高压绝缘子在输电过程中的应用.pdf

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,factors 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 stress 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-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 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,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化。为了实现非线性行为,可在基础聚合物(如环氧树脂或硅橡胶)中填充无机填料。当电场强度超过耐受水平时，非线性分级材料具有导电效应，这种效应有助于在绝缘材料内均匀分布电场，并消除场增强效应19 文献2 0 研究了绝缘子结构中芯棒的薄电阻层涂层对缓解绝缘子电场强度的有效性，还全面研究了电阻分级材料的功能,讨论了描述FGM应力分级特性的参数。这些参数包括阈值场、低场电导率和非线性系数。将电阻分级材料直接应用于绝缘子表面可以保证足够的电场强度控制效果,但可能会促进腐蚀和跟踪电阻。此外，非线性导电材料也可能受电气老化的影响2 0 3.2电容分级通过向基质中引人各种填充物，可以获得电容分级材料。填充物增加了介电材料的相对介电常数。这种应力场控制方法也被称为“折射控制”，能在套管或架空绝缘子上重新分布电场2 1。当填气物采用具有不同介电常数值的介电材料时,可以调节电场。文献2 2 研究了BaTiO，和AlO,填充的环氧基质的介电性质。与电阻分级不同,电容分级材料的介电常数不受电气老化的影响。但在材料内部的电场分布方面，电容分级材料的改进效果并不理想4结语本文综述了污染、雨水和风等环境因素对绝缘子沿电场分布的影响，介绍了现有的场强控制方法已取得的一些成果,并讨论了各种现有场增强控制方法的优缺点。其中，场分级(电阻和电容分级)材料在减轻电场应力方面具有一定作用，但由于缺乏对其长期性能的了解，其商业应用仍受限。因此，需要进一步改进这些材料，而结合电阻和电容材料可能是更可行的改进方法。参考文献1JSit K,Pradhan A K,Chatterjee B,et al.Review on characteristics148|自动化应用2022,29(5):1889-1903.2Kurata Y,Takano K,Sakuraba K,et al.Evaluation of EPDMrubber for high voltage insulatorCJ/ln Proceedings of the Procee-dings of 1995 Conference on Electrical Insulation and DielectricPhenomena,1995:471-474.3Amin M,Akbar M,Salman M.Composite insulators and theiraging:An overview J.Science in China Series E:TechnologicalSciences,2007,50(6):697-713.4JRachedi B A,Babouri A,Berrouk F.A study of electromagneticfield generated by high voltage lines using comsol multiphysicsCJ/Proceedings of the 2014 International Conference on ElectricalSciences and Technologies in Maghreb(CISTEM),2014:1-5.5 JShafiq M,Hussain G A,Kutt L,et al.Electromagnetic sensing forpredictive diagnostics of electrical insulation defects in MV powerlinesJ.Measurement,2015,73:480-493.6JEhsani M,Borsi H,Gockenbach E,et al.An investigation of dy-namic mechanical,thermal,and electrical properties of housingmaterials for outdoor polymeric insulators J.European PolymerJournal,2004,40(11):2495-2503.7Boudissa R,Bayadi A,Baersch R.Effect of pollution distributionclass on insulators flashover under AC voltage J.Electric PowerSystems Research,2013,104:176-182.8Gencogli M T,Cebeci M.The pollution flashover on high voltageinsulators J.Electric Power Systems Research,2008,78(11):1914-1921.9Verma A R,Reddy B S.Accelerated aging studies of silicon-rub-ber based polymeric insulators used for HV transmission lines J.Polymer Testing,2017,62:124-131.10Bretuj W,Fleszynski J,Wieczorek K.Test method of compositeinsulators aged in high voltage rain chamberC J/Proceedings ofthe 2010 International Conference on High Voltage Engineeringand Application,2010:341-344.11Zgi E,Nan A,Ay S.The analysis and simulation of voltage dis-tribution over string insulators using Matlab/Simulink J.Elec-tric Power Components and Systems,2008,36(2):109-123.12Gao Jun,Geng Jianghai,Jia Boyan.Research on flashovervoltage of composite insulator with wind tunnel test C/Procee-dings of the 2010 Asia-Pacific Power and Energy EngineeringConference,2010:1-4.13JDoshi T,Gorur R S,Hunt J.Electric field computation of com-posite line insulators up to 1 200 kV ACJ.IEEE Transactionson Dielectrics and Electrical Insulation,2011,18(3):861-867.14Jhamdi B M,Teguar M,Mekhaldi A.Optimal design of coronaring on HV composite insulator using PSO approach with dynamicpopulation size J.IEEE Transactions on Dielectrics and Elec-trical Insulation,2016,23(2):1048-1057.15 JYang Qing,Sima Wenxia,Deng Jiazhuo,et al.New optimizationmethod on electric field distribution of composite insulator C/电力设备自动化应用Proceedings of the 2010 Annual Report Conference on ElectricalConference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena,Insulation and Dielectic Phenomena,2010:1-4.2013:435-538.16 JPeng Zongren,Liu Peng,Yu Peng.Structural optimization of a20 JRivenc J P,Loubiere A,Lebey T.Conformal mapping compari-new-style insulator used in high-voltage transmission linesCson of resistive and capacitive grading materials J.Journal ofProceedings of the 2006 IEEE 8th International Conference onElectrostatics,1998,43(2):127-143.Properties&applications of Dielectric Materials,2006:832-835.21 JAhmad H,Haddad A,Griffiths H,et al.Electrical characterisa-17 Hrastnik J,Pihler J.Designing a new post insulator using 3-Dtion of ZnO microvaristor materials and compounds CJ/2015electric-field analysisJ.IEEE Transactions on Power Delivery,IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phe-2009,24(3):1377-1381.nomena(CEIDP),2015:688-692.18 JPradhan M,Greijer H,Eriksson G,et al.Functional behaviors of22JFrost N E,McGrath P B.Dielectric properties of barium titanateelectric field grading composite materials J.IEEE Transactionsand alumina filled epoxy CJ/Proceedings of the Proceedings ofon Dielectrics and Electrical Insulation,2016,23(2):768-778.1995 Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phe-19 Wang Feifeng,Zhang Feifeng,Gao Mingze,et al.Research onnomena,1995:564-567.the non-linear conductivity characteristics of nano-Sic siliconerubber composites CJ/Proceedings of the 2013 Annual Report（责任编辑：周贵兰）(上接第145页)本厂蒸发的冷却水来源于蒸馏水,pH为7.3左右,进水水质符合要求，但运行中存在化验蒸发冷却水箱水质的情况，多次发现不合格。分析主要原因为空气中的CO,和酸性气体溶解到蒸发冷却水里，导致蒸发冷却水pH很快低于7,空气携带酸性水滴进入燃机本体导致腐蚀。为此，本文采取排污换水来保证运行中的蒸发冷却水合格，并通过多次实验得到水质的最小换水量，当机组满负荷运行时约为1T/H时，保证了设备运行的经济性。西门子专家再次检查问题机组的热通道，腐蚀情况已消失，避免了机组本体的腐蚀。5结语本文设计的蒸发冷却器投运后，燃气轮机的净出力明显增加,单位气耗量明显减少。通常发电功率的增加发生在电力负荷较大的时段，一定程度上缓解了电网的压力。蒸发冷却器在运行中采取措施，避免了热通道腐蚀现象。在大气温度高的地区，燃气轮机应设计蒸发冷却器并投人运行。1焦树建.燃气-蒸汽联合循环M.北京：机械工业出版社，2004.2付功伟，杨建军，商永辉，等.西门子V94.3A燃气一蒸汽联合循环机组介绍J.燃气轮机发电技术，2 0 0 8(3)：30 5-30 9.3黄蕾，姚挺生，沈俪，等.9 FA型燃气-蒸汽联合循环发电机组的国产保护设备配置方案J.电力自动化设备，2 0 0 9,2 9(12)：122-126.参考文献（责任编辑：黄霞）2023|16期/149