机遇时期:高压直流 中国复合绝缘子的第二次机遇时期出 现在新旧世纪交替之时,称之为‘高压 直流带来的机遇’恰如其分。 环绕着巨大的三峡工程设计的 500kV交流和±500kV直流约9千 公里。直流绝缘子的积污问题远比 交流严重得多, 因而污闪的问题通 常更加糟糕(参见32页的文章)。 事实上, 发生在美国太平洋联络线 (PacificIntertie)的污闪报道也为深 入了解中国高压直流线路将产生怎 样的问题提供了富有价值的信息。
例如, 葛洲坝至上海(葛上线) 1200MW±500kV线路行程1045公里, 1990年投入双极运行。尽管在 线路设计阶段细致周密地估计了污 秽严重程度, 但仍然有许多污秽瓷绝 缘子带来了问题。故此, 在随后三峡 至华东和华南的几条±500 kV高压 直流线路中, 尤其将绝缘列为重点 关注, 包括龙-政线, 三-广线和江-城 线。每条线路设计输送功率为3000 MW, 跨越约1千公里。 1998年开始起草电力行业标准DL/T 810-2002“±500kV直流长棒形悬 式复合绝缘子技术规范”, 2002年 正式发行, 2012年修订。这是中国 首个高压直流复合绝缘子技术标准, 证明不仅对高压直流而且对高压交 流硅橡胶绝缘子的质量控制很有帮 助, 也帮助推动了几年之后特高压复 合绝缘子的标准化。 新标准的制定, 加上复合绝缘子用 于高压交流系统的成功经验, 以及 改进了伞裙材料, 新型高强无腐蚀 FRP芯棒和更好的压接型端部金具, 所有这些帮助说服了中国的设计院 和电力公司在高压直流线路中采用 更大数量的硅橡胶绝缘子。 由于直流电场下需要对瓷和玻璃悬 式绝缘子的铁帽钢角进行防腐处理, 其成本相对较高是另一个对硅橡胶 绝缘子有利的因素。事实上, 与高压 交流不同, 中国高压直流硅橡胶绝 缘子的成本只相当于同等瓷绝缘子 串的约三分之一。 但设计院主要担忧的是,如果这些线 路上的硅橡胶绝缘子全部发生过早 老化并需要更换为瓷或者玻璃绝缘 子会出现怎样的情况。硅橡胶绝缘 子耐污性能优异以及长度更短, 因 此杆塔尺寸较小, 这可能证明是巨大 的挑战。与此相关的担忧是,如果大 量硅橡胶绝缘子发生故障,没有足够的订交货期时间订购更换所需要的 大量瓷或玻璃绝缘子。
对这一担忧的回答是,一旦发生这 样的问题, 订购更换用的新硅橡胶 绝缘子相对更快。行业专家们的感 觉是, 由于中国高压直流线路污闪 问题的历史记录, 瓷绝缘子用于高 压直流的时代已经基本结束。 致使硅橡胶绝缘子成为高压直流优 选的另一个因素是,已知这些线路行 程超过1千公里,跨越的运行环境相 差悬殊, 全线的老化机理永远不会 均匀一致。特定区域性环境因素导 致的老化多数是区域性的(如紫外 线辐射或者受到持续受潮环境的冲 击和重度污秽, 此时憎水性可能丧 失,导致表面放电),短期内不会出 现需要任何大面积的更换绝缘子。 三峡高压直流工程以及诸如±500kV 葛-上线, 天-广线, 龙-政线, 三-广线均 采用复合绝缘子为主导绝缘技术, 巨 大的需求使中国在复合绝缘子的应 用中获得了更多的利益。到2004年 夏季, 仅这四条线路安装的硅橡胶 绝缘子数量便达到9750, 超过了当 时所有其它国家采用的高压直流复 合绝缘子数量的总和。
C.第三次机遇时期:特高压 中国硅橡胶绝缘子的第三次机遇时 期出现在2006到2010年之间, 时值 首批特高压交流和特高压直流工程 建设时期。 2005年, 时值中国国家电网公司 (SGCC)和南方电网公司(CSG)计 划建设1000kV特高压交流和±800 kV特高压直流工程, 全球制造商和 电力公司均持怀疑态度, 尤其是关 于对安装在特高压线路上的绝缘 子串提出的要求。这些忧虑多数是 针对污秽, 但也有其它方面, 如机械
性能和电场应力控制。尽管如此, 2006年国家发改委仍然批准了中国 首批1000kV特高压交流和±800kV 特高压直流工程。 基于运行经验以及瓷和玻璃绝缘子 的人工污秽试验结果, 轻度污秽区 1000kV交流系统绝缘子的串长必 须达到约10.5米。中度到重度污秽 区串必须加长到12和15米之间, 或 许甚至更长。±800kV特高压直流 下, 中度到重度污秽区瓷或玻璃绝 缘子串必须在12.7到15.6米。 中国自2004年以来的大量硅橡胶绝 缘子运行经验最终为特高压线路也选 用这类绝缘子提供了基础。这一经验 包括污秽下性能优异, 拉伸强度高, 优 化压接型金具的长期蠕变特性和无硼 FRP芯棒防止应力腐蚀或断裂。特高 压下复合绝缘子占据采购成本优势, 更支持了最终被选用于特高压工程。 在特高压的应用中,起初担忧安装在 中国极具战略重要性线路上的硅橡 胶绝缘子有可能过早老化。例如, 一 些专家发出警告,相对新的绝缘子技 术不应该用于可能挑战其技术局限 性的工程中。 尽管有这些忧虑, 经过反复争论以 及试验后,共计7200支硅橡胶绝缘 子安装在中国第一个1000kV特高 压交流示范工程上。该条线路全长 640公里, 目前已运行了5年多。特高 压直流方面, 最初的三个±800 kV项 目包括云-广线(1417 km/5000 MW), 向-上线(1895 km/6400 MW)和锦-苏 线(2059 km/7200 MW)。这些线路 分别自2010年6月, 2010年7月和2012 年12月至今一直在运行, 三分之二的 绝缘子为硅橡胶绝缘子。 复合绝缘子未来面临的挑战 尽管硅橡胶绝缘子成功地应对了中 国上述每个‘机遇时期’遇到的挑 战, 但仍然是相对较新的技术。据 此, 关于硅橡胶绝缘子故障或者预 料之外损伤的知识体系仍然在不断 增长。这些代表了未来道路上的主 要挑战, 以确保硅橡胶绝缘子将来 继续以及更广泛的应用。
 

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