±800 kV楚穗直流棒形懸式復(fù)合絕緣子運(yùn)行性能研究

蘇國磊，張建剛，曾彥珺，孫曉瑜，樊友平

（1.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司檢修中心，廣州510000；2.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢430072）

0 引言

復(fù)合絕緣子目前以重量輕、體積小、耐污性能好、機(jī)械強(qiáng)度高以及絕緣強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用在交直流輸電線路上[1-2]。因為它具有良好的耐污性能，這些絕緣子大多分布在污穢嚴(yán)重或者氣候條件復(fù)雜的地區(qū)，比如工業(yè)區(qū)、火力發(fā)電廠、沿海等區(qū)域[3-5]。長時間的運(yùn)行中，復(fù)合絕緣子不僅遭受強(qiáng)電場的作用，還受到長時間的日照、污穢和溫差等因素的作用[6]，嚴(yán)重影響了復(fù)合絕緣子的機(jī)械強(qiáng)度、耐污能力和電氣性能。因此，對高壓輸電線路上復(fù)合絕緣子運(yùn)行性能的監(jiān)測和研究十分有必要。

目前，南方電網(wǎng)110 kV及以上電壓等級使用復(fù)合絕緣子的線路共4 693條，其中交流線路占絕大多數(shù)，超高壓及以上的輸電線路中交流500 kV共218條，直流±500 kV共3條，直流±800 kV線路1條，是本文復(fù)合絕緣子試品取樣的來源：楚穗直流。文獻(xiàn)[7]對楚穗直流線路耐張串復(fù)合絕緣子傘裙主要進(jìn)行了FTIR紅外光譜分析，對運(yùn)行了5年的耐張串復(fù)合絕緣子的傘裙老化特性進(jìn)行了綜合評價；文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]對±800 kV特高壓直流耐張串復(fù)合絕緣子進(jìn)行了一系列的性能測試；文獻(xiàn)[10]主要對一批220 kV復(fù)合絕緣子的機(jī)電性能進(jìn)行了試驗研究；文獻(xiàn)[11]對高海拔區(qū)線路運(yùn)行復(fù)合絕緣子的性能進(jìn)行了評估和分析；文獻(xiàn)[12]對浙江電網(wǎng)110 kV和220 kV線路復(fù)合絕緣子的電氣及力學(xué)性能進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[14]分別對運(yùn)行中的直流復(fù)合絕緣子的憎水性分布規(guī)律和機(jī)械性能進(jìn)行了測試和研究。

本文主要針對運(yùn)行了6年的±800 kV楚穗直流復(fù)合絕緣子進(jìn)行了溫升情況檢測、憎水性測試、傘裙材料性能檢測、水煮及陡波試驗、運(yùn)行電壓和工頻電壓試驗、密封性能試驗以及機(jī)械破壞試驗；對在±800 kV楚穗直流上運(yùn)行了6年的復(fù)合絕緣子的性能進(jìn)行了研究，為今后對復(fù)合絕緣子的設(shè)計和相關(guān)運(yùn)行性能的研究提供了參考。

1 試品情況

選取中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司所管轄的±800 kV楚穗直流輸電線路上使用的5支棒形懸式復(fù)合絕緣子，其連接方式和連接金具均為壓接和頭窩，抽檢的復(fù)合絕緣子參數(shù)見表1。

通過對這5支復(fù)合絕緣子試品進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)該5支試品的端部金屬附件和金具連接部位均未發(fā)現(xiàn)異常，而傘裙表面臟污嚴(yán)重，其中15E4號復(fù)合絕緣子的傘出現(xiàn)變形，其他4支試品的高壓端均發(fā)黑嚴(yán)重。

表1 現(xiàn)場運(yùn)行絕緣子試品編號表Table 1 Number table of site running insulator samples

2 復(fù)合絕緣子紅外溫升測試

復(fù)合絕緣子溫度異常是指其局部表面不明原因的溫度升高。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，截止2012年，南方電網(wǎng)復(fù)合絕緣子發(fā)生溫度異常的線路有4條，分別是交流110 kV、交流500 kV、直流±500 kV和直流±800 kV；其中在交流500 kV下產(chǎn)生溫升異常的復(fù)合絕緣子數(shù)量最多達(dá)到99支，在直流±800 kV線路上有5支復(fù)合絕緣子產(chǎn)生異常溫升現(xiàn)象。

復(fù)合絕緣子的溫度異?？赡苁怯山^緣子內(nèi)部缺陷造成的，因此，通過檢測溫度異?？捎糜诎l(fā)現(xiàn)絕緣子內(nèi)部缺陷、局部破損等故障。

根據(jù)試品吊裝方式的不同，對5支試品按運(yùn)行電壓（800 kV）逐支分段，按長度施加相應(yīng)工頻電壓進(jìn)行試驗，見圖1。

圖1 絕緣子紅外溫升測試Fig.1 Infrared temperature rise test of insulators

耐受30 min后進(jìn)行紅外測溫，檢測是否有發(fā)熱、閃絡(luò)和損壞現(xiàn)象。其中，1—5號試品分別分為2、2、12、12和8段進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果見圖2。

由試驗結(jié)果可看出：

1）分段數(shù)越少的復(fù)合絕緣子，所檢測到的溫升情況越嚴(yán)重。

2）分段數(shù)較多的3、4和5號絕緣子，每段溫升大小相近，在0.5～1 k間，溫升情況比較理想；而1和2號復(fù)合絕緣子溫升較高，在1.9～3 k間，溫升比較大。

圖2 絕緣子紅外溫升測試結(jié)果Fig.2 The test results of infrared temperature rise test of insulators

3 復(fù)合絕緣子材料性能測試

3.1 憎水性（污穢度）試驗

復(fù)合絕緣子具有很好的防污閃性能的主要原因是它傘裙良好的憎水遷移性，因此，對運(yùn)行了6年的楚穗直流復(fù)合絕緣子進(jìn)行憎水性試驗，從而判斷該復(fù)合絕緣子老化程度，是非常有必要的。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，目前對復(fù)合絕緣子的憎水性能的判定的方法有兩種，分別是噴水分級法（HC法）和靜態(tài)接觸角法（CA法）。本文選用的判定方法為噴水分級法（HC法），即利用噴壺向涂有RTV涂料的絕緣子噴水。憎水遷移性指標(biāo)評估分級見表2。

表2 憎水遷移性指標(biāo)評估分級表Table 2 INES of indicator assessment ofhydrophobic mobility

分別對5支試品的高壓端、中間段和低壓端傘裙各選取1片大傘的傘裙上表面進(jìn)行憎水測試[15]，測試結(jié)果見圖3。

由測試結(jié)果可看出：

1）15E3號的低壓端和15E5號的高壓端的憎水性等級明顯高于其他試品，說明其絕緣子相應(yīng)區(qū)域的憎水性減弱較嚴(yán)重。

2）試品中出現(xiàn)3支絕緣子的憎水性等級高于HC4，達(dá)到了預(yù)警或者退出的評估等級，應(yīng)對該取樣區(qū)域的復(fù)合絕緣子再進(jìn)行抽樣檢測，并且及時更換不符合規(guī)范的復(fù)合絕緣子；對于憎水性等級處于HC2～HC3的復(fù)合絕緣子，則經(jīng)過3年左右要對該憎水性能進(jìn)行抽樣檢測。

圖3 復(fù)合絕緣子試品傘裙表面憎水性等級Fig.3 The surface hydrophobicity grade of shed of composite insulators

3.2 傘裙材料試驗

分別從15E1號、15E5號樣品的高壓端、中間段、低壓端大傘傘裙中取樣，磨片制作膠料試片，分別進(jìn)行傘裙材料的硬度、拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、耐漏電起痕等項目測試。

測試結(jié)果表明，試品15E1號和15E5號的撕裂強(qiáng)度分別為12 kN/m和10.5 kN/m，大于標(biāo)準(zhǔn)要求值7 kN/m；其拉伸強(qiáng)度分別為5.2 Mpa和6.3 Mpa，大于標(biāo)準(zhǔn)要求值3 Mpa；其表面硬度分別為74～77 A和73～76 A，大于標(biāo)準(zhǔn)要求值50 A；其磨片后硬度分別為69～71 A和65～67 A，也分別大于標(biāo)準(zhǔn)要求50 A。因此，該復(fù)合絕緣子的撕裂強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、表面硬度和磨片后硬度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

針對傘裙材料的耐漏電起痕試驗，將規(guī)格為120 mm×50 mm×6 mm的試品浸在流速為0.6 ml/min和電阻率為395 Ω·cm的污染液中，持續(xù)施加大小為4.5 kV的電壓6 h，然后對樣品的最大蝕損深度進(jìn)行測量。

試驗結(jié)果表明，試品15E1號和15E5號的最大蝕損深度分別為0.3～0.9 mm和0.5～1mm，遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的2.5 mm。因此該復(fù)合絕緣子的傘裙材料耐漏電起痕實(shí)驗結(jié)果是合格的。

4 復(fù)合絕緣子電氣性能測試

4.1 水煮及陡波試驗

水煮及陡波前沖擊耐受試驗是用于檢測復(fù)合絕緣子的界面粘接是否良好以及復(fù)合絕緣子是否存在內(nèi)部缺陷。

取15E3號和15E4號試品放入水煮試驗槽中，加水至規(guī)定的水量，按規(guī)定加入0.1%NaCl，保持沸騰42 h，沸騰時間結(jié)束后，試品仍保留在水煮槽中，直到水冷卻至大約50℃，然后取出試品進(jìn)行外觀觀察[15]。

將水煮后的2支試品分別進(jìn)行陡波前沖擊電壓試驗。將電極牢固地緊繞在試品護(hù)套或金具附件上，絕緣子上、中、下各取1 m分2段，共6段。將陡度不小于1 000 kV/μs.且不大于1 500 kV/μs的沖擊電壓施加到金屬附件與相鄰的電極上，每個區(qū)段陡波應(yīng)分別承受25次正極性沖擊和25次負(fù)極性沖擊，若試品未擊穿、未損壞即為合格。水煮后陡波前沖擊耐受試驗波形見圖4。

圖4 水煮后陡波前沖擊耐受試驗波形Fig.4 Test waveforms of steep wave impulse withstand after boiled

經(jīng)過水煮試驗后，試品的外觀未現(xiàn)異常；陡波試驗后，試品均未出現(xiàn)傘裙和護(hù)套被擊穿或者損壞的現(xiàn)象。

4.2 工頻電壓耐受試驗

經(jīng)過水煮試驗后的工頻電壓耐受試驗可以很好地反映復(fù)合絕緣子的老化程度以及發(fā)熱情況。首先將陡波沖擊試驗后的2支試品，整支按運(yùn)行電壓分段（80 kV/m）干耐受30 min，其試驗條件見表3，測其溫升結(jié)果見圖5。

表3 運(yùn)行電壓干耐受30min試驗條件Table 3 Test conditions of 30min dry withstand of operating voltage

接著將上述試驗后的2支試品分段施加電壓，以1 m的絕緣距離施加300 kV×80%（240 kV）工頻電壓持續(xù)30 min，其試驗條件見表4，測其溫升見圖6。

圖5 運(yùn)行電壓干耐受30 min溫升情況Fig.5 Temperature rise of 30 min of dry withstand operating voltage

表4 工頻電壓耐受30 min試驗條件Table 4 Test conditions of 30 min dry withstand of frequency voltage

圖6 工頻電壓耐受30 min溫升情況Fig.6 Temperature rise of 30 min of dry withstand frequency voltage

從圖6可看出：

1）無論是運(yùn)行電壓干耐受試驗還是工頻電壓耐受試驗，復(fù)合絕緣子試品的各段溫升均小于20 K，故滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）復(fù)合絕緣子15E3號的溫升最高達(dá)14 K，遠(yuǎn)高于15E4號的最高溫升3.4 K。

5 復(fù)合絕緣子機(jī)械破壞性能測試

復(fù)合絕緣子在運(yùn)行中，不僅受到強(qiáng)電場的作用，風(fēng)吹雨打和日曬的侵蝕，同樣其也是連接線路和鐵塔的主要受力負(fù)荷。實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗表明，復(fù)合絕緣子掉串和其芯棒脆斷的事故時有發(fā)生，因此關(guān)注復(fù)合絕緣子的機(jī)械性能對輸電線路的安全運(yùn)行具有重要的意義。尤其是線路上運(yùn)行多年之后的復(fù)合絕緣子，該復(fù)合絕緣子的殘余機(jī)械強(qiáng)度更是受到廣泛關(guān)心。本文標(biāo)準(zhǔn)DL/T 864—2004，對試品進(jìn)行了密封性能測試、額定機(jī)械負(fù)荷耐受以及機(jī)械負(fù)荷破壞試驗。

5.1 密封性能測試

密封性能試驗是檢測絕緣子傘套和端部附件間界面的密封性能。如果密封出現(xiàn)開裂等問題，則會導(dǎo)致外部酸雨通過縫隙滲入到芯棒，從而造成對芯棒的腐蝕，進(jìn)一步，則會造成絕緣子機(jī)械強(qiáng)度的下降，最后甚至可以引發(fā)芯棒斷裂或者絕緣子掉串等事故，危機(jī)電網(wǎng)運(yùn)行安全。

取試品15E1號和15E5號樣品，分別施加70%額定機(jī)械負(fù)荷耐受1 min，兩端金具包膠密封處浸染品紅溶液20 min，然后用酒精清洗表面后剖檢試品，進(jìn)行相關(guān)的檢查[15]。抽取的2支絕緣子樣品的金屬附件與絕緣套間未出現(xiàn)滲透現(xiàn)象，即該2支負(fù)荷絕緣子均通過了密封性能測試。試品密封性能測試見圖7。

圖7 絕緣子密封性能測試Fig.7 Seal performance test of insulators

5.2 機(jī)械耐受及破壞試驗

在進(jìn)行密封性能測試后，將樣品15E1號和15E5號，分別施加額定機(jī)械負(fù)荷（大于70%額定機(jī)械負(fù)荷）1 min進(jìn)行耐受試驗，2支樣品均未損壞。

經(jīng)過上述額定機(jī)械負(fù)荷耐受1 min后，對該2支試品進(jìn)行機(jī)械負(fù)荷破壞試驗[15]，實(shí)驗過程中，其破壞負(fù)荷分別為486 kN和341 kN，約為額定負(fù)荷300 kN和210 kN的1.6倍，且破壞形式為夾具拉斷，試品完好。因此可見，該復(fù)合絕緣子的機(jī)械性能保持良好。試品機(jī)械破壞試驗見圖8。

圖8 絕緣子機(jī)械破壞試驗Fig.8 Mechanical failure test of insulators

6 結(jié)論

對抽取的5支±800 kV楚穗直流復(fù)合絕緣子進(jìn)行了性能的研究，可以得到以下結(jié)論：

1）抽樣的復(fù)合絕緣子有不同程度的溫升現(xiàn)象發(fā)生，可能與其表面臟污嚴(yán)重有關(guān)，建議加強(qiáng)定期對抽樣區(qū)域復(fù)合絕緣子進(jìn)行紅外溫升巡檢，預(yù)防和發(fā)現(xiàn)線路上的復(fù)合絕緣子出現(xiàn)發(fā)熱情況。

2）試品復(fù)合絕緣子的傘裙材料性能保持良好，但是整體憎水性保持情況一般，有3支試品的憎水性能級別超過HC4，因此需對該樣品復(fù)合絕緣子區(qū)域進(jìn)行再抽樣檢測，發(fā)現(xiàn)憎水性能下降嚴(yán)重的需及時采取相關(guān)措施，以防復(fù)合絕緣子防污閃性能下降，從而影響線路運(yùn)行安全。

3）經(jīng)過檢測，試品復(fù)合絕緣子的電氣性能和機(jī)械性能均保持良好，這對確保楚穗直流的安全運(yùn)行起到了關(guān)鍵作用。

4）試驗檢測結(jié)果表明，抽檢的已運(yùn)行6年的楚穗直流復(fù)合絕緣子的溫升情況、憎水性能、電氣性能和機(jī)械性能或有所下降或保持良好。這為日后對復(fù)合絕緣子相關(guān)運(yùn)行性能的研究提供了參考，也為保證楚穗直流的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力的保障。

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