吴佑顺
( 扬州北辰电气设备有限公司 225100)
摘要：目前，复合绝缘子在输电线路上已得到了广泛的应用，在变电站内，目前也以复合套管的形式在CT、主变、断路器、GIS上得到了广泛应用，运行情况良好。但变电站内大量装备的隔离开关上却鲜有复合支柱绝缘子在应用。 2008年我国的电力设施经历了雪灾和地震两大自然灾害，变电站内的瓷绝缘设备遭受到了不同程度的破坏，而采用复合绝缘的几乎没有因本身原因遭到破坏。为提高变电设备的抗御自然灾害能力，研发了新型GW4FH-126复合绝缘隔离开关，用复合绝缘支柱绝缘子替代瓷绝缘子。
关键词：复合绝缘子 ;隔离开关;变电设备
1 目前复合绝缘在国内外使用情况
1.1线路用复合绝缘子(悬挂式绝缘子)
线路用复合绝缘子的发展和应用至今已有 40 多年的历史。早期复合绝缘子材质包括环氧树脂、乙丙橡胶、室温硅橡胶等。20 世纪 70 年代，随着高温硫化硅橡胶复合绝缘子在德国的问世，复合绝缘子相对于瓷、玻璃绝缘子更加优异的耐污特性等优点充分显现，使复合绝缘子步入了高速发展时期。近年来，复合绝缘子已在世界范围内得到了青睐和大量使用，其用量在过去的十年中一直保持稳定增长。目前，全世界现在已有超过 27 个国家和地区使用复合绝缘子。
我国对复合绝缘子的研制开发始于 20 世纪 80 年代初。在吸取国外经验教训的基础上，一开始就研制生产出高温硫化硅橡胶绝缘子。国产复合绝缘子从1985 年首次挂网试运行至今，得到了生产运行部门的广泛好评，也引起了设计部门的关注。截止2006 年底，全国挂网运行复合绝缘子已超过 220 万支，使用量仅次于美国居世界第二位。
近几年复合绝缘子的年故障率逐年下降，全国范围内1999 年为 0.08%，2000 年及以后降低至一半以下，2006 年度仅为 0.01%。目前，国内主流制造企业的盘形悬式瓷绝缘子或玻璃绝缘子的年均劣化率约为 0.02%左右，与之相比，两者水平基本相当。随着运行经验的积累和制造水平的提高，复合绝缘子的经济性、长效性、可靠性日渐凸现。事实证明，即使在高寒、高湿、强紫外线等特殊运行条件下，复合绝缘子也呈现出了优良的经济性和可靠性。而且，当出现伞裙硬化、憎水性下降等劣化特征时，其整体机电性能仍可维持一定时间的安全运行，只要运行中加强巡视与定期检测，可以及时发现并进行更换。总体来看，随着制造水平的不断提高，复合绝缘子与瓷、玻璃绝缘子相比，具有重量轻、憎水性优良、劣化性好、供电可靠性高等突出优点。
1.2变电站用复合绝缘子
变电站用复合绝缘子主要分实心与空心两种。实心绝缘子主要用于母线、分支母线、跳线的绝缘支撑和悬挂，空心绝缘子俗称套管，主要用于互感器、主变、断路器、GIS的支撑与绝缘。目前全世界范围内高压隔离开关用的支柱绝缘子的应用甚少。
1.2.1隔离开关用复合支柱绝缘子
国内40.5kV及以下的隔离开关用复合支柱绝缘子已经应用较为普遍，但是126kV及以上隔离开关上的应用甚少，2004年山东省开始试点在126kV隔离开关上应用全复合支柱绝缘子，华北地区也有一些应用(主要为瓷芯复合支柱绝缘子)，但仅仅是将瓷绝缘子更换为等爬距或者稍高爬距的复合支柱绝缘子，没有对隔离开关整体进行型式试验。
2 复合绝缘子的特性
2.1复合绝缘子的特性
复合绝缘子和传统的陶瓷绝缘子、玻璃绝缘子相比，具有良好的憎水性、优异的抗紫外线能力、污闪电压高、重量轻、运输安装方便、机械强度高、耐污性能优异及便于维护或少维护、防爆性能好等优点，目前在输电线路上已经有了较广泛的应用。随着棒形悬式复合绝缘子在输电线路上大面积应用并取得良好的运行效果，变电站内也逐渐开始使用复合绝缘子。复合绝缘子相对于传统绝缘子主要具有以下优点：
(1)质量轻、强度高。
复合绝缘子以有机材料为主，绝缘子采用玻璃纤维增强环氧树脂作为芯棒材料，其密度仅为2g/cm3左右，同时作为伞裙材料的高温硫化硅橡胶密度也不到2g/cm3，两端是金属连接附件，整体重量只有陶瓷或玻璃绝缘子的60%左右。
复合绝缘子机械性能优越：承受机械负荷的绝缘芯棒以环氧树脂为基体、无碱玻璃纤维为增强材料的复合材料制成。并通过特殊制作工艺制成。芯棒抗弯强度达到400MPa以上，大大提高了绝缘子弯曲负荷。复合绝缘子拉伸强度高出陶瓷或玻璃绝缘子3～4倍。复合绝缘子也不存在自爆现象和破损现象。
(2)电绝缘及防污闪性能良好。
制造伞裙、护套的有机材料表面能很低、憎水性能好、抗紫外线和抗臭氧等耐候性能优良，而且具有非延燃和自熄性能，可大大改善高压绝缘设备表面受污、受潮后绝缘度降低的状况，有效地提高用电安全性，基本不用人工清洁，减少了维护清扫费用，并可提高设备可用系数。
绝缘子伞套采用高温硫化硅橡胶制成。硅橡胶低能表面的憎水性是复合绝缘子优异耐湿污闪性能的主要原因。硅橡胶伞套材料表面不仅在新的时候是憎水的，而且在运行条件下，当憎水性暂时丧失以后(如复合绝缘子完全浸泡在水中)，还能恢复其憎水性。
在大雾、小雨、露、溶冰等恶劣气象条件下，复合绝缘子表面形成分离的水珠而不是连续的水膜，污层电导很低，因此泄漏电流也很小，不易发生强烈的局部电弧，局部电弧也难以进一步发展导致外绝缘闪络。
复合绝缘子较瓷绝缘子有较高的湿闪络和污闪络电压，只需复合绝缘子的放电距离等于或稍大于瓷绝缘子串可满足雷电特性等电气性能要求。在满足雷电等其他电气特性下其耐污等级可按JB/T8460的有关规定进行选择，但在相应污秽度下绝缘子的耐受电压应比其最高运行相电压至少高1/4。
(3)从整体结构上增大了爬距。
复合绝缘子在结构上为整只构成，上下只有2个电极，因此爬距远大于陶瓷及玻璃子串，外绝缘采用真空注射工艺一次整体注射成型的高温硫化硅橡胶(HTV)为伞裙 ;内绝缘采用拉挤+湿法纤维连续缠绕工艺生产的实心玻璃纤维增强环氧树脂绝缘复合材料为芯棒;端部金属附件采用力学性能高的铸铁材料。增大爬距在某种程度上增强了其绝缘性能，有利于复合绝缘子在特、超高压输变电工程中的应用。
(4)抗震性能较为优异。
高压电气设备通常体形细高，而且上部质量大，地震时绝缘子根部承受很大的弯矩，由于瓷为刚性材料，其阻尼比小，抗弯性能差，地震时易受弯折断，复合绝缘子采用的是高性能的玻璃纤维增强环氧树脂芯棒，阻尼比是瓷的2倍，地震时动力反应较小，最高可抗8级地震;同时，玻璃纤维增强环氧树脂芯棒还具有优异的弯曲作用应力和弯曲强度，优于瓷绝缘子。
2.4对复合绝缘子自身存在的缺点
(1)老化
复合绝缘子在自然环境中不可避免地存在老化现象，主要体现在伞裙硬化和憎水性下降，现在的产品通过50年的加速老化试验，其电气、机械性能均在可靠范围之内，常规电气产品的寿命期内均能满足。
(2)鸟害
早期复合绝缘子发生过伞裙被鸟啄食现象，现通过在硅橡胶中添加鸟类厌恶化学成份已可有效避免。
(3)掉伞裙
早期复合绝缘子的伞裙采用采用粘接成型，因粘接工艺问题，运行一段时间后伞裙会发生脱落或伞裙与芯棒间存在空气间隙而导致界面击穿，现在改进粘接工艺，甚至直接采用整体注塑成形，有效地避免了掉伞和间隙的发生。
(4)机械连接
早期(1998 年前)内楔式、外楔式、内外楔式和粘接式等端部连接工艺不能保证复合绝缘子具有长期机械可靠性。现采用外压式连接，通过控制压紧力和压紧时进行超声波探伤，即保证了压接可靠，又避免了芯棒受损。
3 拟采用的复合支柱绝缘子的技术参数
本次开发的GW4FH-126复合绝缘隔离开关采用的是南通市神马电力科技有限公司复合绝缘子，在出厂前应对其机械性能以及电气性能进行检测，通过随机抽样检测一只复合绝缘子，其主要参数如下：
序号检测项目技术指标实测值执行标准
1邵氏硬度 HSD65±563GB/T531
2拉伸强度 MPa≥3.55.03GB/T528
3撕裂强度 kN/m≥10.021.36GB/T529
4扯断拉伸率 %≥200296GB/T528
5相对密度 g/cm31.5±0.021.51GB/T533
6体积电阻率 Ω·cm≥1X10146.5 X1014GB/T1692
7介电强度 kV/mm≥2023GB/T1695
8介电常数 ε2.0—4.02.45GB/T1693
9介质损耗角正切值 tg δ≤0.050.0078GB/T1696
10耐漏电起痕和耐电蚀损性1A4.5通过GB/T6553
11阻燃性FV-O通过GB/T13488
12憎水性 HC值HC1—HC2HC1DL/T810
4 GW4FH-110型隔离开关应用复合绝缘子时的机械性能研究
为验证拟装配于GW4FH-110型隔离开关的复合支柱绝缘子(Ф=110mm)的刚性是否满足装备隔离开关的要求，我们进行了相关对比试验。
4.1 第一次试验(带隔离开关底座，瓷绝缘子、复合支柱绝缘子带上下浇注法兰和底部转动座)
分别把瓷、复合绝缘子安装在隔离开关底座上进行拉力实验，所测得的数据如表1所示：
表1 瓷绝缘子、复合绝缘子拉力试验结果一
单边拉力F=0.8KN
复合绝缘子左L1(mm)左L1’ (mm)右L2(mm)右L2’ (mm)
2741272521832170
△L1=16△L2=13
瓷绝缘子2733272321732163
△L1=10△L1=11
复合绝缘子△L=29
瓷绝缘子△L=21
在单边拉力0.8kN的拉力下，复合绝缘子的综合位移为29mm，瓷绝缘子为21mm，复合绝缘子明显较差。
4.2第二次试验(瓷绝缘子、复合绝缘子带上下浇注法兰和底部转动座，直接固定在地面槽钢上)
分别把带上下浇注法兰和底部转动座的瓷、复合绝缘子直接安装在地面槽钢上进行拉力实验，所测得的数据如表2所示：
表2 瓷绝缘子、复合绝缘子拉力试验结果二
F(KN)复合绝缘子(h=1180mm)瓷绝缘子(h=1190mm)
H(mm)△ L(mm)H(mm)△ L(mm)
0604 727
0.560737292
0.7560847303
161177325
060517270
在相同的拉力下，复合绝缘子虽仍较瓷绝缘子大，但误差已大大缩小。
4.3第三次试验(瓷绝缘子、复合绝缘子带上下浇注法兰，直接固定)
分别把带上下浇注法兰的瓷、复合绝缘子单独在拉弯机上进行试验，所测得的数据如表3：
表3 瓷绝缘子、复合绝缘子拉力试验比较
F(KN)复合绝缘子(h=1180mm)瓷绝缘子(h=1190mm)
H(mm)△ L(mm)H(mm)△ L(mm)
013.52 25.65
0.515.672.1528.322.55
0.7516.723.228.612.67
117.964.4425.702.96
按照上述方法进行的复合绝缘子和瓷绝缘子试验对比，复合绝缘子在相同拉力下的位移均较瓷绝缘子为大，且未能达到相关标准对配瓷支柱绝缘子隔离开关的试验要求。
4.4 改进措施
经过分析研究，我们对Ф=110mm的复合绝缘子本身的刚性抱有信心，遂决定对上下浇注法兰、转动底座和隔离开关支架进行改进：
4.4.1 浇注法兰的改进：
(1)法兰座由铸铝改为铸铁，铸铝强度不够;
(2)加高法兰壁，提高强度，提高复合绝缘子的复位性;
(3)法兰内壁增加定位键块，芯棒上铣出键槽，防止芯棒和法兰之间发生转动。
4.4.2转动底座的改进：
(1) 增大转动轴的直径，减小转动时顶部偏移;
(2) 轴承由原来的2套增加到5套，进一步减小底部偏差间隙;
(3) 加大加厚轴承座，提高抗弯强度;
(4) 加厚加高轴承座的加强筋，提高强度;
4.4.3隔离开关支架的改进：
采用大一号的槽钢，减小变形。
4.5 改进后第四次的试验结果
表4 瓷绝缘子、复合绝缘子偏移比较结果
拉力F(kg)无底座装配偏差(mm)带底座装配偏差(mm)
0复合绝缘子瓷绝缘子复合绝缘子瓷绝缘子
106541716
经过改进后的再次试验对比，复合绝缘子基本达到国家对瓷绝缘子的隔离开关型式试验要求，配置复合绝缘子的隔离开关已在西高所一次性通过了全套型式试验(产品参数为2000A/40kA，3s)。型式试验报告见附件。
5 结束语
GW4FH-126复合绝缘隔离开关由于本身的自有特点，在维护、运输、安装、防污性等方面，较瓷绝缘子隔离开关有较大的优势，对提高设备的防污闪性能、抗地震性，杜绝由瓷绝缘子断裂造成的停电事故，具有较强的经济效益。扬州北辰电气设备有限公司历时6个月，成功研制出GW4FH-126复合绝缘隔离开关，填补了国内隔离开关的一项空白，为复合绝缘子隔离开关的系列化奠定了坚实的基础。
作者简介
吴佑顺(1955-)，男，工程师，从事电力系统高低压开关设备运行、管理和研究工作。