摘要：文章对硅橡胶材料的优异性能从机理上作出了解析，指出甲基是憎水性的根源，氢氧化铝是耐电蚀的主体，防爆设计应采用楔形嵌槽，并将Solidworks三维电场计算与光纤实测相结合寻找最佳电位分布。作者还对爬电比距的选择提出新的观点，分析了线路具备的优缺点。
关键词：；雷击闪络；过电压；硅橡胶；氧化锌电阻片
1、引言
安全送电、防止因线路故障而跳闸是当前输变电工业的重要课题之一。雷击引起线路绝缘子串闪络及雷电波入侵变电站所造成的停电事故，在我国南方各省已占输电线路闪络事故的60%，特别是110kV线路，平原地区雷击率为0.1~0.5次/100km·年，山区可达1~4次/100km·年[1]。加装线路（MOA）是防止雷击事故、减少跳闸率的有效方法之一[2]。
日本、美国、俄罗斯已有许多应用线路防止雷击闪络事故的成功报道。日本在20世纪90年代已有超过30000相77~500kV线路投入系统中使用，加装线路后取得了良好的效果[3]。
我国在此领域的研究起步较晚，这与硅橡胶复合外套技术在上的应用起步较晚分不开。截至目前，已研究制造出多种类型110~500kV线路，共有7610相在系统中运行，收到良好的效果。我国线路分有串联间隙和无间隙两大系列。与国际上的不同之处是目前无间隙线路占50%以上。
2、线路设计技术
无间隙线路的成功应用得益于硅橡胶复合材料，它取代了原有瓷外套，使220kV的质量从260kg降至50kg以下，从而实现在杆塔上悬挂安装。有串联间隙线路由本体和外串联间隙组成。本体与普通的复合外套相当，外串联间隙（放电间隙）由两个环–环或棒–棒型放电电极组成。
本体两端采用金属法兰封口，内部装有非线性ZnO电阻片并用弹簧压紧的环氧玻璃纤维布筒，其外部采用硅橡胶伞裙包封。这样，大大减少了因“漏气”而带来的受潮问题。
上、下法兰设计了经典的球头、球窝，分别与高压端、接地端连接。以2003年我国天生桥—广州线投入使用的500kV有间隙线路设计为例，除秉承电站技术基础外，还必须解决如下8点关键技术问题：
（1）优良性能的硅橡胶复合外套
采用硅橡胶等有机绝缘材料生产的复合外套必须具备耐天侯、抗紫外线、耐电蚀损等优良性能。与瓷套相比，硅橡胶复合外套在重量、耐污性能上占有很大优势，详见表1。复合外套可选用的材料、品种很多。
（2）具备耐久性粘接技术
在多年使用中要经受引线拉力、线震、风摆、冰雪等的作用。上、下法兰与环氧玻璃纤维布筒的粘接部分是负载力传递区域，也是密封技术的薄弱环节。笔者认为，采用高温、高强度环氧浇合剂和倒锥形结构是目前最成功的设计之一，实践也证明了这一点。
（3）对接口的包封技术
包封硅橡胶复合外套上、下法兰与环氧玻璃布筒连接的外露面是加强密封的良策，也是防止电蚀损的又一有效措施。目前许多国外同类产品在工艺上亦未能实现这样的包封；但必须保证硅橡胶与法兰各种金属材料及热处理后的镀层之间有良好的粘合。此外，可在法兰上增加一个下大上小的槽形结构，以增强硅橡胶不出现脱胶的机械应力。
（4）防爆技术
为取得良好的防爆性能可在模压硫化伞裙前将环氧玻璃纤维筒加工出长条梯形槽，并用专用楔形嵌件堵紧。梯形槽在故障时起排气作用，楔形嵌件保证注塑时硅橡胶不至于进入环氧玻璃纤维布筒内腔。梯形槽的长度、数量、防爆力须经严格计算及试验求得。该型在中国及俄罗斯都通过了40kA和800A的短路电流试验。
（5）吸收能量校核
有间隙线路由本体和外串联间隙构成。正常运行工况下本体的荷电率为10%以下，它主要承受雷击过电压，因此对它的其他技术性能要求大为降低。电阻片承受雷击过电压的能力极强，直径50mm的电阻片即能承受4/10ms、100kA大电流冲击。
（6）电位分布计算与调整
330kV、500kV线路的突出技术问题是电位分布不均匀。与瓷套式不同，它是悬挂在空中的，必须采用三维电场、用有限元法计算其电位分布[5]。由于在结构上不能采用外并电容的均压措施。高度超过5m时，如不采取措施，其电位分布不均匀系数将达1.2，荷电率达98%。这将加速高场强处电阻片的老化。因此，通过SolidWorks三维设计及改善电位分布的设计，并通过改变均压环的数量、大小、放置位置及下垂深度等措施使500kV无间隙线路（5.4m高）电位分布不均匀系数限制在10.4%以下。
（7）内部负压问题
在整体模压注射硅橡胶过程中，各部分均处于受热状态（100℃以上）。当模压硫化完成（即密封完成），冷却后内部将形成低气压。由“巴申曲线”可知，此时电阻片沿面闪络电压大为下降，有可能在较低电压下损坏。这是生产厂家容易忽略的工艺技术问题。
（8）影响间隙放电稳定性的因素
间隙放电电压的稳定性是保护性能的标准，棒－棒纯空气间隙与环－环带绝缘子支撑间隙放电特性本身存在差异。前者是极不均匀电场，后者是稍不均匀电场；前者放电电压稍低、分散性小，后者不仅分散性大，且受绝缘子污秽性能影响明显，当污秽引起漏电流且达到一定值时，它与本体漏电流形成一个“分压器”，明显地改变了整个电位分布，提高了放电电压值，这是设计者必须给予充分考虑的。
3、线路的试验
与瓷外套不同，复合外套的外套采用有机高分子材料，它必须进行许多验证其特性的试验[6]，如耐天侯试验、耐电蚀试验、耐盐雾试验等。这些试验的要求及试验方法大部分都已体现在IEC最新版本的标准中。
（1）复合外套起痕和电蚀试验
按比例制作了比例元件。雾室温度20~25℃，盐雾中NaCl含量为9.8kg/m3，以3.9L/m3·h速度喷向比例元件。同时将等比例持续运行电压Uc施加于比例元件上，持续时间1000h。试验期间无过流中断，比例元件复合外套无起痕、裂缝和树枝状裂纹产生，伞裙未击穿。
（2）热机试验及沸水煮试验
该项试验用于验证在冷热、机械力共同作用下法兰与环氧玻璃纤维布筒结合部分粘合剂的性能，该项试验分两步进行：
1）比例元件在下列条件同时作用下进行试验：①2次（-35±5）℃~（50±5）℃冷热循环，高低温度至少保持8h，每一循环持续24h；②给比例元件施加50%额定拉伸负荷的负荷力。
2）比例元件在0.1%NaCl的溶液中沸煮42h后，立即放进环境温度的水溶液中浸泡24h，取出后在环境温度空气中静放24h，直到表面干燥。
（3）爬电比距的选择
硅橡胶的复合外套的耐污秽性能比瓷套高出66%。这是由硅橡胶的憎水性所决定的，憎水性来自硅橡胶分子中具有排斥水分子天性的甲基。试验结果表明：
1）复合外套耐污秽性能远高于瓷套，但尚未取得定量的结论。
2）复合外套提高的耐污性能可留给用户、电力部门作为裕度考虑。因此，爬电比距的设计仍按瓷外套标准考虑。这一设计还受两个外界因素影响：①复合外套比瓷套更容易提高爬电比距，但必须保证电弧最小距离（如110kV下≥1m）；②笔者认为，两类有串联间隙选择爬电比距应有所不同：棒－棒纯空气有间隙本体爬距≥1.7cm/kV即可认为是安全的，因为，正常运行电压下本体几乎不承受任何电压值；环－环绝缘支撑有间隙，其爬距应为本体爬距与支撑绝缘子爬距之和，作者建议，爬电比距应分别规定，本体≥1.7cm/kV，支撑绝缘子≥1.7cm/kV，因为在正常运行和雷击瞬间不同工况下，两者都需分别承受了几乎100%的过电压，总体爬电比距≥3.4cm/kV。
4、两种线路的比较
我国无间隙线路的使用量超过有间隙线路，90%的330kV、500kV线路使用无间隙线路。无间隙在绝缘配合上，保护性能分散性小，仅仅取决于一条U-I特性曲线，保护裕度大。运行事故率已低于0.03/100相·年以下，且无间隙线路限制操作过电压的优点是目前有间隙线路所不能达到的。表4列出两种线路的技术要求及性能[6]。
无间隙线路的运行条件除满足一般电站要求外，还应满足以下条件：
（1）承受各种内过电压作用，特别在线路中段，内过电压值最高，过电压出现频率高，要求通流容量较大。
（2）荷电率相对较高，与变电站内不同，线路中段没有限压措施，电容效应等都能引起电压升高，线路荷电率较高。
（3）线震、特强冷热作用、风摆、冰雪等可能破坏的密封。
我国有间隙线路的外串联间隙分两大类：纯空气的棒–棒间隙，见图1(b)；由复合绝缘子支撑的环–环间隙，见图1(a)。其技术性能比较见表5[6]。目前我国使用后者的较多，主要是安装方便的原因。
5、免维护设计
笔者认为达到免维护需满足如下条件：
（1）生产高质量，还应当适当提高无间隙线?（2）应对加装脱离器。
（3）应附加失效指示装置。
6、结论
线路能够有效地降低跳闸率，是目前中国发展方向之一。线路的设计必须解决多个特殊问题，本文提出的试验、计算、防爆设计、能量校核方法、阀片尺寸计算、电位分布计算方法都有一定的参考价值，并已在500kV线路中得到了应用。本文系统地给出了110~500kV线路技术参数表，强调线路的爬电距离在本体部分、间隙部分都应分别达到1.7cm/kV。比较了有间隙和无间隙，无间隙由于可靠性较高，具有保护裕度大、绝缘配合分散性小的优势，在中国使用量上也占有一定的优势；有间隙中的纯空气间隙分散性较小，持续运行稳定性相对较高。此外，线路应是免维护的。
（转载）
