復(fù)合絕緣子耐張串安全系數(shù)取值的建議

吳慶華，汪雄，王昕

(1.中南電力設(shè)計院，武漢市 430071;2.南方電網(wǎng)超高壓輸電公司，廣州市 510620)

0 引言

目前，復(fù)合絕緣子串大量用于電網(wǎng)工程，在防污閃方面發(fā)揮了很大作用。高壓輸電線路中復(fù)合絕緣子大多用于懸垂串，也有少量用于耐張串。設(shè)計規(guī)程針對盤式絕緣子規(guī)定了最大使用荷載條件下，絕緣子機械強度安全系數(shù)取2.7。當(dāng)復(fù)合絕緣子被大量使用后，根據(jù)其特點和運行經(jīng)驗，設(shè)計規(guī)程做出了新的規(guī)定。新規(guī)定中棒式絕緣子(其中包括復(fù)合絕緣子)最大使用荷載條件下機械強度安全系數(shù)取3.0，高于盤式絕緣子;絕緣子在正常運行的常年荷載下滿足機械強度安全系數(shù)不小于4.0。

復(fù)合絕緣子在長期機械負荷作用下存在蠕變，其機械強度會降低［1-5］。為有效控制復(fù)合絕緣子質(zhì)量，IEC 61109—2008標準對復(fù)合絕緣子蠕變斜率做出了規(guī)定:長期蠕變特性曲線的斜率取8%，短時破壞強度相對標準偏差取8%。我國特高壓工程考慮到工程的重要性和已提升的生產(chǎn)技術(shù)水平，上述2個絕緣子控制值相對IEC 61109—2008標準都有所提高，分別為 4%和 5%［6］。

盡管復(fù)合絕緣子存在長期蠕變問題，但制造和工程設(shè)計時采取了相應(yīng)的技術(shù)控制措施，復(fù)合絕緣子懸垂串還是得到了廣泛應(yīng)用，且運行中總體表現(xiàn)良好，并未因蠕變出現(xiàn)絕緣子故障。復(fù)合絕緣子長期蠕變與其受力直接相關(guān)，當(dāng)用于耐張串時，蠕變特性與懸垂是否一致需要注意。目前，復(fù)合絕緣子耐張串用量較少，且運行時間短，暫時未有相關(guān)絕緣子故障報道。為了確保長期使用過程中，復(fù)合絕緣子耐張串機械性能滿足使用要求，有必要對復(fù)合絕緣子耐張串設(shè)計安全系數(shù)取值進行研究。

1 懸垂串和耐張串受力比較

考慮2種典型的氣象區(qū):無冰區(qū)，最大風(fēng)速為27 m/s，年平均氣溫為20℃，最低氣溫為-5℃;有冰區(qū)，最大風(fēng)速為27 m/s，年平均氣溫為15℃，最低氣溫為-10℃，覆冰為10 mm，最高氣溫為40℃。水平檔距取600 m，垂直檔距取800 m，代表檔距取600 m。導(dǎo)線選取6×LGJ-630/45型。導(dǎo)線的計算拉斷力為148.7 kN，設(shè)計最大允許張力為56.46 kN，年平均氣溫條件下張力為35.26 kN。不同氣象條件下懸垂串和耐張串的受力計算結(jié)果如表1所示。

表1 不同氣象條件下絕緣子串的受力計算值Tab.1 Stress calculated value of insulator string in different meteorological conditions

由表1可以得出以下幾個結(jié)論:

(1)耐張串與懸垂串受力比。當(dāng)水平檔距取600 m，垂直檔距取800 m時，耐張串與懸垂串受力比為2.1～2.3;當(dāng)垂直檔距由1 000 m變化到600 m(水平檔距、代表檔距考慮相應(yīng)的變化)時，耐張串與懸垂串受力比由3.1變化到1.6，耐張串的受力遠大于懸垂串。

(2)絕緣子串受力的變化，即負荷波動區(qū)間。懸垂串在無冰區(qū)中最大最小負荷差為29.8 kN，為最大負荷的23.5%;而耐張串在無冰區(qū)中最大最小負荷差為71.7 kN，為最大負荷的26.0%。懸垂串在有冰區(qū)中最大最小負荷差為59.1 kN，為最大負荷的37.9%;而耐張串在有冰區(qū)中最大最小負荷差為135.9 kN，為最大負荷的40.2%。耐張串最大最小負荷差不僅比懸垂串的大，而且占最大負荷的比例也高，這說明耐張串的受力狀態(tài)比懸垂串惡劣。研究發(fā)現(xiàn)，動載條件下絕緣子的抗疲勞能力會下降。

(3)絕緣子機械強度的控制氣象條件。在無冰區(qū)，絕緣子機械強度控制條件為常年荷載(年平均氣溫)下滿足安全系數(shù)不小于4.0;最大負荷條件出現(xiàn)在最大風(fēng)時，懸垂串、耐張串安全系數(shù)均為3.06。在有冰區(qū)，絕緣子機械強度控制條件是安全系數(shù)3.0，最大負荷條件出現(xiàn)在覆冰條件下。懸垂串常年荷載(年平均氣溫)下安全系數(shù)為4.83，耐張串常年荷載(年平均氣溫)下安全系數(shù)為4.79，耐張串的安全儲備不比懸垂串好。

(4)絕緣子機械強度的選擇根據(jù)使用條件進行。理論上，耐張串的實際使用機械強度可以采用100%允許使用機械強度，而懸垂串的機械強度的數(shù)學(xué)期望值是100%允許使用機械強度，實際為70% ～100%允許使用機械強度。試驗發(fā)現(xiàn)，短時機械強度過高的絕緣子試品，其長期蠕變性能往往變差。

因此，耐張串機械性能的運行環(huán)境比懸垂串惡劣得多。

2 氣候條件變化引起的負荷波動

氣候條件變化導(dǎo)致的負荷波動變化對復(fù)合絕緣子機械強度是有影響的。高頻的負荷振動對復(fù)合絕緣子機械強度的影響有較多研究，但低頻的負荷振動對復(fù)合絕緣子機械強度的影響未見報道。對于存在蠕變特性的復(fù)合絕緣子來說，需要研究這種變化的特點。

針對絕緣子受力變化，氣候條件中的主要影響因素有風(fēng)速、覆冰和溫度等。其中，溫度變化在一般檔距下對懸垂串受力影響不大。以百色、楚雄和宜賓3個城市的氣象記錄為條件，進行溫度變化對耐張串影響的研究。

百色市氣象站某年2、6、10月逐日最高氣溫如圖1所示，2月份最高氣溫變化時絕緣子串的受力如圖2所示。從圖2中可以看出，高溫條件下絕緣子串張力的變化在1個月內(nèi)大約經(jīng)歷了3個周期，平均10天變化1次，變化幅度約為5%。

圖3是以百色、楚雄和宜賓3個城市某年逐月平均最低氣溫條件得出的絕緣子串受力。從圖3中可以看出，在月平均最低氣溫條件下絕緣子串張力的變化在1年中經(jīng)歷了1個周期，變化幅度為2% ～5%。

圖3 三地逐月平均最低氣溫時的絕緣子串張力變化Fig.3 Stress of insulator string of three cities in monthly mean minimum temperature condition

考慮實時氣溫變化，同時計及風(fēng)或冰的作用，絕緣子串受力的變化幅度巨大，且表現(xiàn)為復(fù)雜的多頻變化。從表1可以看出，隨著設(shè)計氣象條件的變化，絕緣子最大負荷是常年負荷的1.3～1.6倍，極端條件下絕緣子最大負荷是常年負荷的1.4～1.7倍。

3 耐張串設(shè)計安全系數(shù)取值的建議

目前，復(fù)合絕緣子設(shè)計安全系數(shù)的取值是基于絕緣子50年蠕變特性確定的［7］。絕緣子的額定機械負荷在50年中以蠕變斜率直線下降至最低持續(xù)耐受負荷。根據(jù)復(fù)合絕緣子試驗數(shù)據(jù)，復(fù)合絕緣子的短時破壞強度一般為其額定機械負荷的1.5～1.65倍。按照4%的蠕變斜率，可以求得復(fù)合絕緣子運行50年后的機械強度為其額定機械負荷的1.0～1.1倍。由此可以看出，當(dāng)蠕變斜率取4%時，復(fù)合絕緣子運行50年后的機械強度不低于其額定機械負荷(90%概率)。

通過選擇恰當(dāng)?shù)募s束條件，使得絕緣子在各種工況下的實際負荷始終在額定機械負荷至最低持續(xù)耐受負荷這根下降的直線之下，并保持一定的安全裕度，便可保證絕緣子的安全運行。當(dāng)絕緣子瞬間最大運行負荷小于最低持續(xù)耐受負荷時，便可保證絕緣子長時間安全運行。

同時為了盡量減少復(fù)合絕緣子的蠕變，絕緣子常年負荷也不宜大于短時破壞強度的15%。

當(dāng)絕緣子瞬間最大運行負荷小于最低持續(xù)耐受負荷時，可以推導(dǎo)出設(shè)計穩(wěn)態(tài)負荷與絕緣子額定機械負荷安全系數(shù)為2.9～3.1。當(dāng)常年負荷小于短時破壞強度的15%時，可以推導(dǎo)出常年負荷與絕緣子額定機械負荷安全系數(shù)約為4.0。50年后2個安全系數(shù)分別下降為2.1和2.8。規(guī)程規(guī)定，棒式絕緣子最大使用荷載安全系數(shù)不小于3.0，常年荷載安全系數(shù)不小于4.0［8-9］，但是以上安全系數(shù)取值并未區(qū)別耐張串和懸垂串。

4 結(jié)語

耐張串的運行環(huán)境比懸垂串惡劣，絕緣子串設(shè)計的安全系數(shù)應(yīng)有所區(qū)別。考慮到耐張串長期受力大、受氣象條件影響嚴重、實際安全儲備低等多種因素，建議最大使用荷載條件下機械強度安全系數(shù)取3.5，正常運行常年荷載條件下滿足安全系數(shù)不小于4.5。這樣，50年后2個安全系數(shù)分別下降后，不小于懸垂串的安全系數(shù)2.1和2.8。

［1］GB 50545—2010 110～750 kV架空輸電線路設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］吳慶華，謝幫華.輸電鐵塔中相采用T型串減小塔窗尺寸的分析［J］.電力建設(shè)，2011，32(4):39-41.

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