用于电力工程的绝缘子

用于电力工程的绝缘子瓦屋山民一、概述(一)绝缘子的定义、作用和组件在电力学科中，绝缘子的定义是安装在不同电位的导体之间或导体与地电位构件之间，能够耐受电压和机械应力作用的器件。绝缘子在电力系统中起着两个基本作用，一是支撑导体，承受机械应力的作用；二是防止电流在不同电位的导体之间流动或回地，耐受电压的作用。绝缘子在电力系统中应用很广，一般属于外绝缘，在大气条件下工作。架空输电线路、发电厂和变电所的母线和各种电气设备的外部带电导体均须用绝缘子支持，并使之与大地（或接地物）或其他有电位差的导体绝缘。在环境和机电负荷条件发生变化引起各种机电应力变化时，绝缘子不应该失效，否则就会影响电力设备的使用和运行寿命。绝缘子一般由绝缘件和金具（金属附件）用胶合剂胶合或机械卡装而成，只有全瓷式瓷横担、蝴蝶式绝缘子、蝴蝶式瓷绝缘子和线轴式瓷绝缘子、拉线绝缘子、鼓形绝缘子、瓷夹板和瓷管等产品为单个的绝缘件，根据需要与螺栓、垫圈等其它材料配套安装。(二)绝缘子的分类方法与类别。1.按照制造绝缘子的绝缘材料可分为瓷绝缘子，钢化玻璃绝缘子，合成绝缘子，半导体绝缘子。2.按照绝缘体内最短击穿距离是否小于外部空气中的闪络距离的一半，分为可击穿型和不可击穿型。3.按结构形式可分为柱式（支柱）绝缘子、悬式绝缘子、蝴蝶式绝缘子、针式绝缘子、横担绝缘子、棒形绝缘子和套管绝缘子等。4.按应用场合可分为线路绝缘子和电站、电器绝缘子。其中用于线路的可击穿型绝缘子有针式、蝶形、盘形悬式，不可击穿型有瓷横担、复合横担和棒形悬式。用于电站、电器的可击穿型绝缘子有针式支柱、空心支柱和套管，不可击穿型有棒形支柱和容器瓷套。5.按照使用电压分为低压（交流1000V及以下，直流1500V及以下）绝缘子和高压（交流1000V以上，直流1500V以上）绝缘子，其中高压绝缘子中又有超高压（交流330kV和500kV，直流500kV）和特高压（交流750kV和1000kV，直流800kV）之分。6.按照使用环境分为户内绝缘子和户外绝缘子。根据上述分类方法，一般将绝缘子分为以下几类：1.高压线路类绝缘子①高压线路刚性绝缘子：包括针式瓷绝缘子、瓷横担绝缘子和蝶式瓷绝缘子等，使用时直接用绝缘子自身的钢脚或螺栓固定在杆塔上。高压线路瓷横担绝缘子按结构形式可分为全瓷式、胶装式、单臂式和V形四种；按安装形式可分为直立式和水平式两种；按标准雷电冲击全波耐受电压可分为165kV、185kV、250kV、265kV四级（原按50％全波冲击闪络电压可分185kV、2l0kV、280kV、380kV、450kV、6l0kV等六级）。瓷横担用于高压架空输配电线路，可代替针式和悬式绝缘子，还可减小电杆和横担长度。高压线路蝶式瓷绝缘子按额定电压分6kV、l0kV两级。用于架空输配电线路终端，耐张及转角杆上作为绝缘和固定导线之用。同时也广泛用作与线路悬式绝缘子相配合，简化金具结构。②高压线路悬式绝缘子：包括盘形悬式瓷绝缘子、盘形悬式玻璃绝缘子、瓷拉棒和地线绝缘子等。高压线路盘形悬式瓷绝缘子分普通型和耐污型两种。用于高压和超高压输电线路，供悬挂或张紧导线，并使其与杆塔绝缘。悬式绝缘子机电强度高，通过不同的串组就能适用于各种电压等级，适用各种强度需要，使用最为广泛。普通型适用于一般工业区。耐污型与普通型绝缘子相比，具有较大的爬电距离和便于风雨清洗的造型，适用于沿海、冶金粉末、化工污秽以及较严重工业污秽地区。耐污型绝缘子在上述地区使用时，可以缩小杆塔尺寸，具有较大的经济价值。高压线路盘形悬式玻璃绝缘子与高压线路盘形悬式瓷绝缘子用途基本相同。玻璃绝缘子具有机械强度高、耐机械冲击、冷热性能好、寿命长、电气性能和耐雷击性优良等特点，并且在运行损坏时，其伞盘自动破碎，容易发现，大大减少了绝缘探测工作量。高压线路瓷拉棒绝缘子，用于l0kV及以下小截面导线的架空电力线路的终端杆、耐张杆及转角杆上，作绝缘和固定导线用。可以代替部分蝶式瓷绝缘子和盘形悬式瓷绝缘子使用。③电气化铁路接触网用棒式瓷绝缘子。2、低压线路类绝缘子①低压线路针式、蝶式、线轴式瓷绝缘子：低压线路针式瓷绝缘子使用在1kV以下架空电力线路中作绝缘和固定导线用。低压线路蝶式瓷绝缘子和线轴式瓷绝缘子供配电线路终端、耐张及转角杆上作为绝缘和固定导线用。②架空线路拉紧瓷绝缘子：用于交、直流架空配电线路和通信线路终端、转角或大跨距电杆的平衡电杆所受拉力的拉线的上、下把间，使下部拉线与上部拉线绝缘。③电车线路用绝缘子：用作电车线路绝缘和张紧导线或用于电车和电站上作导电部分的绝缘和支撑物。④通信线路针式瓷绝缘子：用于架空通信线路中绝缘和固定导线。⑤布线用绝缘子：包括鼓形绝缘子、瓷夹板和瓷管等，用于低压布线。3、高压电站类绝缘子①电站用高压户内支柱绝缘子：用于工频额定电压6~35kV户内电站、变电所的电器设备母线和配电装置上。作为高压导电部分的绝缘支持物。它一般安装在海拔高度不超过1000m，环境温度为-40~40℃，并应在不受污秽和凝露的条件下使用，特殊设计的高原型可用于海拔3000m及5000m地区。②户外针式支柱绝缘子：适用于交流额定电压为3~220kV，安装地点周围环境温度为-40～+40℃及海拔高度不超过1000m的电器的绝缘部分或配电装置上，作绝缘和固定导体用。③户外棒式支柱绝缘子：用于高压电器和高压配电装置，起绝缘和固定导体作用。已大量代替户外针式支柱绝缘子的使用。④防污型户外棒式支柱绝缘子：适用于覆盐密度在0.1mg/cm²以内的中等污区，作为高压电器和配电装置的绝缘和固定用。⑤高压穿墙套管：包括户内穿墙套管、户外穿墙套管、母线穿墙套管和油纸电容式穿墙套管等。⑥电器瓷套：包括变压器瓷套、开关瓷套、互感器瓷套等。变压器瓷套包括电力变压器和试验变压器用套管瓷套及支柱瓷套两大类。开关瓷套包括多油断路器瓷套、少油断路器瓷套、负荷开关瓷套、防爆开关瓷套、隔离开关瓷套、空气断路器瓷套等。主要用作开关的高压引线对地的绝缘及作断路器绝缘和内绝缘的容器。互感器瓷套用作电流互感器和电压互感器的绝缘元件。(三)绝缘子的性能。1、电气性能。因浮尘等污秽在绝缘子表面附着形成电的通路，被绝缘子两端电压击穿的现象称为爬电。沿绝缘表面放电的距离即爬电距离，简称爬距。爬电比距是单位电压的爬电距离，即爬电比距=爬电距离/系统最高电压，以cm/kV为单位。沿着绝缘表面发生的破坏性放电称为闪络，闪络特性是绝缘子的主要电气性能。对于不同电压等级，绝缘子的耐受电压要求各不相同，其指标有工频干、湿耐压、雷电冲击耐压、雷电冲击截波耐压、操作冲击耐压等。为避免在运行中击穿，绝缘子的击穿电压要高于闪络电压。在出厂试验中，可击穿型的瓷绝缘子一般经过火花试验，即加高压使绝缘表面发生频繁的火花，维持一定时间，看是否被击穿。某些绝缘子还需经过电晕试验，无线电干扰试验，局部放电试验和介质损耗试验等。高海拔地区绝缘子，因空气密度下降而使电气强度下降，因此，其耐受电压换算到标准大气条件时应相应提高。污秽绝缘子受潮时的闪络电压大大低于其干、湿闪络电压，因此，污秽地区须加强绝缘或采用耐污型绝缘子，其爬电比距应较正常型高。直流绝缘子与交流绝缘子比较，其电场分布较差，又有吸附污粒和电解作用，闪络电压较低，一般要求有特殊的结构设计和更大的爬电距离。绝缘子的污闪。在工业区、山区和交通要道等附近运行的绝缘子，常受到工业污染或自然界灰尘、鸟粪等污染。在干燥情况下，这些附着在绝缘子表面的污染物电阻一般都很大，对运行暂时没有造成什么危险。但当空气湿度较大时，绝缘子表面的污染物被湿润，其表面导电率剧增，使绝缘子在工频和操作冲击电压下的闪络电压显著降低，甚至可以使绝缘子在工频电压下就发生闪络。在毛毛雨、大雾等不利的天气条件下，绝缘子表面闪络时发出“吱吱”声，在晚上巡查时，可以看到明显的闪光。这类闪络称为污闪。绝缘子表面污闪的形成。在潮湿污秽的绝缘子表面，在电压作用下，流经绝缘子表面污秽层的泄漏电流使污层加热。由于污染物在绝缘子表面是分布不均匀的，也由于绝缘子的结构复杂，造成了各部分电流密度不一样，污层的加热也是不平衡的。在电流密度最大且污层较薄的部分，水分迅速蒸发、变干，电阻也就增大，沿面电压的分布亦随之改变，大部分电压降落在这些部分。结果这些部分就可能出现火花放电通道，形成局部电弧。由于火花放电通道的电阻低于原来干燥部分的表面电阻，使泄漏电流增大，从而使污层进一步干燥。与此同时，局部电弧根部附近的表面也迅速受热变干，使电弧变长。总之，全部表面的干燥将使电阻增大泄漏电流减小，而局部电弧的伸长则使泄漏电流增大。如果总的结果是泄漏电流减小，则局部电弧将熄灭；如果总的结果是泄漏电流增大，则局部电弧将继续伸长，发展到沿整个绝缘子表面的闪络，以致引发线路故障。绝缘子表面污闪的因素和防止发生污闪的措施。局部电弧的产生及其参数与污层分布等因素有关，且具有一定的随机性，所以污闪也是一种随机事件。电压增高则污闪的概率增大，因这时泄漏电流增大，造成由局部电弧发展为闪络。而如果增大绝缘子沿面泄漏距离或爬电距离，则可使泄漏电流减少，从而降低闪络的概率。绝缘子表面的干燥过程需要一定的时间，在短时过电压作用下，上述产生污闪的过程来不及发展，因此闪络电压要比长时间作用电压下来得高。尤其是在雷电冲击电压下，由于时间极短，绝缘子表面潮湿和污染实际上不会对闪络电压产生影响，即和表面干燥时的闪络电压一致。为了减少污闪事故，保证电力系统的安全运行，应当根据不同的大气污染情况，采取相应的绝缘。目前，我国用爬电比距来估计绝缘子的耐污性能。为了防止爬电，在设计时根据不同污秽等级选用不同的泄漏比距。在一般无明显污染地区，绝缘子串采用的最小爬电比距是16mm/kV，对于大气污染地区，则按照污染程度划分不同的等级，分别采用较大的爬电距离。对于运行中的线路，为了防止绝缘子的污闪，可以采取以下措施：1）定期对绝缘子进行清扫，或采取带电冲洗的办法；2）绝缘子表面涂上一层憎水性的防尘涂料。常用的有有机硅脂、地蜡涂料等。这样，绝缘子表面就不易形成连续的水膜，从而减小泄漏电流，使闪络电压不致降低；3）加强绝缘或采用防污绝缘子。加强绝缘最简单的办法是增加绝缘子的长度，以增大爬电距离；还可以采用爬电距离比一般绝缘子大得多的防污绝缘子；4）采用新型的半导体釉绝缘子。这种绝缘子釉层的表面电阻率为106~108Ω.m，在运行中因通过电流而发热，使表面始终保持干燥，同时使表面电压分布较均匀，从而能保持较高的闪络电压。绝缘子的电气性能故障有闪络和击穿两种。闪络发生在绝缘子表面，可见到烧伤痕迹，通常并不失掉绝缘性能；击穿发生在绝缘子的内部，通过铁帽与铁脚间瓷体放电，外表可能不见痕迹，但已失去绝缘性能，也可能因产生电弧使绝缘子完全破坏。对于击穿，应注重检查铁脚的放电痕迹和烧伤情况，以便针对不同的情况对绝缘子设计进行修改。绝缘子的绝缘电阻测量和判断。绝缘电阻测量是对瓷绝缘子、钢化玻璃绝缘子、复合绝缘子的绝缘电阻的测量。测量的目的是检查绝缘子的绝缘状况，发现绝缘子的绝缘劣化和绝缘击穿等缺陷。35～220kV架空送电线路的绝缘子绝缘电阻测量推荐使用5000V兆欧表进行测量。绝缘电阻合格的标准：(1)新装绝缘子的绝缘电阻应大于或等于500MΩ。(2)运行中绝缘子的绝缘电阻应大于或等于300MΩ。绝缘子劣化判定原则：(1)绝缘子绝缘电阻小于300MΩ，而大于240MΩ可判定为低值绝缘子。(2)绝缘子绝缘电阻小于240MΩ可判定为零值绝缘子。2、机械性能。绝缘子在运行中常受到导线的重力和张力、风力、覆冰重量、绝缘子自重、导线振动、设备操作机械力、短路电动力、地震和其他机械力的作用，这些力作用于绝缘子的不同部位时表现为不同的形式，如压力、拉力、弯矩、扭矩等。有关标准对机械性能规定有严格的要求。3、热性能。户外绝缘子要求有耐受温度急变的能力。例如瓷绝缘子要求经几次冷热循环而不开裂。绝缘套管因有电流通过，其零部件和绝缘件的温升以及容许短时电流值均须符合有关标准的规定。(四)不同材料绝缘子的特点。1、瓷绝缘子。瓷绝缘子以铝矾土、高岭土、长石等天然矿物为