交流盤形懸式復(fù)合瓷絕緣子試驗(yàn)研究及性能分析

常 彬，王 博，李玉超，馬 波，陳 泓，吳 波，李秀廣，方宏亮

（1.國網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，銀川 750002；2.國網(wǎng)寧夏電力公司中衛(wèi)供電公司，寧夏中衛(wèi)，755000；3.國網(wǎng)寧夏電力公司，銀川750001；4.中國國電集團(tuán)大武口熱電有限公司，寧夏石嘴山，753000）

交流盤形懸式復(fù)合瓷絕緣子試驗(yàn)研究及性能分析

常 彬1，王 博1，李玉超2，馬 波1，陳 泓3，吳 波1，李秀廣1，方宏亮4

（1.國網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，銀川 750002；2.國網(wǎng)寧夏電力公司中衛(wèi)供電公司，寧夏中衛(wèi)，755000；3.國網(wǎng)寧夏電力公司，銀川750001；4.中國國電集團(tuán)大武口熱電有限公司，寧夏石嘴山，753000）

復(fù)合瓷絕緣子作為一種新型絕緣子，已在部分輸電線路上應(yīng)用，為研究復(fù)合瓷絕緣子的性能，抽取兩個(gè)廠家的20片樣品，對(duì)復(fù)合瓷絕緣子開展表面結(jié)構(gòu)測(cè)量、憎水性、絕緣電阻測(cè)試、工頻耐壓試驗(yàn)、空氣中沖擊擊穿試驗(yàn)和機(jī)械破壞試驗(yàn)，進(jìn)而對(duì)復(fù)合瓷絕緣子的性能進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果的發(fā)現(xiàn)復(fù)合瓷絕緣子憎水性達(dá)到HC1級(jí)、且具有良好的機(jī)械性能和耐工頻交流電壓性能，但是單片絕緣子沒有通過空氣中沖擊擊穿試驗(yàn)，在耐雷擊水平上有所欠缺，其生產(chǎn)工藝、質(zhì)量需進(jìn)一步加強(qiáng)。

復(fù)合瓷絕緣子；試驗(yàn)研究；性能分析；空氣中沖擊擊穿試驗(yàn)

0 引言

復(fù)合瓷絕緣子采用了瓷的芯盤和硅橡膠的傘裙結(jié)構(gòu)，采用高強(qiáng)瓷為材料的瓷芯盤具有良好的機(jī)械性能，而高溫流化硅橡膠傘裙則具有良好的防污閃性能[1]。這個(gè)結(jié)構(gòu)充分利用了傳統(tǒng)瓷絕緣子和復(fù)合絕緣子的優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的瓷絕緣子相比，復(fù)合瓷絕緣子具有重量輕且不易破碎的特點(diǎn)，與復(fù)合絕緣子相比可以大規(guī)模的應(yīng)用于耐張桿塔上；復(fù)合瓷絕緣子的大規(guī)模應(yīng)用可以降低輸電線路的建設(shè)、安裝、運(yùn)維成本和工作量[2]。

復(fù)合瓷絕緣子目前已經(jīng)在國內(nèi)多個(gè)電網(wǎng)上掛網(wǎng)運(yùn)行，作為一種結(jié)合了瓷芯盤和復(fù)合材料傘裙的絕緣子，國家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)[3]在用空氣中沖擊擊穿試驗(yàn)進(jìn)行考核其耐雷電性能的時(shí)候，采用的是陡度法來考核，而且是瓷芯盤和界面分開考核的辦法。對(duì)于瓷芯盤的考核采用的是4 000 kV/μs的陡度，但是對(duì)于整體絕緣子的考核用的是復(fù)合絕緣子1 000～1 500 kV/μs的陡度。這種考核辦法是對(duì)于絕緣子整體耐雷擊性能的考核是比較輕的，也反映了復(fù)合瓷絕緣子在空氣中沖擊擊穿試驗(yàn)性能方面有所不足，國內(nèi)學(xué)者從絕緣子總體性能方面出發(fā)，認(rèn)為應(yīng)該用幅值法統(tǒng)一絕緣子空氣中沖擊擊穿試驗(yàn)方法[4]。

除了對(duì)于空氣中沖擊擊穿試驗(yàn)的研究外，國內(nèi)外對(duì)于復(fù)合瓷絕緣子機(jī)械性能和嗲氣性能的研究還比較少。針對(duì)復(fù)合瓷絕緣子的結(jié)構(gòu)、機(jī)械、電氣等方面的性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，綜合分析試驗(yàn)結(jié)果為復(fù)合瓷絕緣子的掛網(wǎng)運(yùn)行提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及依據(jù)，以減少以后運(yùn)行維護(hù)中出現(xiàn)的問題，并對(duì)其安裝區(qū)域及外部環(huán)境提出合理化建議。

1 復(fù)合瓷絕緣子試驗(yàn)研究

1.1 結(jié)構(gòu)尺寸及憎水性試驗(yàn)

本次試驗(yàn)抽取A、B兩個(gè)廠家共計(jì)20片新制復(fù)合瓷絕緣子樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和分析。其尺寸檢查、憎水性、外觀檢查見表1-表3及圖1，圖2。

表1 試品銘牌參數(shù)Table 1 Test parameters on the nameplate

表2 試品結(jié)構(gòu)尺寸檢查結(jié)果Table 2 Test results of structure size

表3 試品憎水性、外觀檢查試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of hydrophobicity and appearance Inspection

圖1 復(fù)合瓷絕緣子整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Integral structure of composite porcelain insulator

圖2 復(fù)合瓷絕緣子剖開結(jié)果圖Fig.2 The picture of the cut composite insulator

由表1-表3及圖1-圖2可知A廠家結(jié)構(gòu)高度在145～150 mm之間，直徑在326～330 mm之間，爬電距離在446～462mm之間；B廠家結(jié)構(gòu)高度為146～151mm，直徑為321～328 mm，爬電距離為449～459 mm。A、B廠家所送20片樣品憎水性均為HC1，見圖3，圖4尺寸檢查均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且外觀良好無破損[3]。

圖3 試品上表面憎水性測(cè)試Fig.3 Surface hydrophobicity test

圖4 試品下表面憎水性測(cè)試Fig.4 The bottom surface hydrophobicity test

1.2 電氣試驗(yàn)前絕緣電阻測(cè)試

絕緣電阻試驗(yàn)在進(jìn)行電氣性能試驗(yàn)前進(jìn)行測(cè)試，要求電氣試驗(yàn)后絕緣電阻值不允許降低，電氣試驗(yàn)前絕緣電阻值見表4。

表4 電氣試驗(yàn)前絕緣電阻測(cè)試結(jié)果Table 4 Test results of insulation resistance before electrical test

由表4可以看出1-20試品絕緣電阻值均符合標(biāo)準(zhǔn)要求[3]，但是B廠家的試品測(cè)試值明顯高于A廠家，說明B廠家樣品絕緣性能較好。

1.3 電氣性能試驗(yàn)

針對(duì)復(fù)合瓷絕緣子的外絕緣性能，分別進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試、干工頻耐壓試驗(yàn)和空氣中沖擊擊穿耐受試驗(yàn)。

1.3.1 干工頻耐壓試驗(yàn)

對(duì)兩個(gè)廠家20片樣品分別進(jìn)行干工頻耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 干工頻耐壓試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results of dry power frequency voltage withstand test

由表5可以看出，20片試品均通過80千伏一分鐘干工頻交流耐壓試驗(yàn)，表明復(fù)合瓷絕緣子耐工頻交流電壓性能較好。

1.3.2 工頻擊穿耐受試驗(yàn)

將清潔干燥的絕緣子完全浸人盛有合適絕緣介質(zhì)的容器內(nèi)，以防止絕緣子表面放電。如容器是金屬制成的，則其尺寸應(yīng)足夠大，使得絕緣子的任何部分與容器壁間最短距離不小于絕緣子最大傘徑的1.5倍。絕緣介質(zhì)溫度應(yīng)接近于室溫[3-5]，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

由表6可以看出復(fù)合瓷絕緣子具有較好的耐工頻電壓性能，本次試驗(yàn)中120 kV規(guī)定最小擊穿電壓為技術(shù)協(xié)議文件中規(guī)定。

1.3.3 空氣中沖擊擊穿耐受試驗(yàn)

采用空氣中沖擊擊穿試驗(yàn)來評(píng)估絕緣子耐受雷電沖擊的水平，本次抽樣的試品是1-20號(hào)由瓷芯盤、高溫硫化硅橡膠傘套和金屬附件構(gòu)成，根據(jù)國家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)[3]關(guān)于復(fù)合瓷絕緣子的定義此次樣品屬于A類復(fù)合瓷絕緣子，所以本次試驗(yàn)每片試品正負(fù)極各沖擊25次，陡度在1000 kV/μs-1500 kV/μs之間，每次沖擊應(yīng)在電極外部閃絡(luò)，不發(fā)生絕緣體、界面和傘套擊穿或損壞[3]，其試驗(yàn)結(jié)果見表7、圖5-圖8。

表6 工頻擊穿耐壓試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Test results of power frequency breakdown voltage

表7 沖擊擊穿試驗(yàn)結(jié)果Table.7 Test results of impulse voltage breakdown

由表7可知B廠有4片未通過沖擊擊穿試驗(yàn)，A廠有3片未通過試驗(yàn)，7片未通過試驗(yàn)的試品有6片是在負(fù)極性時(shí)擊穿，1片在正極性擊穿，可見對(duì)于本試驗(yàn)來說，負(fù)極性的考核對(duì)復(fù)合瓷絕緣子更嚴(yán)格。

圖5 通過試驗(yàn)試品正極性波形Fig.5 Positive polarity waveform of the test specimen

由圖5-圖8可知通過沖擊擊穿試驗(yàn)的波形在外部閃絡(luò)，陡度較高，未通過試驗(yàn)的波形在內(nèi)部擊穿，陡度較小。

圖6 通過試驗(yàn)試品負(fù)極性波形Fig.6 Negative polarity waveform of test specimen

圖7 9號(hào)試品正極性絕緣擊穿波形Fig.7 Positive polarity dielectric breakdown waveform for No.9 test specimen

圖8 15試品負(fù)極性絕緣擊穿波形Fig.8 Negative polarity dielectric breakdown waveform for 15 test specimen

1.4 電氣試驗(yàn)后絕緣電阻測(cè)試

對(duì)1-20號(hào)試品進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試，并與試驗(yàn)前的絕緣電阻值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在通過陡波試驗(yàn)的試品絕緣電阻值與試驗(yàn)前相比均未降低，而未通過試品絕緣電阻值均低于標(biāo)準(zhǔn)要求，可以認(rèn)為是零值或低值絕緣子，其前后對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見表8。

由表8可知被擊穿絕緣子絕緣電阻值均小于標(biāo)準(zhǔn)要求的500 MΩ，與試驗(yàn)前相比絕緣子的絕緣性能基本喪失。

表8 電氣試驗(yàn)前后絕緣電阻測(cè)試結(jié)果對(duì)比Table 8 Comparison of test results of insulation resistance before and after electrical test

1.5 機(jī)械性能試驗(yàn)

1.5.1 機(jī)械破壞負(fù)荷試驗(yàn)

將試品組成4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)短串進(jìn)行機(jī)械破壞試驗(yàn)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)短串由5片絕緣子組成，將其安裝在臥式拉力機(jī)上，拉伸負(fù)荷應(yīng)平穩(wěn)、迅速地從零增加到約為規(guī)定機(jī)械破壞負(fù)荷的75%，然后以每分鐘100%～35%規(guī)定機(jī)械破壞負(fù)荷的速度（相當(dāng)于在15s～45s時(shí)間內(nèi)達(dá)到規(guī)定機(jī)械破壞負(fù)荷）逐步增加到破壞負(fù)荷為止，并記錄該數(shù)值[3，5]。其試驗(yàn)結(jié)果見表9，部分試驗(yàn)波形見圖9，圖10。

表9 機(jī)械破壞試驗(yàn)結(jié)果Table 9 Test results of mechanical failure

圖9 標(biāo)準(zhǔn)短串1機(jī)械破壞試驗(yàn)波形Fig.9 Mechanical failure test waveforms of No.1 standard short string

圖10 標(biāo)準(zhǔn)短串3機(jī)械破壞試驗(yàn)波形Fig.10 Mechanical failure test waveforms of No.3 standard short string

由表9、圖9、圖10可知1-4號(hào)標(biāo)準(zhǔn)短串的機(jī)械破壞負(fù)荷分別為133.49 kN、112.57 kN、106.36 kN、128.64 kN均超過了100 kN，根據(jù)國家電網(wǎng)公司標(biāo)準(zhǔn)[3]對(duì)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算判定，如下式（1），其中-x1為抽樣試驗(yàn)結(jié)果平均值；SFL為規(guī)定的機(jī)械破壞負(fù)荷，本次試驗(yàn)為100 kN；C1為計(jì)算常數(shù)，四個(gè)樣本取1；δ1為抽樣試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

將具體數(shù)值帶入公式得：

由計(jì)算結(jié)果可知抽樣結(jié)果平均值滿足式（1）要求，則說明試品通過機(jī)械破壞負(fù)荷試驗(yàn)，這說明復(fù)合瓷絕緣子具有較好的機(jī)械性能。

1.5.2 殘余機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)

將25片試品表面硅橡膠剖離，并將瓷芯敲碎僅保留鋼帽和鋼腳，注意在清除瓷芯是不要傷害到鋼帽內(nèi)部絕緣介質(zhì)及其連接部分，以保證足夠的機(jī)械強(qiáng)度，處理后的試品見圖11[3-10]。

圖11 殘余機(jī)械強(qiáng)度試品圖Fig.11 Residual mechanical strength test

將處理后的試品逐一進(jìn)行機(jī)械破壞試驗(yàn)其試驗(yàn)結(jié)果見表10。

由表10的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，交流盤形懸式復(fù)合瓷絕緣子的殘余機(jī)械性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，在運(yùn)行中完全可以滿足輸電線路對(duì)其機(jī)械性能的要求。

2 復(fù)合瓷絕緣子性能分析

2.1 結(jié)構(gòu)特性分析

交流盤形懸式復(fù)合瓷絕緣子在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上和相同噸位防污雙傘型瓷或玻璃絕緣子一致，本次試品與U100BELP型瓷或玻璃絕緣子結(jié)構(gòu)高度、爬電距離基本一致，可以做到完全替換，且采用磁芯與外傘套相結(jié)合的方式，使其在防污閃和憎水性上具有和復(fù)合絕緣子相似的特性[5]，其結(jié)構(gòu)見圖12。

表10 殘余機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 10 Test results of residual mechanical strength test

圖12 復(fù)合瓷絕緣子結(jié)構(gòu)示意圖Fig.12 Schematic diagram of composite porcelain insulator

由圖12可知，復(fù)合瓷絕緣子由鐵帽、鋼腳、瓷芯、及外護(hù)套幾部分組成，通過對(duì)絕緣子的抽樣試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)尺寸基本和瓷或玻璃絕緣子一致，憎水性試驗(yàn)結(jié)果為HC1，其良好的憎水性對(duì)輸電線路防污及增爬起到了一定的作用[6-7]。

2.2 機(jī)械特性分析

復(fù)合瓷絕緣子在運(yùn)行中要受到導(dǎo)線荷載、風(fēng)荷載、不平衡張力、覆冰、舞動(dòng)等機(jī)械力的作用，其機(jī)械性能的好壞將將直接影響輸電線路的安全穩(wěn)定[6-7]。

從本次機(jī)械破壞負(fù)荷試驗(yàn)和殘余機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)短串的機(jī)械破壞負(fù)荷均大于100 kN，每個(gè)試品的分離破壞負(fù)荷及金屬破壞負(fù)荷均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，說明單片絕緣子的機(jī)械性能滿足線路運(yùn)行要求，無論是機(jī)械破壞負(fù)荷的標(biāo)準(zhǔn)偏差還是殘余機(jī)械強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)偏差均較小，說明絕緣子機(jī)械性能較為一致，質(zhì)量較為統(tǒng)一，保證了復(fù)合瓷絕緣子機(jī)械性能的穩(wěn)定，不會(huì)輕易發(fā)生掉線的事故。

2.3 絕緣性能及電氣性能分析

復(fù)合瓷絕緣子作為導(dǎo)線與桿塔的絕緣件，要求其具有優(yōu)良的絕緣性能及相關(guān)的電氣性能，綜合對(duì)比各個(gè)試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

復(fù)合瓷絕緣子在干工頻耐受電壓試驗(yàn)中表現(xiàn)出色，20片試品全部通過試驗(yàn)，合格率為100%，說明其對(duì)工頻電壓的耐受能力良好，可靠性較高[8]。

復(fù)合瓷絕緣子絕緣電阻值分別在電氣試驗(yàn)前后測(cè)量，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，全部試品的絕緣電阻值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)程規(guī)定的值，且電氣試驗(yàn)后未被擊穿的試品絕緣電阻值均未降低，其具有非常可靠的絕緣性能[9]。

空氣中沖擊耐壓試驗(yàn)中共有7片復(fù)合瓷絕緣子被擊穿，結(jié)合絕緣電阻的測(cè)試結(jié)果分析，復(fù)合瓷絕緣子試驗(yàn)后絕緣性能幾乎完全喪失，說明絕緣子內(nèi)部瓷芯擊穿。而陡波沖擊試驗(yàn)主要考核的是復(fù)合瓷絕緣子界面及耐雷電沖擊的性能，復(fù)合瓷絕緣子的耐雷水平還有待提高。

2.4 復(fù)合瓷絕緣子運(yùn)行狀況

自2003年6月以來，復(fù)合瓷絕緣子至今已在10多個(gè)省、市、自治區(qū)掛網(wǎng)運(yùn)行；特別是在山東省內(nèi)80多個(gè)供電公司所轄的電網(wǎng)工程中使用較多，共掛網(wǎng)20萬余片，目前運(yùn)行情況良好，未發(fā)送因電氣、機(jī)械等性能問題而引起的故障或事故。

3 結(jié)論

1）復(fù)合瓷絕緣子的整體結(jié)構(gòu)特征與相同噸位瓷或玻璃絕緣子相似，可以替代瓷或玻璃絕緣子應(yīng)用于輸電線路中。

2）復(fù)合瓷絕緣子機(jī)械破壞強(qiáng)度較高且機(jī)械破壞負(fù)荷偏差不大，其機(jī)械性能滿足輸電線路的運(yùn)行要求。

3）復(fù)合瓷絕緣子與傳統(tǒng)的瓷或玻璃絕緣子相比具有較好的憎水性及耐污閃特性，適用于污穢程度較高的輸電線路區(qū)段。

4）通過對(duì)比絕緣電阻測(cè)試及空氣中沖擊擊穿試驗(yàn)結(jié)果，復(fù)合瓷絕緣子的耐雷電沖擊性能不強(qiáng)，7片擊穿的絕緣子中有6片在負(fù)極性擊穿，且都在10次沖擊以內(nèi)，擊穿后絕緣電阻值幾乎為零，導(dǎo)則絕緣子整體耐雷水平較差，綜上所述復(fù)合瓷絕緣子不適用于多雷區(qū)的線路。

[1]張方正，楊新法，沈慶河.絕緣子產(chǎn)品領(lǐng)域的一顆耀眼新星—高強(qiáng)度耐污閃的盤形懸式瓷復(fù)合絕緣子[J].電力設(shè)備，2005，6（3）:111-112.ZHANG Fangzheng，YANG Xinfa，SHEN Shen.A new type of high strength and anti pollution flashover in the field of insulator products[J].Electric Power Equipment，2005，6（3）:111-112.

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[4]宿志一.空氣中沖擊擊穿試驗(yàn)在線路絕緣子檢測(cè)中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2014，38（7）:1798-1805.SU Zhiyi.Impulse puncture tests in air applied in line insu?lator detecting test[J].Power System Technology，2014，38（7）:1798-1805.

[5]GB/T 1001.1-2003，標(biāo)稱電壓高于1000 V的架空線路絕緣子第1部分:交流系統(tǒng)用瓷或玻璃絕緣子元件—定義、試驗(yàn)方法和判定準(zhǔn)則[S].GB/T 1001 1-2003，nominal voltage above 1000 V of overhead line insulators in first parts:AC system with por?celain or glass insulator components-Definitions，test methods and criteria[S].

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Experimental Investigation and Performance Analysis of the Composite Porcelain Suspension Insulator for AC System

CHANG Bin1,WANG Bo1,LI Yuchao2,MA Bo1,CHEN Hong3,WU Bo1,LI Xiuguang1,FANG Hongliang4
（1.Electric Power Research Institute,State Grid Ningxia Electric Power Company，Yinchuan 750002,China;2.Zhongwei Electric Power Supply Company,State Grid Ningxia Electric Power Company,Zhongwei 755000,China;3.State Grid Ningxia Electric Power Company,Yinchuan 750001,China;4.Dawukou Thermal Power Co.,Ltd.,China Guodian Group,Shizuishan 753000,China）

As a novel insulator,composite porcelain suspension insulator has been used in some power lines.In order to investigate the performance of composite porcelain suspension insulator,this pa?per selects 20 samples from two manufacturers.By comparing the structure,hydrophobicity,insulation re?sistance test,impulse puncture test in air and mechanical breakdown test of these insulators,the perfor?mance of composite porcelain suspension insulator is analyzed.The composite porcelain suspension insu?lator has excellent mechanical property and electrical property in power frequency voltage withstand test.The hydrophobicity reach HC1 level in water spray test.However,they fail in impulse puncture test in air,revealing its weakness in lightning withstand ability.Its manufacturing technique and quality should be improved to fit the requirement of power system.

composite porcelain suspension insulator；experimental investigation；performance analysis；impulse puncture test

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.033

2016-06-17

常彬（1985—），男，助理工程師，主要從事高壓試驗(yàn)和輸電線路相關(guān)工作。