近海臺風區500 kV防風偏復合絕緣子研制及工程應用

徐福聰,林 銳,田正波,林朝暉,陳 俊,王家昕,翁蘭溪

(1.國網福建省電力有限公司,福州 350003;2.中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司,福州 350003;3.襄陽國網合成絕緣子有限責任公司,湖北 襄陽 441057;4.國網福建省電力有限公司檢修分公司,福州 350013)

0 引言

中國是世界上少數幾個受臺風影響最嚴重的國家之一,從北到南漫長的海岸線和沿海地區都有可能有臺風登陸[1-3]。2015年第13號超強臺風“蘇迪羅”在福建莆田登陸,導致500 kV輸電線路共6條線路(9條次)跳閘,重合成功3條次,重合不成功的6條次。2016年第14號臺風“莫蘭蒂”登陸廈門[4-5],導致500kV線路跳線風偏跳閘11條次。2018年第8號臺風“瑪莉亞”在福建寧德登陸,造成500 kV川崇Ⅰ路147號和川榕Ⅱ路10號、57號、63號發生跳線風偏跳閘。

風災事故調查表明:跳線對塔身風偏跳閘事故是最常見的風災事故之一[6-8]。臺風作為一種非良態的旋轉風,具有虹吸效應和脈動性[9],容易導致跳線串或軟跳線部分上揚。臺風作用下空氣中積累的大量水分會使空氣擊穿電壓降低[10-13],增加了風偏閃絡發生的可能性,絕大多數風偏閃絡是在工作電壓下發生的,一般不能成功重合閘。大量骨干電網均位于沿海臺風區,風偏跳閘事故給輸電線路安全運行帶來嚴重威脅。

目前常用的防止500 kV線路跳線風偏跳閘主要有加裝防風拉線、防風阻攔索、重錘片、采用鼠籠式硬跳等措施[14-17]。相關防治措施雖有一定效果,但均存在一定局限性,防風拉線通過拉線固定在線路金具使導線固定,對線路產生風偏可以起到一定的抑制作用,但由于風偏轉動不靈活,易導致線路金具發生疲勞損壞。加裝重錘方式受鐵塔空間尺寸限制所增加的配重有限,無法從根本上解決跳線串風偏問題。采用防風阻攔索只能作為后備防護的措施,而且阻攔索增加了塔上的元件,無形中增加了運維的工作量。采用鼠籠硬跳投資較大且需對桿塔橫擔進行較大程度改造。

運行經驗表明,臺風多發區的220 kV及以下線路轉角塔由于采用了防風偏絕緣子,跳閘事故大大降低[18-19]。由于沿海臺風地區風速大、500 kV線路跳線串及引流線較長、分裂數多、風荷載大,復合絕緣子及支座承受彎距遠大于220 kV及以下線路,制約了防風偏復合絕緣子在500 kV線路上的應用[20]。

近年來,隨著復合材料技術的發展,使得500 kV線路采用防風偏復合絕緣子成為可能[21-24],為提高沿海500 kV骨干輸電線路運行可靠性,避免跳線風偏跳閘故障,本研究首次提出一種變徑結構的500 kV固定式防風偏復合絕緣子,對絕緣子技術參數、結構型式、材料選擇、加工工藝、工程應用等方面進行系統分析,同時對試品進行了機械及電氣性能試驗,相關產品已成功在近海某500 kV線路工程中應用。

1 防風偏絕緣子結構設計

1.1 絕緣子結構確定

依托工程位于廈門市集美區近海地區,常年受沿海大風及臺風的影響,設計基本風速為37 m/s,跳線采用4×JL3X/LHA1(DFY)-210/220型低風壓高導電率鋁合金絞線,考慮跳線風荷載的高空系數、鐵塔轉角度數及跳線串引流線的張力合力,作用于防風偏絕緣子高壓端的水平合力最大值達近4 kN。

防風偏絕緣子如采用整體等徑的芯棒結構,因其自身需要承受較大的彎矩,要求其整體剛性強、重量重、截面大。由于防風偏絕緣子一端為懸垂端,用于連接導線,因其迎風面積大,從而使其受風力荷載也大,防風偏絕緣子的另一端直接固定在橫擔上,整體剛性且重量大的絕緣子在多次受風力沖擊而扭曲彈性形變后,固定連接處的連接螺栓和橫擔角鋼在大彎距作用下容易發生破壞或失穩。

為保證絕緣子在彎曲負荷下的偏移量能夠滿足安全電氣距離要求,同時減小絕緣子迎風面積及重量,降低風壓對絕緣子變形的影響,考慮采用變徑結構設計,采用兩段不同芯棒直徑組成,以獲得良好的剛性并保證絕緣子具有一定韌性,總體結構見圖1。

圖1 防風偏復合絕緣子整體結構布置

1.2 芯棒材質及直徑選擇

芯棒主要承受拉伸和彎曲機械負荷,同時要求具有良好的絕緣性能和長期穩定性。拉擠成型的環氧玻纖芯棒作為常用的復合絕緣子內絕緣材料,其抗拉強度可以達到1 000 MPa,為普通碳素鋼強度的2.5倍,密度僅為鋼材的1/4左右。由于玻璃纖維沿軸向布置,芯棒具有良好的抗彎性能,其抗彎強度可達900 MPa。

防風偏復合絕緣子的彎曲受力在力學上可簡化成懸臂梁結構(見圖2),假設芯棒在受橫向力P作用而彎曲后,橫截面仍為平面,且垂直于撓曲線。

圖2 防風偏復合絕緣子水平荷載簡化模型

絕緣子端部偏移量Y為

(1)

式中:Y為撓度,mm;L1為上段長度,mm;L2為下段長度,mm;P為作用力,kN;E為彈性模量常數,取45 GPa;I1為上段慣性矩;I2為下段慣性矩。

(2)

(3)

式中,D1、D2分別為上段、下段芯棒直徑,mm。

防風偏絕緣子采用固定的連接方式將整支絕緣子固定在鐵塔上,使其與鐵塔成為一體,可有效限值絕緣子串在大風作用下的擺動范圍,保證帶電體對塔身的電氣間隙滿足要求,決定芯棒直徑D的主要因素是絕緣子在受到橫向負荷作用下的擾度,當芯棒為等徑實心棒時,芯棒直徑D為

(4)

考慮該結構型式為國內首次在500 kV線路上應用,為確保絕緣子自身可靠性且作用于鐵塔掛點支架的彎距不至于過大,經反復模擬計算,取D1為90 mm、L1為3 m、D2為45 mm、L2為1.9 m。P為4 kN時,Y為1 545.3 mm。

采用數值分析軟件對實心復合絕緣子進行仿真,模型見圖3,泊松比取0.3。

圖3 復合材料構件有限元模型

最終沿荷載作用方向的位移云圖見圖4。

圖4 防風偏復合絕緣子水平位移

可見,防風偏復合絕緣子端部最大水平位移為1 492 mm,與理論解析式計算結果相當,滿足電氣間隙要求。

最終沿荷載作用方向的應力云圖見圖5,沿軸向的應變見圖6。

圖5 防風偏復合絕緣子應力云圖

圖6 防風偏復合絕緣子沿軸向應變

可見,復合絕緣子沿荷載作用方向最大應力為840 MPa,低于芯棒的抗彎強度。軸向最大位移為37 mm,拉伸率為0.75%,玻璃纖維的極限延伸率約為4.8%,不會造成芯棒斷裂。

1.3 傘裙護套設計

傘裙護套作為復合絕緣子的外絕緣部分,主要為絕緣子提供防濕閃和污閃性能,并保護芯棒免遭外部大氣的侵襲。高溫硫化硅橡膠具有優良的耐污閃性能、耐漏電起痕和耐電蝕性能、耐臭氧、抗老化、憎水性,采用高溫硫化硅橡膠作為傘裙和護套的原料,其主要性能參數見表1。

表1 高溫硫化硅橡膠主要性能參數

根據文獻[25],500 kV絕緣子護套厚度不小于4.5 mm,90 mm芯棒護套厚度取6 mm、45 mm芯棒護套厚度取5 mm。參考文獻[26]的要求,對傘裙結構進行了優化設計,采用交替式開放型傘形設計,具有良好的自潔性和足夠的濕閃性能,適用于由鹽霧導致積污的沿海地區。傘形設計參數見表2。

表2 傘形主要技術參數

從表中可以看出,傘形設計的各項參數無偏離,傘形設計合適。

1.4 金具附件及連接方式的確定

1.4.1 端部金具結構

由于沿海地區臺風多、風力大,絕緣子經常承受彎曲負荷,針對這種特殊情況,調整端部金具聯接結構,將風偏絕緣子的金具直接用螺栓剛性聯接至鐵塔橫擔,采用圓形法蘭端頭,具有與鐵塔橫擔較大的接觸面,與鐵塔橫擔聯接穩定,見圖7。

圖7 防風偏復合絕緣子端部金具結構

受鐵塔橫擔結構限制,法蘭上螺栓分布直徑最大為φ200 mm,分布數量為4。防風偏絕緣子長度4.9 m,最大彎曲負荷4 kN,安全系數取1.5,選取M24螺栓,強度等級為10.9級。

1.4.2 端部附件連接方式的確定

端部金具作為連接和傳遞機械負荷的主要構件,對絕緣子的安全運行至關重要。壓接工藝是目前金具安裝的首選工藝,它利用金具的塑性變形,在金具與芯棒的接觸面上形成預壓應力,通過預壓應力提供的摩擦力完成承載。壓接過程簡單、安全裕度大、強度分散性小、可靠性高,確定金屬附件連接方式采用壓接式工藝。

1.4.3 轉接金具設計

為保證兩段芯棒可靠連接,新設計轉接金具,見圖8。轉接金具的兩端均設置有沉頭孔,分別與粗芯棒和細芯棒形成間隙配合,兩端沉頭孔的沉頭部分與芯棒外的護套形成間隙配合,護套和轉接金具的交界處使用密封膠密封,保護芯棒不受外界環境的侵蝕。

圖8 防風偏復合絕緣子轉接金具結構型式

1.5 傘裙和護套的成型工藝

為保證傘裙護套和芯棒界面的密封性,采用注射成型工藝制造護套和傘裙[27],注射過程中的高溫高壓可以有效提升硅橡膠與芯棒的粘接性,可以有效保護芯棒免受外界環境的侵蝕。

2 防風偏絕緣子技術要求

為適應臺風區的特殊要求,結合具體線路情況,確定500 kV防風偏復合絕緣子跳線串型式及技術參數分別見圖9、表3。

表3 防風偏復合絕緣子主要技術參數

圖9 防風偏絕緣子跳線串組裝圖(單位:mm)

3 防風偏絕緣子型式試驗

3.1 機械性能試驗

按照設計的芯棒長度和法蘭結構,制造芯棒構件進行試驗,試驗過程見圖10,試驗結果見圖11。

圖10 彎曲負荷試驗布置照片

圖11 水平偏移與彎曲負荷關系曲線

試驗前后測量芯棒端部位置,獲取實際偏移量為1 453 mm,與理論計算及仿真結果相近。試驗完成后進行拉力測試,拉伸至200 kN保持10 s無損壞。

3.2 電氣性能試驗

根據文獻[28-29],在電力工業電氣設備質量檢測中心對防風偏復合絕緣子進行了干雷電沖擊耐受電壓試驗、濕工頻耐受電壓試驗、可見電暈及無線電干擾等相關試驗,試驗結果見表4,所檢測的項目均合格。

4 防風偏絕緣子對掛線角鋼的影響

當風力較大時,由于防風偏絕緣子掛點處與鐵塔掛線角鋼采用固接方式,將對掛線角鋼產生非常大的扭矩,極易造成角鋼承載力破壞或者失穩。建立常規橫擔的有限元模型,考慮掛線角鋼中部承受絕緣子自重及附件垂直荷載Fz=3 kN、風壓產生的水平荷載Fx=4 kN、扭矩M=10 kN·m。

圖12為常規橫擔掛線角鋼布置形式及在絕緣子荷載作用下應力分布?？梢?掛線角鋼大部分區域已經屈服,變形嚴重。

圖12 常規橫擔掛線角鋼布置形式及應力分布

由于防風偏絕緣子對掛線角鋼掛點的作用力過于集中,通過簡單加大掛線角鋼規格尺寸以增強節點連接構造的方式,并不能有效改善掛線角鋼受力。本文提出調整橫擔端部的結構布置,在掛線角鋼上部延伸出兩榀支撐桁架的優化方案。將原有的掛線角鋼設置成雙角鋼AC和DF,中點處各設置兩道豎向交叉腹桿BL、BJ和EO、EM,組成內外兩榀加強的桁架DFOM和ACLJ,并在上弦桿和下弦桿中點處各設置一道水平支撐NQ和EH,上下支撐桿設置兩道豎向交叉腹桿NH和QE,組成QNEH交叉桁架,內外桁架、連接桿件和交叉桁架構成一個空間桁架,用于抵抗風偏荷載。

掛線角鋼優化后結構布置、受力仿真見圖13。

圖13 優化后橫擔掛線角鋼結構布置及應力分布

可見,優化后掛線角鋼應力分布明顯改善,只在絕緣子支座位置出現局部屈服,證明了支撐桁架的有效性。通過增設的支撐桁架將絕緣子風荷載對掛線角鋼產生的扭矩轉化為軸向拉壓,掛線角鋼的抗扭剛度較弱,而支撐桁架可以充分發揮角鋼的軸向抗拉性能,并減小掛線角鋼的計算長度,有效改善掛線角鋼的受力狀況。

5 工程應用

結合近海臺風區某500 kV線路設計條件,對工程中可采用的常規軟跳線串、鼠籠式跳線串及防風偏絕緣子跳線串的風偏角進行計算,不同計算工況下風偏角計算結果見表5。

表5 不同跳線串型式風偏角

可見,在大風工況下,防風偏復合絕緣子的風偏角較普通軟跳線串、鼠籠式跳線串風偏減小47.1°、17.3°,可明顯改善跳線串對塔身的電氣距離,防止跳線串風偏時對塔身放電。該變徑結構的防風偏復合絕緣子實際運行情況見圖14。

圖14 工程投運后照片

6 結論

在深入分析500 kV防風偏絕緣子技術參數、結構型式、材料選擇、連接附件、生產工藝等后,結合理論仿真及試驗驗證,得出如下結論:

1)防風偏絕緣子采用兩段直徑分別為90 mm、45 mm的芯棒組成變徑結構,芯棒材質為拉擠成型的環氧玻纖材料,可獲得良好的剛性并保證絕緣子具有一定韌性。

2)采用交替式開放型傘形設計,具有良好的自潔性和足夠的濕閃性能。采用圓形法蘭端頭具有與鐵塔橫擔較大的接觸面,其與鐵塔橫擔聯接穩定。

3)新設計的階梯構造型式的轉接金具能保證粗芯棒和細芯棒的可靠連接,并提高傘裙護套和芯棒界面的密封性,有效保護芯棒免受外界環境的侵蝕。

4)提出一種掛線角鋼優化布置形式,通過在其上部增設兩榀支撐桁架來分擔附加扭矩,彌補了掛線角鋼抗扭性能差的缺陷,有效避免了掛線角鋼因風偏扭矩過大導致的承載力破壞和失穩問題。

5)通過對防風偏復合絕緣子應力荷載特性理論仿真、機械及電氣性能試驗,證明防風偏絕緣子具有優良的防污閃、防風偏性能,可有效地解決沿海地區臺風造成的跳線風偏閃絡問題。