随着特高压输变电项目的不断建设，绝缘子的使用数量急剧增长。绝缘子作为输电线路上不可或缺的关键部件，起着防止电流回地和支撑导线的重要作用，直接影响着输电线路的安全稳定性。近年来，特高压工程中出现的多起瓷绝缘子头部断裂事故表明，在绝缘子头部结构、材料等方面的设计仍存在盲区，未能充分考虑特高压大吨位瓷绝缘子的外部使用条件。

对此，国网江苏省电力有限公司电力科学研究院、东南大学电气工程学院的李群、高嵩等学者，对特高压大吨位瓷绝缘子可靠性进行研究。通过大量试验，对绝缘子的多项生产工艺进行了改进，最终得到了低质量、低投入、高性能的特高压大吨位悬式瓷绝缘子。试验结果表明，改型后的绝缘子机电破坏性能可提升16.5%左右。

随着我国特高压输变电技术的不断突破，未来五年里，我国将迎来一系列特高压输变电工程的建设。为了提高特高压输电线路的输送容量，降低线路损耗，常常采用提高导线分裂数或导线截面积的方式，但同时也造成了绝缘子载荷增加。传统输电线路所用绝缘子难以承载如此大的机械应力，因此必须使用机械强度更高的400 kN及以上特高压大吨位绝缘子。

然而，随着使用年限的增长，投入使用的国产400 kN及以上特高压大吨位绝缘子频繁出现劣化现象，影响电网安全稳定运行。近年来，特高压交、直流工程中出现的多起瓷绝缘子头部断裂情况表明，当前在绝缘子的头部结构、材料等方面的设计还存在盲区。因此，有必要对绝缘子头部结构进行优化，增强其机电性能。

瓷绝缘子劣化问题主要有以下几个原因。首先，当绝缘子所处环境温度剧烈变化时，作为绝缘子主要组成成分的长石、石英和黏土等材料会因膨胀系数不同，在绝缘子内部产生不同程度的延展和收缩，从而破坏绝缘子内部结构，导致绝缘子产生内部缺陷。其次，绝缘子在运行过程中长期暴露在恶劣环境中，物理上需要承受工频电弧电流、雷电冲击电流；机械上需要支撑导线，承受导线摆动及自身重力等力的作用。

这些复杂情况都不可避免地加剧了绝缘子劣化。针对上述情况，有学者利用计算机模拟分析了95氧化铝绝缘子烧成过程，对烧成工艺进行优化，也有部分学者通过优化复合绝缘子胶装剂配方以及绝缘子钢脚加工工艺来提高绝缘子机械强度。另外，通过制备防冰涂层材料、超疏水涂层及防尘涂层来减小环境因素给绝缘子造成的影响也是主要方向之一。当前提高绝缘子机电性能的方法大多集中在生产工艺改进和制备涂层两个方面，对最容易发生脆断的瓷绝缘子头部进行结构优化的研究较少。

近年来，有限元分析方法被研究人员广泛应用于开关设备、导线等设计中。国网江苏省电力有限公司电力科学研究院、东南大学电气工程学院的研究者，以特高压大吨位悬式绝缘子为研究对象，通过对其头部结构、胚料配方和生产工艺进行优化调整，进而提高绝缘子整体机电性能。

图1 三伞绝缘子二维模型

图2 绝缘子仿真模型

研究者利用有限元分析软件Ansys对特高压大吨位悬式绝缘子头部进行优化设计，通过对绝缘子进行力学分析，得出绝缘子最大应力随砂粒高度、壁厚、顶厚的增加呈现出先减小后增大的变化趋势；通过对绝缘子头部进行电场强度计算，得出绝缘子最大电场强度随壁厚、顶厚、外角、内角及砂粒高度变化的曲线。最终确定特高压大吨位瓷绝缘子头部最优结构参数分别为壁厚H=23 mm、顶厚h=22 mm、砂粒高度h1=0.6 mm。

图3 三伞绝缘子计算模型

他们通过工业氧化铝原料质量控制技术，以及创新性地在原料生产流程中加入砂磨工艺，消除了15 μm以上的颗粒造成的绝缘子瓷件表面晶相和气孔分布不均的不利影响，解决了铝质高强度瓷强度水平低和分散性大的缺陷。同时基于大量试验优化了绝缘子头部釉配方，从多方面对绝缘子砂磨、裹釉砂和烧成三个工艺环节进行改进，最终得到低质量、高性能的特高压大吨位悬式绝缘子。

表1 改型前绝缘子机电破坏负荷试验结果

表2 改型后绝缘子机电破坏负荷试验结果

试验结果表明，改型后绝缘子机电破坏性能明显提升16.5%左右，有效地提高了特高压大吨位瓷绝缘子的机械强度和运行可靠性。

本工作成果发表在2023年第19期《电工技术学报》，论文标题为“国产特高压大吨位悬式瓷绝缘子机电性能提升与工艺优化方法”。