復(fù)合絕緣子斷串原因分析及防范措施

李鴻澤

( 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司, 江蘇 南京 210024)

0 引言

復(fù)合絕緣子因其耐污閃性能好、重量輕、運(yùn)行維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，在高壓輸電線路中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。伴隨著近年來輸電線路復(fù)合化趨勢，復(fù)合絕緣子在電網(wǎng)中使用比例逐步增大。

然而，隨著復(fù)合絕緣子使用量的劇增，其發(fā)生事故的概率也日趨增大。據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析，復(fù)合絕緣子現(xiàn)場損壞基本包括兩個(gè)方面：(1) 機(jī)械損壞，主要包括芯棒斷裂、傘裙破損等[4-6]；(2) 電氣損壞，如雷擊閃絡(luò)、粘結(jié)界面擊穿等[7-8]。而其中芯棒斷裂會(huì)造成絕緣子斷串，這類事故后果嚴(yán)重，可能導(dǎo)致電網(wǎng)發(fā)生惡性事故。

目前國內(nèi)針對(duì)芯棒斷裂造成的事故案例分析研究較多[9-11]，但是系統(tǒng)地歸納分析復(fù)合絕緣子斷串原因及相應(yīng)預(yù)防措施的研究較少，因此文中選取了江蘇電網(wǎng)近幾年輸電線路實(shí)際復(fù)合絕緣子斷串樣品進(jìn)行分析，提出了針對(duì)性的防范措施，為電網(wǎng)運(yùn)行部門提供應(yīng)對(duì)線路復(fù)合絕緣子斷串事故的具體措施。

1 輸電線路復(fù)合絕緣子斷串原因分析

復(fù)合絕緣子實(shí)際運(yùn)行中，處于電氣、機(jī)械和化學(xué)等因素的綜合作用之下，易引起端部金具的受力變形以及護(hù)套蝕損，會(huì)造成金具破損或者芯棒斷裂，從而導(dǎo)致復(fù)合絕緣子斷串。

1.1 斷串的主要類型

1.1.1 金具破損引起的掉串

復(fù)合絕緣子端部通過端部金具連接導(dǎo)線和桿塔，在長久運(yùn)行過程中，容易在外力作用下彎曲變形，導(dǎo)致球頭脫落造成掉串事故[12-15]。我國500 kV緊湊型輸電線路曾發(fā)生多起Ⅴ型復(fù)合絕緣子掉串事故，且掉串絕緣子串均是夾角在90°以內(nèi)的背風(fēng)側(cè)復(fù)合絕緣子。事故時(shí)復(fù)合絕緣子球頭自碗頭中脫出，嚴(yán)重將碗頭中R銷沖擊變形。目前，國內(nèi)已通過采用槽型連接金具等措施，有效避免復(fù)合絕緣子彎曲變形，解決因金具破損而導(dǎo)致的絕緣子掉串事故。

1.1.2 芯棒斷裂引起的斷串

復(fù)合絕緣子芯棒作為內(nèi)絕緣件和機(jī)械負(fù)荷的載體，其電氣與機(jī)械性能直接關(guān)系到復(fù)合絕緣子的運(yùn)行可靠性。運(yùn)行復(fù)合絕緣子芯棒斷裂按照斷面形態(tài)可分為脆斷和酥朽斷裂[16-17]，其區(qū)別如表1所示，兩種斷面典型圖片如圖1所示。

表1 芯棒斷裂主要類型及區(qū)別Tab.1 Main types and difference of FRP rod fractures

圖1 斷面典型圖片F(xiàn)ig.1 Typical pictures of the fracture surface

脆斷是復(fù)合絕緣子的一種特有故障現(xiàn)象[18]。根據(jù)國際大電網(wǎng)會(huì)議CIGRE的統(tǒng)計(jì)和估計(jì)，全世界脆斷復(fù)合絕緣子占全部運(yùn)行復(fù)合絕緣子的比例不超過萬分之一。一般認(rèn)為，脆斷是復(fù)合絕緣子芯棒在機(jī)械負(fù)荷與酸性液體的共同作用下發(fā)生的應(yīng)力腐蝕斷裂。近年來，國內(nèi)絕緣子標(biāo)委會(huì)大力推動(dòng)復(fù)合絕緣子采用耐酸芯棒，從而有效減少芯棒脆斷事故率。

酥朽斷裂[19]是近年來發(fā)現(xiàn)的第二種斷裂形式，并不是一種單純的機(jī)械破壞?，F(xiàn)有研究認(rèn)為，在復(fù)合絕緣子內(nèi)部，芯棒由于界面粘結(jié)失效或其他原因?qū)е碌臍庀稌?huì)引起放電；芯棒受潮會(huì)導(dǎo)致流過絕緣子內(nèi)部的電流增大，溫度升高。這種放電和電流的作用，最終導(dǎo)致了復(fù)合絕緣子的酥朽斷裂。

1.2 斷串的主要原因

盡管運(yùn)行復(fù)合絕緣子呈現(xiàn)出多種斷裂形式，但造成斷裂的原因主要包括復(fù)合絕緣子質(zhì)量問題和安裝施工問題；造成芯棒斷裂的復(fù)合絕緣子質(zhì)量原因主要包括端部密封失效、外護(hù)套破損、芯棒與護(hù)套界面粘結(jié)失效等。

1.2.1 均壓環(huán)安裝不正確

早期的復(fù)合絕緣子均壓環(huán)設(shè)計(jì)不合理，均壓效果不理想；施工單位對(duì)均壓環(huán)認(rèn)識(shí)不夠，存在均壓環(huán)反裝情況，結(jié)果不但不能改善電場分布，反而使高壓側(cè)電場進(jìn)一步畸變?cè)鰪?qiáng)，從而導(dǎo)致端部密封膠老化加速，并最終可能導(dǎo)致復(fù)合絕緣子斷串。

1.2.2 端部密封膠失效

在復(fù)合絕緣子長期運(yùn)行過程中，雨水和潮氣在高壓電場環(huán)境中極易形成酸性液體。如果復(fù)合絕緣子端部密封不嚴(yán)，酸性液體就會(huì)沿著芯棒端部的界面縫隙滲入到芯棒內(nèi)部，從而導(dǎo)致環(huán)氧樹脂溶脹，使得玻璃纖維機(jī)械性能下降，直至芯棒開裂解體導(dǎo)致復(fù)合絕緣子斷串。

圖2所示的絕緣子運(yùn)行時(shí)間近7 a，雙串安裝，其中一支高壓端芯棒脆斷。經(jīng)分析試驗(yàn)結(jié)果后，認(rèn)為該支絕緣子端部密封膠失效導(dǎo)致脆斷。深入分析得到脆斷的原因?yàn)椋憾瞬棵芊獠课皇覝亓蚧z未填滿有氣泡、密封部位粘接劑未涂均勻等；但不排除端部密封膠遭外力破損，上述情況均能使酸蝕物質(zhì)直接侵蝕金屬層后延續(xù)至芯棒導(dǎo)致脆斷。

圖2 斷口金具密封膠殘留情況Fig.2 Facture conditions of insulator hardware

1.2.3 護(hù)套損傷

早期復(fù)合絕緣子安裝過程中，施工人員經(jīng)驗(yàn)有限，安裝時(shí)踩踏絕緣子可能導(dǎo)致護(hù)套受損。如果外界雨水、潮氣經(jīng)過護(hù)套破損處滲入芯棒-護(hù)套界面，在高場強(qiáng)作用下會(huì)與環(huán)氧樹脂芯棒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，破壞芯棒機(jī)械性能導(dǎo)致復(fù)合絕緣子斷串事故發(fā)生。此外，當(dāng)復(fù)合絕緣子表面污穢嚴(yán)重時(shí)，也有可能加速復(fù)合絕緣子護(hù)套電蝕損從而導(dǎo)致斷串事故發(fā)生。

圖3所示的絕緣子斷口在球頭側(cè)第二傘裙根部脆斷，斷口護(hù)套處有陳舊的硬傷，并且顏色不一致。由于斷口護(hù)套處的破損，導(dǎo)致外部大氣環(huán)境中帶酸性的水份從護(hù)套破損部位侵入玻璃纖維芯棒。在端部電場的作用下，玻璃纖維在長時(shí)間的酸性溶液腐蝕下變脆，形成脆斷層。隨著時(shí)間推移，酸性雨水不斷滲入，脆斷層不斷增大，芯棒有效面積不斷減少，待斷裂面積達(dá)到整個(gè)截面的相當(dāng)比例時(shí)，余下部分承受不住導(dǎo)線的重量發(fā)生斷裂，伴著拉絲現(xiàn)象，產(chǎn)生合成絕緣子脆斷。

圖3 斷口情況Fig.3 Facturecondition

1.2.4 產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量問題

20世紀(jì)90年代初期，復(fù)合絕緣子生產(chǎn)剛剛起步，芯棒生產(chǎn)配方和制造工藝處于研制階段，芯棒質(zhì)量不穩(wěn)定且為非耐酸芯棒，機(jī)械性能和耐酸性能都比較差。復(fù)合絕緣子采用獨(dú)立套裝傘裙、真空灌膠工藝，個(gè)別絕緣子的灌封膠中可能混入微小氣泡，在高壓電場的作用下形成局部放電，造成隱患。

由于生產(chǎn)質(zhì)量問題引起的高溫密封膠圈質(zhì)量不合格和室溫密封局部缺膠等，也是造成芯棒脆斷的原因。如圖4所示，該絕緣子運(yùn)行時(shí)間14個(gè)月，斷口在球頭側(cè)金具腔內(nèi)(距金具腔端部15 mm左右)。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)金具腔斷口處有較嚴(yán)重的銹蝕痕跡，金具腔內(nèi)室溫密封膠密封部位有一處寬約5 mm的銹蝕痕跡并與脆斷斷口貫通，壓緊端蓋與金具腔的螺紋及端部接觸面未見任何銹蝕痕跡。分析認(rèn)為，高溫密封圈與護(hù)套界面存在通道，外部酸性的物質(zhì)通過此通道浸入金具內(nèi)部，導(dǎo)致芯棒脆斷。

圖4 復(fù)合絕緣子產(chǎn)品質(zhì)量故障Fig.4 Composite insulators fracture problem

1.2.5 傘套材料老化

復(fù)合絕緣子在長年運(yùn)行過程中，傘套硅橡膠材料會(huì)發(fā)生老化逐漸喪失憎水性；遇到雨、霧等高濕度天氣時(shí)，容易形成沿面爬電。在爬電電弧的反復(fù)燒蝕下，復(fù)合絕緣子外護(hù)套及傘裙會(huì)發(fā)生電蝕損。如果外界雨水、潮氣經(jīng)過護(hù)套破損處滲入芯棒-護(hù)套界面，可能導(dǎo)致芯棒失效加速，造成復(fù)合絕緣子斷串。

2 復(fù)合絕緣子斷串防范措施

2.1 重視復(fù)合絕緣子性能檢測

(1) 開展機(jī)械性能檢測分析。額定機(jī)械負(fù)荷試驗(yàn)和端部裝配件與絕緣子傘套間的密封性檢查主要用于檢測復(fù)合絕緣子整體機(jī)械強(qiáng)度，與斷串事故發(fā)生有直接關(guān)系，因此在入網(wǎng)抽樣試驗(yàn)和運(yùn)行性能分析試驗(yàn)中均要求開展。

(2) 開展電氣性能檢測分析。陡波前沖擊電壓試驗(yàn)主要用于檢測護(hù)套與芯棒界面粘結(jié)特性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)界面缺陷，防止因雷擊過電壓而導(dǎo)致的復(fù)合絕緣子內(nèi)絕緣擊穿事故。

(3) 開展材料性能檢測分析。端部裝配件檢查和鍍鋅層試驗(yàn)主要用于檢測端部金具的機(jī)械、材料特性，在入網(wǎng)檢測過程中需開展該項(xiàng)目以便在源頭把關(guān)，杜絕設(shè)計(jì)制造缺陷。對(duì)運(yùn)行絕緣子傘套、芯棒有機(jī)材料的老化，開展傘套憎水性試驗(yàn)和芯棒水?dāng)U散試驗(yàn)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)材料老化缺陷，防止由此而產(chǎn)生的絕緣子斷串事故。

(4) 性能檢測新技術(shù)。微波和太赫茲界面檢測方法，利用電磁波在界面上的反射波攜帶的信息，對(duì)芯棒與護(hù)套交界面的脫粘、缺陷等進(jìn)行判斷。主動(dòng)紅外熱成像缺陷檢測方法，主要利用不同物質(zhì)的比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)等的不同，通過識(shí)別主動(dòng)紅外熱成像的特點(diǎn)，初步分析護(hù)套、芯棒及界面的缺損、劣化。橡膠材料孔隙率檢測方法，用于檢測硅橡膠護(hù)套的孔隙情況，分析護(hù)套的透水性是否足夠低。改進(jìn)水?dāng)U散試驗(yàn)方法，針對(duì)目前水?dāng)U散試驗(yàn)結(jié)果與運(yùn)行年份相關(guān)性較弱的問題，采用水煮100 h，200 h，300 h后解剖交界面，觀察粘接性的方法判斷交界面的質(zhì)量。

綜合上述分析，開展復(fù)合絕緣子入網(wǎng)檢測和運(yùn)行性能分析，可以整體把關(guān)復(fù)合絕緣子性能，從整體上做到預(yù)防斷串事故發(fā)生。

2.2 加強(qiáng)復(fù)合絕緣子帶電檢測工作

運(yùn)行復(fù)合絕緣子帶電檢測方法主要包括巡檢觀察法、紅外測溫法、紫外成像法、電場分析法等。

(1) 巡檢觀察法。主要采用無人機(jī)、直升機(jī)、地面人員相結(jié)合的巡檢手段，檢查復(fù)合絕緣子表面缺陷，如絕緣子外護(hù)套是否被侵蝕、裂化、破損等；觀察復(fù)合絕緣子上是否有鳥啄、鳥糞、異物等；檢查均壓環(huán)、鎖緊銷、端部配件是否出現(xiàn)異常等。該法主要用于進(jìn)行復(fù)合絕緣子外部檢查。

(2) 紅外測溫法。該法可以有效發(fā)現(xiàn)輸電線路運(yùn)行復(fù)合絕緣子發(fā)熱缺陷。近年來研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合絕緣子芯棒酥朽斷裂前，芯棒表層由于質(zhì)量問題或其他原因?qū)е碌臍庀稌?huì)引起放電；芯棒受潮會(huì)導(dǎo)致流過絕緣子內(nèi)部的電流增大，溫度升高。因此通過紅外精確測溫，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣子芯棒受潮缺陷，預(yù)防芯棒酥朽斷裂事故發(fā)生。

值得說明的是，由于復(fù)合絕緣子的內(nèi)部發(fā)熱缺陷屬于電壓致熱型缺陷，溫度差在0.5 ℃～3 ℃左右，開展紅外精確測溫時(shí)，必須考慮測量點(diǎn)與絕緣子的直線距離，通常需要輔助紅外望遠(yuǎn)鏡頭進(jìn)行補(bǔ)償。如果紅外儀分辨率為320×240，須增加6°～7°鏡頭；如果分辨率為640×480，配12°鏡頭或6°～7°鏡頭。除此之外，采用精確測溫時(shí)，須在陰天或夜間環(huán)境下進(jìn)行。同時(shí)，測量過程中應(yīng)注意收集絕緣子表面污穢情況，防止因污穢受潮后傘裙表面過熱而造成的誤判。

圖5為某500 kV復(fù)合絕緣子紅外精確測溫圖片，發(fā)現(xiàn)該桿塔B相北側(cè)的復(fù)合絕緣子芯棒存在異常發(fā)熱。

圖5 絕緣子紅外發(fā)熱缺陷Fig.5 Overheat fault of the composite insulators

隨后，將該只絕緣子取下進(jìn)行機(jī)械負(fù)荷試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)絕緣子未通過額定機(jī)械負(fù)荷耐受試驗(yàn)(該復(fù)合絕緣子額定負(fù)荷為180 kN，當(dāng)施加90.4 kN拉力時(shí)，絕緣子發(fā)生斷裂)。

(3) 紫外成像法[20]。上述分析認(rèn)為，當(dāng)水分滲入芯棒-傘套界面的氣隙后，缺陷處的場強(qiáng)明顯增大，缺陷達(dá)到一定尺寸時(shí)超過空氣的擊穿場強(qiáng)，間隙被擊穿，引發(fā)局部放電。局部放電會(huì)產(chǎn)生紫外線，因此可以通過紫外成像法檢測電場芯棒放電缺陷，同時(shí)紫外檢測也可有效檢測均壓環(huán)安裝不正、反裝等缺陷問題。值得說明的是，該方法在現(xiàn)場中會(huì)受到絕緣子金具電暈放電、絕緣子污穢爬電等影響，因此檢測金具附近部位時(shí)應(yīng)結(jié)合其他方法綜合判斷。

(4) 電場分析法[21-23]。原理為當(dāng)復(fù)合絕緣子芯棒-護(hù)套界面存在缺陷時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電場分布發(fā)生畸變，通過對(duì)復(fù)合絕緣子軸向的電場進(jìn)行測量分析可判斷絕緣子是否存在缺陷。但該方法易受現(xiàn)場環(huán)境和帶電作業(yè)的影響，實(shí)施難度大，只能作為輔助手段。

2.3 強(qiáng)化重要通道復(fù)合絕緣子的技術(shù)改造

對(duì)于安裝復(fù)合絕緣子的大跨越、特高壓線路等處的交叉跨越塔，應(yīng)加強(qiáng)絕緣子防斷串技術(shù)改造，如采用雙懸垂絕緣子串結(jié)構(gòu)，且宜采用雙獨(dú)立掛點(diǎn)或單掛點(diǎn)雙聯(lián)絕緣子串結(jié)構(gòu)。

對(duì)風(fēng)振嚴(yán)重、飆線風(fēng)等惡劣工況下的在運(yùn)復(fù)合絕緣子，加強(qiáng)對(duì)連接金具的更換，宜采用加強(qiáng)型金具或預(yù)絞式金具。

在改造過程中，應(yīng)加強(qiáng)絕緣設(shè)計(jì)選型與使用場景相匹配，提升改造工作的針對(duì)性。

3 復(fù)合絕緣子斷串防治建議

根據(jù)復(fù)合絕緣子斷串原因分析和芯棒斷裂檢測方法的總結(jié)，結(jié)合江蘇電網(wǎng)輸電線路復(fù)合絕緣子的實(shí)際情況，提出以下防治建議：

(1) 針對(duì)長江大跨越，城際鐵路、滬寧高速、特高壓線路等重要交跨塔上的復(fù)合絕緣子，加快技術(shù)改造，提高運(yùn)行水平。

(2) 大力開展復(fù)合絕緣子入網(wǎng)檢測工作，杜絕不合格產(chǎn)品進(jìn)入電網(wǎng)。

(3) 定期開展在運(yùn)復(fù)合絕緣子性能分析工作，對(duì)運(yùn)行超過10 a的不同生產(chǎn)廠家的復(fù)合絕緣子進(jìn)行性能分析，評(píng)價(jià)在運(yùn)絕緣子狀態(tài)；針對(duì)沿海地區(qū)、重工業(yè)地區(qū)可適當(dāng)縮短檢測年限。

(4) 加強(qiáng)早期工藝復(fù)合絕緣子(如楔式絕緣子、非耐酸芯棒絕緣子等)排查工作，及時(shí)更換。

(5) 積極進(jìn)行復(fù)合絕緣子紅外精確測溫、紫外等帶電檢測工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)在運(yùn)復(fù)合絕緣子芯棒缺陷。

(6) 嚴(yán)格落實(shí)“十八項(xiàng)反措”等規(guī)定要求，對(duì)不滿足防止絕緣子和金具斷裂事故要求的，及時(shí)進(jìn)行技術(shù)改造。

4 結(jié)語

復(fù)合絕緣子斷串問題是造成輸電線路事故的主要原因之一，文中分析了復(fù)合絕緣子斷串原因并提出了相應(yīng)的防治措施。綜合文中內(nèi)容，獲得結(jié)論如下：

(1) 復(fù)合絕緣子斷串類型主要包括金具破損和芯棒斷裂，而芯棒斷裂包括脆斷和酥朽斷裂。

(2) 造成芯棒斷裂的復(fù)合絕緣子質(zhì)量原因主要包括端部密封失效、外護(hù)套破損、芯棒與護(hù)套界面粘結(jié)失效等。

(3) 通過入網(wǎng)前性能檢測、帶電檢測，包括巡檢觀察、紅外測溫、紫外成像、電場分析等方法以及對(duì)重要通道復(fù)合絕緣子進(jìn)行技術(shù)改造能夠防治復(fù)合絕緣子斷串事故。