近海台风区500 kV防风偏复合绝缘子研制及工程应用

徐福聪,林 锐,田正波,林朝晖,陈 俊,王家昕,翁兰溪

(1.国网福建省电力有限公司,福州 350003;2.中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司,福州 350003;3.襄阳国网合成绝缘子有限责任公司,湖北 襄阳 441057;4.国网福建省电力有限公司检修分公司,福州 350013)

0 引言

中国是世界上少数几个受台风影响最严重的国家之一,从北到南漫长的海岸线和沿海地区都有可能有台风登陆[1-3]。2015年第13号超强台风“苏迪罗”在福建莆田登陆,导致500 kV输电线路共6条线路(9条次)跳闸,重合成功3条次,重合不成功的6条次。2016年第14号台风“莫兰蒂”登陆厦门[4-5],导致500kV线路跳线风偏跳闸11条次。2018年第8号台风“玛莉亚”在福建宁德登陆,造成500 kV川崇Ⅰ路147号和川榕Ⅱ路10号、57号、63号发生跳线风偏跳闸。

风灾事故调查表明:跳线对塔身风偏跳闸事故是最常见的风灾事故之一[6-8]。台风作为一种非良态的旋转风,具有虹吸效应和脉动性[9],容易导致跳线串或软跳线部分上扬。台风作用下空气中积累的大量水分会使空气击穿电压降低[10-13],增加了风偏闪络发生的可能性,绝大多数风偏闪络是在工作电压下发生的,一般不能成功重合闸。大量骨干电网均位于沿海台风区,风偏跳闸事故给输电线路安全运行带来严重威胁。

目前常用的防止500 kV线路跳线风偏跳闸主要有加装防风拉线、防风阻拦索、重锤片、采用鼠笼式硬跳等措施[14-17]。相关防治措施虽有一定效果,但均存在一定局限性,防风拉线通过拉线固定在线路金具使导线固定,对线路产生风偏可以起到一定的抑制作用,但由于风偏转动不灵活,易导致线路金具发生疲劳损坏。加装重锤方式受铁塔空间尺寸限制所增加的配重有限,无法从根本上解决跳线串风偏问题。采用防风阻拦索只能作为后备防护的措施,而且阻拦索增加了塔上的元件,无形中增加了运维的工作量。采用鼠笼硬跳投资较大且需对杆塔横担进行较大程度改造。

运行经验表明,台风多发区的220 kV及以下线路转角塔由于采用了防风偏绝缘子,跳闸事故大大降低[18-19]。由于沿海台风地区风速大、500 kV线路跳线串及引流线较长、分裂数多、风荷载大,复合绝缘子及支座承受弯距远大于220 kV及以下线路,制约了防风偏复合绝缘子在500 kV线路上的应用[20]。

近年来,随着复合材料技术的发展,使得500 kV线路采用防风偏复合绝缘子成为可能[21-24],为提高沿海500 kV骨干输电线路运行可靠性,避免跳线风偏跳闸故障,本研究首次提出一种变径结构的500 kV固定式防风偏复合绝缘子,对绝缘子技术参数、结构型式、材料选择、加工工艺、工程应用等方面进行系统分析,同时对试品进行了机械及电气性能试验,相关产品已成功在近海某500 kV线路工程中应用。

1 防风偏绝缘子结构设计

1.1 绝缘子结构确定

依托工程位于厦门市集美区近海地区,常年受沿海大风及台风的影响,设计基本风速为37 m/s,跳线采用4×JL3X/LHA1(DFY)-210/220型低风压高导电率铝合金绞线,考虑跳线风荷载的高空系数、铁塔转角度数及跳线串引流线的张力合力,作用于防风偏绝缘子高压端的水平合力最大值达近4 kN。

防风偏绝缘子如采用整体等径的芯棒结构,因其自身需要承受较大的弯矩,要求其整体刚性强、重量重、截面大。由于防风偏绝缘子一端为悬垂端,用于连接导线,因其迎风面积大,从而使其受风力荷载也大,防风偏绝缘子的另一端直接固定在横担上,整体刚性且重量大的绝缘子在多次受风力冲击而扭曲弹性形变后,固定连接处的连接螺栓和横担角钢在大弯距作用下容易发生破坏或失稳。

为保证绝缘子在弯曲负荷下的偏移量能够满足安全电气距离要求,同时减小绝缘子迎风面积及重量,降低风压对绝缘子变形的影响,考虑采用变径结构设计,采用两段不同芯棒直径组成,以获得良好的刚性并保证绝缘子具有一定韧性,总体结构见图1。

图1 防风偏复合绝缘子整体结构布置

1.2 芯棒材质及直径选择

芯棒主要承受拉伸和弯曲机械负荷,同时要求具有良好的绝缘性能和长期稳定性。拉挤成型的环氧玻纤芯棒作为常用的复合绝缘子内绝缘材料,其抗拉强度可以达到1 000 MPa,为普通碳素钢强度的2.5倍,密度仅为钢材的1/4左右。由于玻璃纤维沿轴向布置,芯棒具有良好的抗弯性能,其抗弯强度可达900 MPa。

防风偏复合绝缘子的弯曲受力在力学上可简化成悬臂梁结构(见图2),假设芯棒在受横向力P作用而弯曲后,横截面仍为平面,且垂直于挠曲线。

图2 防风偏复合绝缘子水平荷载简化模型

绝缘子端部偏移量Y为

(1)

式中:Y为挠度,mm;L1为上段长度,mm;L2为下段长度,mm;P为作用力,kN;E为弹性模量常数,取45 GPa;I1为上段惯性矩;I2为下段惯性矩。

(2)

(3)

式中,D1、D2分别为上段、下段芯棒直径,mm。

防风偏绝缘子采用固定的连接方式将整支绝缘子固定在铁塔上,使其与铁塔成为一体,可有效限值绝缘子串在大风作用下的摆动范围,保证带电体对塔身的电气间隙满足要求,决定芯棒直径D的主要因素是绝缘子在受到横向负荷作用下的扰度,当芯棒为等径实心棒时,芯棒直径D为

(4)

考虑该结构型式为国内首次在500 kV线路上应用,为确保绝缘子自身可靠性且作用于铁塔挂点支架的弯距不至于过大,经反复模拟计算,取D1为90 mm、L1为3 m、D2为45 mm、L2为1.9 m。P为4 kN时,Y为1 545.3 mm。

采用数值分析软件对实心复合绝缘子进行仿真,模型见图3,泊松比取0.3。

图3 复合材料构件有限元模型

最终沿荷载作用方向的位移云图见图4。

图4 防风偏复合绝缘子水平位移

可见,防风偏复合绝缘子端部最大水平位移为1 492 mm,与理论解析式计算结果相当,满足电气间隙要求。

最终沿荷载作用方向的应力云图见图5,沿轴向的应变见图6。

图5 防风偏复合绝缘子应力云图

图6 防风偏复合绝缘子沿轴向应变

可见,复合绝缘子沿荷载作用方向最大应力为840 MPa,低于芯棒的抗弯强度。轴向最大位移为37 mm,拉伸率为0.75%,玻璃纤维的极限延伸率约为4.8%,不会造成芯棒断裂。

1.3 伞裙护套设计

伞裙护套作为复合绝缘子的外绝缘部分,主要为绝缘子提供防湿闪和污闪性能,并保护芯棒免遭外部大气的侵袭。高温硫化硅橡胶具有优良的耐污闪性能、耐漏电起痕和耐电蚀性能、耐臭氧、抗老化、憎水性,采用高温硫化硅橡胶作为伞裙和护套的原料,其主要性能参数见表1。

表1 高温硫化硅橡胶主要性能参数

根据文献[25],500 kV绝缘子护套厚度不小于4.5 mm,90 mm芯棒护套厚度取6 mm、45 mm芯棒护套厚度取5 mm。参考文献[26]的要求,对伞裙结构进行了优化设计,采用交替式开放型伞形设计,具有良好的自洁性和足够的湿闪性能,适用于由盐雾导致积污的沿海地区。伞形设计参数见表2。

表2 伞形主要技术参数

从表中可以看出,伞形设计的各项参数无偏离,伞形设计合适。

1.4 金具附件及连接方式的确定

1.4.1 端部金具结构

由于沿海地区台风多、风力大,绝缘子经常承受弯曲负荷,针对这种特殊情况,调整端部金具联接结构,将风偏绝缘子的金具直接用螺栓刚性联接至铁塔横担,采用圆形法兰端头,具有与铁塔横担较大的接触面,与铁塔横担联接稳定,见图7。

图7 防风偏复合绝缘子端部金具结构

受铁塔横担结构限制,法兰上螺栓分布直径最大为φ200 mm,分布数量为4。防风偏绝缘子长度4.9 m,最大弯曲负荷4 kN,安全系数取1.5,选取M24螺栓,强度等级为10.9级。

1.4.2 端部附件连接方式的确定

端部金具作为连接和传递机械负荷的主要构件,对绝缘子的安全运行至关重要。压接工艺是目前金具安装的首选工艺,它利用金具的塑性变形,在金具与芯棒的接触面上形成预压应力,通过预压应力提供的摩擦力完成承载。压接过程简单、安全裕度大、强度分散性小、可靠性高,确定金属附件连接方式采用压接式工艺。

1.4.3 转接金具设计

为保证两段芯棒可靠连接,新设计转接金具,见图8。转接金具的两端均设置有沉头孔,分别与粗芯棒和细芯棒形成间隙配合,两端沉头孔的沉头部分与芯棒外的护套形成间隙配合,护套和转接金具的交界处使用密封胶密封,保护芯棒不受外界环境的侵蚀。

图8 防风偏复合绝缘子转接金具结构型式

1.5 伞裙和护套的成型工艺

为保证伞裙护套和芯棒界面的密封性,采用注射成型工艺制造护套和伞裙[27],注射过程中的高温高压可以有效提升硅橡胶与芯棒的粘接性,可以有效保护芯棒免受外界环境的侵蚀。

2 防风偏绝缘子技术要求

为适应台风区的特殊要求,结合具体线路情况,确定500 kV防风偏复合绝缘子跳线串型式及技术参数分别见图9、表3。

表3 防风偏复合绝缘子主要技术参数

图9 防风偏绝缘子跳线串组装图(单位:mm)

3 防风偏绝缘子型式试验

3.1 机械性能试验

按照设计的芯棒长度和法兰结构,制造芯棒构件进行试验,试验过程见图10,试验结果见图11。

图10 弯曲负荷试验布置照片

图11 水平偏移与弯曲负荷关系曲线

试验前后测量芯棒端部位置,获取实际偏移量为1 453 mm,与理论计算及仿真结果相近。试验完成后进行拉力测试,拉伸至200 kN保持10 s无损坏。

3.2 电气性能试验

根据文献[28-29],在电力工业电气设备质量检测中心对防风偏复合绝缘子进行了干雷电冲击耐受电压试验、湿工频耐受电压试验、可见电晕及无线电干扰等相关试验,试验结果见表4,所检测的项目均合格。

4 防风偏绝缘子对挂线角钢的影响

当风力较大时,由于防风偏绝缘子挂点处与铁塔挂线角钢采用固接方式,将对挂线角钢产生非常大的扭矩,极易造成角钢承载力破坏或者失稳。建立常规横担的有限元模型,考虑挂线角钢中部承受绝缘子自重及附件垂直荷载Fz=3 kN、风压产生的水平荷载Fx=4 kN、扭矩M=10 kN·m。

图12为常规横担挂线角钢布置形式及在绝缘子荷载作用下应力分布。可见,挂线角钢大部分区域已经屈服,变形严重。

图12 常规横担挂线角钢布置形式及应力分布

由于防风偏绝缘子对挂线角钢挂点的作用力过于集中,通过简单加大挂线角钢规格尺寸以增强节点连接构造的方式,并不能有效改善挂线角钢受力。本文提出调整横担端部的结构布置,在挂线角钢上部延伸出两榀支撑桁架的优化方案。将原有的挂线角钢设置成双角钢AC和DF,中点处各设置两道竖向交叉腹杆BL、BJ和EO、EM,组成内外两榀加强的桁架DFOM和ACLJ,并在上弦杆和下弦杆中点处各设置一道水平支撑NQ和EH,上下支撑杆设置两道竖向交叉腹杆NH和QE,组成QNEH交叉桁架,内外桁架、连接杆件和交叉桁架构成一个空间桁架,用于抵抗风偏荷载。

挂线角钢优化后结构布置、受力仿真见图13。

图13 优化后横担挂线角钢结构布置及应力分布

可见,优化后挂线角钢应力分布明显改善,只在绝缘子支座位置出现局部屈服,证明了支撑桁架的有效性。通过增设的支撑桁架将绝缘子风荷载对挂线角钢产生的扭矩转化为轴向拉压,挂线角钢的抗扭刚度较弱,而支撑桁架可以充分发挥角钢的轴向抗拉性能,并减小挂线角钢的计算长度,有效改善挂线角钢的受力状况。

5 工程应用

结合近海台风区某500 kV线路设计条件,对工程中可采用的常规软跳线串、鼠笼式跳线串及防风偏绝缘子跳线串的风偏角进行计算,不同计算工况下风偏角计算结果见表5。

表5 不同跳线串型式风偏角

可见,在大风工况下,防风偏复合绝缘子的风偏角较普通软跳线串、鼠笼式跳线串风偏减小47.1°、17.3°,可明显改善跳线串对塔身的电气距离,防止跳线串风偏时对塔身放电。该变径结构的防风偏复合绝缘子实际运行情况见图14。

图14 工程投运后照片

6 结论

在深入分析500 kV防风偏绝缘子技术参数、结构型式、材料选择、连接附件、生产工艺等后,结合理论仿真及试验验证,得出如下结论:

1)防风偏绝缘子采用两段直径分别为90 mm、45 mm的芯棒组成变径结构,芯棒材质为拉挤成型的环氧玻纤材料,可获得良好的刚性并保证绝缘子具有一定韧性。

2)采用交替式开放型伞形设计,具有良好的自洁性和足够的湿闪性能。采用圆形法兰端头具有与铁塔横担较大的接触面,其与铁塔横担联接稳定。

3)新设计的阶梯构造型式的转接金具能保证粗芯棒和细芯棒的可靠连接,并提高伞裙护套和芯棒界面的密封性,有效保护芯棒免受外界环境的侵蚀。

4)提出一种挂线角钢优化布置形式,通过在其上部增设两榀支撑桁架来分担附加扭矩,弥补了挂线角钢抗扭性能差的缺陷,有效避免了挂线角钢因风偏扭矩过大导致的承载力破坏和失稳问题。

5)通过对防风偏复合绝缘子应力荷载特性理论仿真、机械及电气性能试验,证明防风偏绝缘子具有优良的防污闪、防风偏性能,可有效地解决沿海地区台风造成的跳线风偏闪络问题。