CN102262948A - 线路用复合柔性阻尼绝缘子 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压输电线路用的绝缘装置，特别涉及输电线路绝缘子，用作输电线路相间间隔棒的复合材料柔性阻尼绝缘装置。棒体的两端分别固定左、右连接接头和左、右均压环，左、右均压环之间的棒体上均布伞裙，所述的伞裙上均布6-10个径向的开槽，所述相邻伞裙上的开槽轴向错开。它结构简单，重量轻，抗拉，抗压，抗弯曲，抗扭转，抗机械疲劳破坏。

Description

线路用复合柔性阻尼绝缘子

技术领域

本发明涉及一种高压输电线路用的绝缘装置，特别涉及输电线路绝缘子，用作输电线路相间间隔棒的复合材料柔性阻尼绝缘装置。

背景技术

20世纪80年代中后期，国内开始研发应用线路复合绝缘子，1986年北京供电局和天津电力局分别试用清华大学研制的35kV复合绝缘子；其后线路复合绝缘子经历了逐步成熟、日益完善的过程；时至今日中国线路复合绝缘子已达到国际领先水平，为治理电网大面积污闪立下汗马功劳。然而在复合绝缘子地位日益提高、被普遍认可、广泛应用的背景下，近年来复合绝缘子却出现或导致了一些不同以往的线路故障，基本原因就是适宜承受静态拉伸载荷、且按照承受静态拉伸载荷设计的刚性复合绝缘子被过于大胆地用于承受弯曲和扭转载荷、且(或)在恶劣气象环境条件下经常性承受交变/冲击机械载荷。随着近年来极端恶劣气候的频繁出现以及紧凑型线路的批量建设投运，因承受弯曲/扭转载荷以及交变/冲击载荷导致的刚性复合绝缘子及金具故障已呈现上升趋势，在今后较长一段时期内值得重点关注。

1、刚性线路复合绝缘子

普通的线路复合绝缘子为刚性结构，中心为刚性的玻璃纤维增强树脂芯棒，外部包裹硅橡胶伞裙和护套。由于芯棒的玻璃纤维丝沿轴向排列，因此复合绝缘子耐受拉力的能力大大优于耐受压力、弯力、和扭力的能力。

(1)V串刚性复合绝缘子：

一般情况下，复合绝缘子用作悬垂绝缘子，能够发挥其最大优势——即承受拉力，经过长期和大批量的应用，刚性复合绝缘子用作悬垂绝缘子被证明是成功的、安全的。但当复合绝缘子用作线路的V串绝缘子时，除了在无风状态下承受拉力外，在风力、特别是垂直线路的风力作用下，绝缘子常常要承受压力和弯矩，而这种受力并非刚性复合绝缘子的强项，在长期存在的拉-压(弯)交变应力下导致的疲劳断裂是刚性芯棒不能承受的。事故原因均为大风造成导线风偏，造成V串复合绝缘子中处于下风向的绝缘子由承受拉力变为承受压力，绝缘子导线端或铁塔端碗头中的锁紧销被复合绝缘子球头反复挤压变形，失去限位功能，造成V型绝缘子球头从碗头中脱出，导致掉串。

与复合绝缘子的典型故障形式——脆断相比，刚性的V串复合绝缘子断串是一种新的复合绝缘子机械故障形式，是复合绝缘子承受拉-压(弯)交变应力导致的芯棒疲劳断裂。V串在风力下产生的拉-压(弯)交变应力是导致这种故障形式的主要原因，近年来紧凑型线路V串复合绝缘子上下端锁紧销受压变形、球头脱出均为受到这种压力所致。随着运行单位封堵V串复合绝缘子上下碗头出口措施的应用，这种压力及拉-压(弯)交变应力必然完全由中间的复合绝缘子承受，有可能导致紧凑型线路V串复合绝缘子疲劳断裂故障相对更加突出。对于由盘形悬式瓷/玻璃绝缘子组成的链式V串结构是不会产生这种压力及拉-压(弯)交变应力的，只有复合绝缘子这种相对刚性的V串绝缘子才能产生上述压力，即拉压交变应力是复合绝缘子V串必然存在的问题——或者球头脱出或者芯棒断裂——迟早可能发生。普通的刚性复合绝缘子耐拉而不耐压(弯)，使V串复合绝缘子在紧凑型线路的长期运行中经常性承受压力和弯矩是不明智的。

(2)悬垂刚性复合绝缘子：

(a)悬垂复合绝缘子球头挂环断裂

2007年3月至2010年12月，华北电网有限公司500kV架空输电线路先后发生7次绝缘子球头挂环断裂故障(图15、图16)，涉及直属运行单位北京超高压公司、大同超高压供电公司、张家口供电公司和西电东送重要通道500kV托源三线、源安一、二线、沙昌一、二线(含南昌一线)以及大房三线，其中2010年6月19日和12月31日，500kV南昌一线和大房三线先后发生球头挂环断裂故障，导线落地，严重威胁500kV主网安全运行。

球头挂环断裂故障塔多位于大档距、大高差及大风运行环境，部分绝缘子为双串结构，部分杆塔为直线兼角塔，因此绝缘子及其连接金具的组合普遍存在杆塔两侧或多侧受力不平衡现象。绝缘子及其连接金具的组合在设计上是按承受拉伸载荷考虑的，但上述相对特殊的运行环境使球头挂环因受力不平衡而长期承受交变的弯曲载荷，最终导致球头挂环疲劳断裂，这是悬垂绝缘子球头挂环频繁断裂的主要原因。以2010年12月31日500kV大房三线337#塔球头挂环断裂为例做具体分析：337#塔位于张家口市蔚县的高海拔山区，是典型的微地型、微气象区。337#塔两侧的档距差异导致球头环上侧的UB挂板顺线路方向受力不均，与挂点之间形成卡滞(图20)，不能实现在垂直线路方向上自由转动的设计初衷；而UB挂板下的球头环虽然可在顺线方向上自由转动，但在垂直线路方向上的自由转动角度则有限，在垂直线路方向上风载荷作用下，球头环长期承受交变弯曲应力，最终导致疲劳断裂。

(b)悬垂绝缘子的双串受力平衡问题

球头挂环断裂事故频繁发生，对电网安全稳定运行构成了严重威胁，尤其是单串绝缘子在球头挂环断裂后往往造成导线落地的严重后果，对供电安全影响很大，抢修恢复工作量和工作难度大大增加，因此《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》、《华北电网有限公司防止500kV架空输电线路球头挂环断裂故障措施》均提出类似要求：对于重要交叉跨越、山区微气象微地形区段，特别是大档距、大高差等区域的直线串应采用双串结构。虽然单串绝缘子改双串绝缘子作为保证特殊区域线路安全的一项重要措施，然而大档距、大高差、微地形、微气象等恶劣运行环境的双串绝缘子受档距、高差等因素影响，易出现受力不平衡问题，绝缘子和金具易出现承受弯曲载荷和交变应力的情况，更易导致掉串故障。2007年以来，华北公司运维的500kV输电线路发生多起球头挂环断裂故障：(1)2007年3月31日，大同超高压供电公司托源三线301#左相双串绝缘子的大号侧玻璃绝缘子串球头挂环断裂；(2)2007年6月20日，北京超高压公司沙昌一线#305塔中相双串绝缘子的大号侧复合绝缘子球头挂环断裂；(3)2007年10月7日，500kV沙昌二线跳闸，重合不成，特巡人员发现#95直线塔右导线落地；(4)2007年11月1日，大同超高压供电公司源安二线158#右相双串绝缘子的小号侧玻璃绝缘子串球头挂环断裂；(5)2008年12月3日，大同超高压供电公司500kV源安一线179#塔发生掉串，右边相(A相)双串绝缘子的大号侧玻璃绝缘子串球头挂环断裂；(6)2010年7月19日，北京超高压500kV南昌一线75号左相(C相)挂点绝缘子球头挂环断裂，导线及绝缘子掉落于地；(7)2010年12月31日，大同超高压供电公司500kV大房三线337#下相(C相)上挂点球头挂环断裂，造成合成绝缘子串(单串)坠落。7起球头挂环断裂故障中，双串绝缘子中断单串的情况占5起，占比70％以上，凸显单串改双串技术仍然存在诸多不完善之处，一定程度上影响到悬垂绝缘子防掉串技术政策实施及改造效果。

(c)悬垂复合绝缘子均压环脱落

自2009年开始，唐山供电公司220kV曹农一二线绝缘子出现严重的悬垂复合绝缘子均压环脱落故障。2009年12月进行了集中处理，但周期巡视时发现全线范围内又不断有均压环脱落故障发生，包括已处理过的均压环。截至2011年1月停电处理前，共计65基杆塔存在均压环脱落现象，占杆塔总数的57.5％；同时防震锤移位、损坏现象严重，达43处。

均压环脱落故障主要分两种：一为均压环支架断裂，环体掉落；二为均压环紧固螺栓脱落，均压环整体掉落。防振锤缺陷主要是防振锤移位、甚至串杆，如曹农一线50号小号侧上相防振锤缺失，而49号大号侧上相防振锤多出一个，应为50号防振锤沿线振动移位至49号。

曹农双线位于唐山南部沿海地区，线径周围无高大建筑物、树木等物体。导线经常性受到垂直线路方向的海风作用，当风对导线的作用频率与导线振动固有频率一致时，导线发生振动。长期的振动造成了均压环机械性能劣化，特别是均压环支架作为均压环的主要承力部件，其机械性能下降更为严重，直至发生断裂；而均压环与绝缘子连接部位的紧固螺栓松动导致均压环脱落也是导线长期振动的结果。虽然曹农双线均压环故障与弯曲、扭转载荷无关，但属于交变载荷(机械振动)的作用结果。

(3)耐张刚性复合绝缘子：

刚性复合绝缘子用作线路耐张串长期存在一定的争议，争议焦点是耐张绝缘子在运行中是否将承受足以导致刚性复合绝缘子破坏的扭转载荷。

2、刚性复合相间间隔棒

近年来，输电线路的舞动已成为电力系统架空输电线路的主要故障形式之一，舞动不仅涉及紧凑型线路，也涉及常规线路、同塔双回线路；不仅涉及三角排列的导线形式，也涉及水平排列和垂直排列的导线形式。

在现有技术中，用于抑制线路舞动的主要措施和产品主要包括：刚性复合相间间隔棒和分节式相间间隔棒等，然而这些产品在应用中均存在一定的缺点或局限性，其中：

刚性复合相间间隔棒，其芯棒为刚性的玻璃纤维增强环氧树脂芯棒，是承受机械力的主要部分。刚性复合相间间隔棒的缺点是：(1)由于导线弧垂及杆塔高差的存在，对于三角排列或垂直排列的导线结构，上下相导线间距不是固定值，因此相间间隔棒需逐支定长制造，制造和应用不便。而且，相间距离的测量误差和相间间隔棒的生产误差常常使安装时相间间隔棒和相间距离难以完全匹配，造成一定安装难度。(2)由于刚性相间间隔棒的长度较长，如500kV同塔双回线的垂直排列的导线相间间隔棒长度达到12m左右，因此不利于运输和安装。(3)由于刚性复合相间间隔棒在长期运行中不断承受拉力和压力，这种拉—压(弯)交变应力可能导致刚性复合相间间隔棒疲劳断裂。(4)由于导线之间相互靠近时可对刚性相间间隔棒产生挤压力，因此一般要求相间间隔棒的芯棒较粗(如Φ30mm)，相间间隔棒重量较大，安装相对不便且对导线产生一定的额外机械荷载。

分节式相间间隔棒，由两节或两节以上的刚性相间间隔棒(复合相间间隔棒)组成，每节相间间隔棒首尾通过金具铰接，可以多方向转动。分节式柔性相间间隔棒的缺点是，连接金具数量增多，减小了有效的绝缘距离；由于每节相间间隔棒仍然是刚性结构，其芯棒直径大，重量仍然较大，而且连接金具的增加也在一定程度上增大了相间间隔棒的重量。

上述对刚性的V串复合绝缘子、复合相间间隔棒、悬垂复合绝缘子、耐张复合绝缘子及其配套连接金具的故障(及可能发生的故障)分析表明：长期承受弯曲或扭转载荷、特别是交变的弯曲或扭转载荷是导致刚性复合绝缘子及其配套连接金具损伤或断裂的主要原因。其中线路绝缘子及其配套连接金具是按承受拉伸载荷设计的，弯曲载荷或扭转载荷不是其机械性能的强项，也不是设计所考虑的范围；而交变应力可对刚性的绝缘子和刚性的金具产生较大的机械冲击，更易导致机械疲劳破坏。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明提供一种线路用复合柔性阻尼绝缘子，它结构简单，重量轻，抗拉，抗压，抗弯曲，抗扭转，抗机械疲劳破坏。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：棒体的两端分别固定左、右连接接头和左、右均压环，左、右均压环之间的棒体上均布伞裙，所述的伞裙上均布6-10个径向的开槽，所述相邻伞裙上的开槽轴向错开。

所述的伞裙上均布6-10个圆孔或椭圆孔。

所述的棒体由柔性阻尼弹性芯和柔性阻尼弹性芯护套组成，柔性阻尼弹性芯护套包裹在柔性阻尼弹性芯外，并与之成为一体。

所述柔性阻尼弹性芯的材料为特种纤维增强型树脂或特种纤维丝束。

所述的特种纤维增强型树脂为具有优良绝缘性能的热塑性、热固性树脂或橡胶材料，如环氧树脂，硅氟树脂、有机硅树脂、有机硅橡胶、氟硅橡胶、橡胶等，也可以是热塑性、热固性树脂或橡胶材料的混合体。

所述的特种纤维丝束为具有优良绝缘性能的有机或无机纤维，如芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维等，或上述一种或多种纤维的混编体系。

所述柔性阻尼弹性芯护套和伞裙的材料为具有优良绝缘和耐老化特性的高分子塑料或橡胶，如有机氟橡胶，有机硅橡胶类、氟硅橡胶等。

本发明具有下列技术优点：(1)在基本电气、机械性能上，复合柔性和阻尼绝缘装置与刚性复合绝缘子保持一致，特别是具有不低于刚性复合绝缘子的耐受拉伸载荷性能；(2)本发明的绝缘元件是柔性的棒状体或绳状体，该柔性棒状体或绳状体在具备足够高的电气性能和拉伸破坏强度基础上，还能够在反复弯曲、卷绕和扭转后不产生任何损伤，即与刚性复合绝缘子相比，本发明具有可自然卸载压缩载荷、弯曲载荷、扭转载荷的特点。上述特点能够有效解决刚性复合绝缘子所导致或可能导致的一系列弯曲、扭转损伤/破坏问题；(3)本发明的绝缘元件在施加从1％至50％额定机械破坏负荷时，可产生0.5％～10％的弹性形变，利用该弹性性能可吸收交变载荷在刚性绝缘子和刚性金具上产生的机械冲击能量(吸收能量＝冲击力×弹性变形量)，利用该特性可有效避免或减缓交变载荷导致的绝缘子及金具的机械疲劳损伤或断裂。上述交变载荷可以是交变弯曲载荷、交变扭转载荷，也可是交变拉伸载荷，只要这种交变载荷是通过绝缘子进行传递的，那么笨发明均可利用其弹性形变吸收这种冲击能量；(4)结构简单，重量轻绝缘性能强；(5)、由于能卷绕，储存、运输、安装方便。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明示意图；

图2为本发明图1中的A-A剖视图第一实施例；

图3为本发明图1中的A-A剖视图第二实施例；

图4为本发明图1中的A-A剖视图第三实施例。

具体实施方式：

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

棒体4的两端分别固定左、右连接接头1、6和左、右均压环2、5，左、右均压环2、5之间的棒体4上均布伞裙3，所述的伞裙3上均布6-10个径向的开槽7，所述相邻伞裙3上的开槽7轴向错开。在不减小爬电距离的前提下，可大大减轻重量。如图1、2所示。

所述的伞裙3上均布6个圆孔10，如图3所示；或均布8个椭圆孔11，在不减小爬电距离的前提下，可大大减轻重量。如图4所示。

所述的棒体4由柔性阻尼弹性芯9和柔性阻尼弹性芯护套8组成，柔性阻尼弹性芯护套8包裹在柔性阻尼弹性芯9外，并与之成为一体。所述柔性阻尼弹性芯9的材料为特种纤维增强型树脂或特种纤维丝束。

所述的特种纤维增强型树脂为具有优良绝缘性能的热塑性、热固性树脂或橡胶材料，如环氧树脂，硅氟树脂、有机硅树脂、有机硅橡胶、氟硅橡胶、橡胶等，也可以是热塑性、热固性树脂或橡胶材料的混合体。

所述的特种纤维丝束为具有优良绝缘性能的有机或无机纤维，如芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维等，或上述一种或多种纤维的混编体系。

如图2-4所示，所述的左、右连接接头1、6可以由金属材料制成，也可以由制成柔性阻尼弹性芯的有机复合材料制成，也可以和柔性阻尼弹性芯一体形成。左、右连接接头1、6可为压接的环式连接金具，或带槽的环式连接金具，并使用U形环、球头挂环与子导线间隔棒球窝形成连接，球头挂环的自由旋转结构以及环与环之间的自由连接方式保证复合材料柔性阻尼绝缘装置可以自由旋转和摆动。

柔性阻尼弹性芯9及连接金具的抗拉强度不小于100kN，在架空输电线路导线存在舞动趋势时，使复合材料柔性和阻尼绝缘装置通过拉力牵扯和弹性吸能抑制导线舞动。

本发明采用了有机复合材料作为棒体，因此重量轻，且棒体为柔性和具有阻尼弹性的材料，所以复合材料柔性和阻尼绝缘装置可以弯曲、卷绕、扭转、利用阻尼特性(弹性)吸收冲击机械能量，因此本实施例的复合材料柔性和阻尼绝缘装置可以生产制造成为任意长度，方便运输和安装，适于与高压、超高压、特高压等各电压等级输电线路不同相间距离的防舞动的要求，可作为治理高山大岭等运行环境恶劣区域架空线路绝缘子和金具的弯曲/扭转破坏，以及交变/冲击载荷下机械疲劳破坏的重要措施。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种线路用复合柔性阻尼绝缘子，其特征在于：棒体(4)的两端分别固定左、右连接接头(1、6)和左、右均压环(2、5)，左、右均压环(2、5)之间的棒体(4)上均布伞裙(3)，所述的伞裙(3)上均布6-10个径向的开槽(7)，所述相邻伞裙(3)上的开槽(7)轴向错开。

2.根据权利要求1所述的线路用复合柔性阻尼绝缘子，其特征在于：所述的伞裙(3)上均布6-10个圆孔(10)或椭圆孔(11)。

3.根据权利要求1所述的线路用复合柔性阻尼绝缘子，其特征在于：所述的棒体(4)由柔性阻尼弹性芯(9)和柔性阻尼弹性芯护套(8)组成，柔性阻尼弹性芯护套(8)包裹在柔性阻尼弹性芯(9)外，并与之成为一体。

4.根据权利要求3所述的线路用复合柔性阻尼绝缘子，其特征在于：所述柔性阻尼弹性芯(9)的材料为特种纤维增强型树脂或特种纤维丝束。

5.根据权利要求4所述的线路用复合柔性阻尼绝缘子，其特征在于：所述的特种纤维增强型树脂为具有优良绝缘性能的热塑性、热固性树脂或橡胶材料，如环氧树脂，硅氟树脂、有机硅树脂、有机硅橡胶、氟硅橡胶、橡胶，或是热塑性、热固性树脂或橡胶材料的混合体。

6.根据权利要求4所述的线路用复合柔性阻尼绝缘子，其特征在于：所述的特种纤维丝束为具有优良绝缘性能的有机或无机纤维，如芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、玄武岩纤维或玻璃纤维，或上述一种或多种纤维的混编体系。

7.根据权利要求3所述的线路用复合柔性阻尼绝缘子，其特征在于：所述柔性阻尼弹性芯护套(8)的材料为有机氟橡胶类或硅橡胶类材料。

8.根据权利要求1所述的线路用复合柔性阻尼绝缘子，其特征在于：所述伞裙(3)的材料为具有优良绝缘和耐老化特性的高分子塑料或橡胶，如有机氟橡胶，有机硅橡胶或氟硅橡胶类。

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