直流特高壓支柱絕緣子失效原因及檢測方法研究

鐘黎明，白耀鵬，王鵬宇

（1.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；2.國網(wǎng)山西省電力公司，山西 太原 030001）

0 引言

支柱絕緣子主要用于變電站交直流系統(tǒng)中各種高壓電器設(shè)備（如隔離開關(guān)）和母線的絕緣支持及機械固定。支柱絕緣子一旦發(fā)生斷裂，會造成變電站、供電線路部分停電或全部停電，致使人員傷亡、設(shè)備損害、電量損失，嚴(yán)重影響社會的穩(wěn)定和國民經(jīng)濟建設(shè)。據(jù)各單位的反饋信息，1984年至2005年4月，國家電網(wǎng)公司系統(tǒng)計共有140支瓷絕緣子發(fā)生斷裂故障，其中折斷115支，開裂故障11支，傘裙炸裂故障7支，此外還有7支故障類型不詳。統(tǒng)計結(jié)果難以反應(yīng)全部情況。

1 特高壓站支柱絕緣子種類及結(jié)構(gòu)

1.1 交流場區(qū)常用支柱絕緣子

交流場區(qū)常用的支柱瓷絕緣子比較單一，為傳統(tǒng)的瓷質(zhì)支柱絕緣子。

瓷質(zhì)支柱絕緣子結(jié)構(gòu)一般由瓷體、金屬附件和膠裝水泥3部分組成。其中，瓷體作用主要是絕緣和支撐；金屬附件的作用為機械連接、固定，使用材料有鋁合金、鑄鐵、低碳鋼等；膠裝水泥用來膠合金屬附件和絕緣體，一般使用高標(biāo)號的水泥。為了增加水泥膠合強度，一般在瓷體的兩端即金屬附件連接部位進行滾花或上砂處理。由于水泥膨脹系數(shù)和金屬附件膨脹系數(shù)不一樣，為了緩沖很大的應(yīng)力，在法蘭口內(nèi)涂有一定厚度的瀝青緩沖防護層。

目前，國內(nèi)特高壓站在停電檢修時，也有可能會采用室溫硫化型硅橡膠RTV（room temperature vulcanized silicone rubber）涂料來整體噴涂支柱絕緣子瓷體表面，用來增加支柱瓷絕緣子表面憎水性和防污閃性能，如圖1所示。

1.2 直流場區(qū)常用支柱絕緣子

圖1 支柱瓷絕緣子現(xiàn)場噴涂RTV

隨著直流輸電技術(shù)的發(fā)展和電壓等級不斷提高，對支柱絕緣子提出了新的要求，主要是電壓不過零點和靜電吸塵效應(yīng)引起的爬電距離要求增加的問題。為獲得好的爬電距離，同時不增加支柱絕緣子高度，各種復(fù)合絕緣子的發(fā)明和應(yīng)用推廣，在降低設(shè)備的結(jié)構(gòu)高度上起到了積極作用。目前，直流場區(qū)使用的支柱絕緣子有純瓷支柱絕緣子、純瓷外涂RTV涂料支柱絕緣子、瓷芯支柱復(fù)合絕緣子、瓷芯支柱復(fù)合絕緣子、玻璃鋼芯支柱復(fù)合絕緣子。

1.2.1 純瓷支柱絕緣子

直流場的純瓷支柱絕緣子與交流場區(qū)常用的支柱瓷絕緣子一樣，都是傳統(tǒng)的瓷質(zhì)支柱絕緣子。目前，直流場區(qū)應(yīng)用較少，主要使用的是改進后的純瓷外涂RTV涂料支柱絕緣子。

1.2.2 純瓷外涂RTV涂料支柱絕緣子

直流場區(qū)采用較多的為純瓷外涂RTV涂料支柱絕緣子。這種支柱絕緣子表面在出廠前就已經(jīng)噴涂上RTV涂料，相較于現(xiàn)場后期噴涂的工藝質(zhì)量來說，工廠內(nèi)噴涂的施工環(huán)境好，原料可控，噴涂厚度和質(zhì)量更高，使用壽命更長。

表面噴涂RTV涂料后相較于純瓷支柱瓷絕緣子能大大提高耐污閃性能，且具有較好的憎水性。表面噴涂過RTV涂料后，爬電比距與復(fù)合絕緣子的爬電比距相當(dāng)，設(shè)計支柱絕緣子高度時可以比純瓷的高度減少。RTV涂料各項性能保持時間較短，大約5 a后需要再次涂刷。

理論和經(jīng)驗表明，瓷絕緣子涂RTV涂刷簡單，成本低，防污閃能力強，機械強度高，維護簡單，其技術(shù)經(jīng)濟性較優(yōu)，因此為推薦設(shè)計方案。

1.2.3 瓷芯支柱復(fù)合絕緣子

由瓷芯、帶有傘裙的的冷縮硅橡膠套和連接金具組成的支柱絕緣子。瓷芯棒采用鋁質(zhì)高強度配方材料經(jīng)等靜壓工藝燒制而成；硅橡膠絕緣護套傘裙是在滿足一系列技術(shù)條件的前提下，通過注射高溫硫化實現(xiàn)與瓷芯棒的粘合。

相對于傳統(tǒng)的瓷質(zhì)支柱絕緣子，提高了原有設(shè)備的抗污性能，便于用戶清洗維護，降低了維護成本，同時又保留了瓷質(zhì)設(shè)備的機械性能穩(wěn)定的優(yōu)點。由于瓷芯與外表面的硅橡膠套粘接容易出現(xiàn)缺陷，導(dǎo)致耐高壓絕緣性能下降；同時生產(chǎn)成本和生產(chǎn)難度較大，使用范圍較小。

1.2.4 玻璃鋼芯支柱復(fù)合絕緣子

以環(huán)氧樹脂浸漬的玻璃鋼纖維組成的實心圓柱體為絕緣芯體、傘套（位于實心絕緣芯體的外部）和端部裝配件構(gòu)成的支柱絕緣子。

機械方面，玻璃鋼芯棒相比瓷材料，具有強度高、抗沖擊的特點；在外絕緣方面，硅橡膠有機絕緣保證了良好的絕緣性能。復(fù)合絕緣子抗彎破壞負荷和抗扭破壞負荷強度要好于純瓷支柱絕緣子。相同參數(shù)要求下相比純瓷支柱絕緣子可以降低裝配的整支支柱絕緣子高度。

造價貴，相比瓷材料的支柱絕緣子貴3～5倍。表面憎水性及防污能力下降時只能整支更換。

2 支柱絕緣子失效原因

造成支柱絕緣子失效的原因很多，主要分為制造缺陷，設(shè)計缺陷，安裝缺陷，調(diào)試缺陷以及運行環(huán)境原因[1]。

支柱瓷絕緣子主要失效形式為斷裂，且95%斷裂位置在瓷柱與鑄鐵法蘭連接處，其余斷裂在傘裙和其他部位。支柱復(fù)合絕緣子芯棒韌性相對瓷體要好，主要失效形式為折彎、拉斷，外部傘裙性能降低時會造成老化失效。

2.1 制造質(zhì)量不良

瓷體存在變形、開裂、夾雜物、氣孔、生燒和過燒、黑芯和黃芯等；膠裝水泥偏心、有空隙空洞、不嚴(yán)實；膠合部位膠裝比偏低，有堆砂、缺砂等缺陷。

支柱復(fù)合絕緣子制造階段會產(chǎn)生芯棒與硅橡膠結(jié)合不緊密缺陷，導(dǎo)致高壓通過內(nèi)部擊穿。

2.2 設(shè)備選型不當(dāng)

隔離開關(guān)中，廠家依據(jù)接線端靜拉力的數(shù)值，再考慮一定的安全系數(shù)（一般為3.5）選用絕緣子；其中接線端靜拉力考慮風(fēng)力、覆冰、雪和導(dǎo)線的重量、張力等產(chǎn)生的最大靜拉力。當(dāng)設(shè)計選型不當(dāng)，沒有充分考慮到設(shè)備所處環(huán)境的實際情況，如非常規(guī)力（暫時的暴風(fēng)驟雨引起的共振）或使用了機械強度偏低型號，使得天氣惡劣情況下支柱絕緣子的機械強度低于要求運行，導(dǎo)致支柱瓷絕緣子折斷或支柱復(fù)合絕緣子彎曲變形。

2.3 隔離開關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷

由于部分型號隔離開關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，元件抗銹蝕能力差，機構(gòu)傳動卡滯，支柱絕緣子承受異常彎矩或扭矩。

2.4 安裝和調(diào)試不到位

如母線安裝過程中，引線支柱瓷絕緣子安裝過緊或固定點多于1個，安裝硬母線時兩端都緊。

2.5 運行和檢修維護存在薄弱環(huán)節(jié)

由于隔離開關(guān)、母線等出現(xiàn)抱死、銹蝕、卡等情況時沒有得到及時維護；刀閘操作未按正確步驟執(zhí)行，導(dǎo)致支柱絕緣子斷裂。

2.6 自然環(huán)境因素影響

氣候溫差變化大和惡劣的氣象條件（暴風(fēng)暴雨、雷擊）是誘發(fā)斷裂產(chǎn)生的因素。高緯度氣溫低的地區(qū)支柱瓷絕緣子，膠裝部位的水泥冰結(jié)膨脹應(yīng)力和來自金屬附件體積縮聚時的剪切力疊加，也是瓷件開裂的重要原因。

支柱復(fù)合絕緣子在長期溫差較大和惡劣氣候條件下運行時，硅橡膠傘裙會提前老化，需要定期跟蹤監(jiān)測傘裙老化情況。

2.7 其他方面的影響

絕緣子表面受到污染，流經(jīng)表面的泄漏電流因電蝕使瓷絕緣子金屬附近產(chǎn)生電腐蝕，降低其機械強度，使復(fù)合絕緣子傘裙老化，憎水性和耐污閃性能降低，導(dǎo)致絕緣子破壞。此外還有支柱絕緣子服役年限較長老化失效、合閘瞬間點動力的沖擊以及技術(shù)管理不當(dāng)?shù)葐栴}。

3 支柱絕緣子檢測方法

3.1 復(fù)合支柱絕緣子檢測方法

3.1.1 直接觀測法

直接觀測可以檢測到復(fù)合絕緣子一些外部物理缺陷，是基礎(chǔ)而又有效的檢測方法，主要形式是用望遠鏡或肉眼直接在塔下觀察，主要檢測：金具、護套和傘裙等一些部位缺陷；金屬附件電蝕情況或連接處滑移情況；電蝕損、粉化、漏電痕跡等。在雨、霧、露等濕度較大的氣象條件下還可以重點觀察復(fù)合絕緣子傘裙表面局部放電的情況。

該方法檢測局限性較大，一是單從地面觀察范圍難以全面，還需配合登塔觀測；二是難以發(fā)現(xiàn)樹技狀通道等內(nèi)部缺陷。

3.1.2 紫外成像法

該方法原理是局部放電過程中帶電粒子會輻射出紫外線，并且隨著表面缺陷引起的外形不連續(xù)造成放電產(chǎn)生或者增強，通過檢測放電變化達到發(fā)現(xiàn)設(shè)備的絕緣缺陷；尤其是損害嚴(yán)重時導(dǎo)電性碳化通道在復(fù)合絕緣子表面產(chǎn)生，缺陷處放電會更加劇烈。

目前使用該檢測方法效果一般，應(yīng)用較少。不足原因有：要求溫度處在零度以上，而且是夜間操作時間，同時要求檢測時正在放電；檢測設(shè)備價格較高。

3.1.3 紅外成像法

主要原理是通過檢測由泄漏電流和局部放電電流流經(jīng)絕緣物質(zhì)時引起的介電損耗或者電阻損耗等產(chǎn)生的絕緣子表面局部溫升，該方法用于在線帶電檢測。當(dāng)復(fù)合絕緣子高壓端硅橡膠表面檢測出明顯溫度升高時，可以發(fā)現(xiàn)顯著發(fā)黑、粉化、變脆、許多細小裂紋，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重破損，且取樣進行陡波沖擊耐受實驗無法通過。

目前效果一般，檢測結(jié)果易受陽光、大風(fēng)、潮氣、環(huán)境溫度及引起絕緣子表面溫度快速變化因素的影響；只對表面溫度變化敏感，無法發(fā)現(xiàn)早期內(nèi)部裂紋。

3.1.4 電場分布法

該方法原理是復(fù)合絕緣子表面電場分布隨著導(dǎo)通性缺陷產(chǎn)生和分布而發(fā)生畸變，將無缺陷的復(fù)合絕緣子電場分布圖與檢測出來的電場分布圖進行比較，可以判斷復(fù)合絕緣子是否存在缺陷。

復(fù)合絕緣子存在著多種界面，當(dāng)前認為芯棒與護套的界面結(jié)合不良缺陷是復(fù)合絕緣子最容易產(chǎn)生，同時也是危害最大的缺陷。復(fù)合絕緣子的電氣試驗有陡波沖擊試驗這一項，主要用來檢測內(nèi)絕緣缺陷，但是無法應(yīng)用于在線檢測；而電場分布法不僅可以在線檢測，還能同時檢測外絕緣缺陷和內(nèi)絕緣缺陷，而使用的儀器相對簡單且價格合適，對天氣環(huán)境要求相對較低，適合低成本開展復(fù)合絕緣子狀態(tài)檢修。華北電網(wǎng)在采用“電場法”檢測復(fù)合絕緣子的使用經(jīng)驗和推廣范圍較多；南方電網(wǎng)公司也在使用“電場法”檢測復(fù)合絕緣子，積累了經(jīng)驗。

3.1.5 憎水性檢測方法

憎水性測量法又叫分級法，適用于現(xiàn)場檢測。該方法的提出單位瑞典輸電研究所依據(jù)復(fù)合絕緣子表面的憎水性健康情況，由HC-1級到HC-7級將憎水性從高到底依次分為7級。最高為HC-1級最強，完全親水的是HC-7級最差，檢測時使用普通噴壺對試品表面噴灑水霧，查看試品表面的水珠分布情況，同時與相應(yīng)級別圖片和分級標(biāo)準(zhǔn)比較來進行分級。

噴水分級法的缺陷是主觀性較大，容易誤判。近年來，隨著數(shù)碼攝像技術(shù)和計算機數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合人工智能技術(shù)與機器視覺技術(shù)進行評價變得可行。目前，評價復(fù)合絕緣子表面憎水性的計算機圖像處理技術(shù)在瑞典開展起來，已經(jīng)取得了階段的成果。

3.1.6 泄漏電流測量法

泄漏電流測量方法的原理：使用引流卡后者電流傳感器在支柱絕緣子接地端，在線測量沿表面的泄漏電流，利用處理單元統(tǒng)計的設(shè)定時間內(nèi)統(tǒng)計值（包括大電流脈沖數(shù)、平均值、峰值），傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。利用軟件進行比對標(biāo)準(zhǔn)庫進行綜合分析，對絕緣子的積污狀況作出評價，為狀態(tài)檢修提供實驗依據(jù)。

由于泄露電流受到電壓等級、傘裙型號和數(shù)量、環(huán)境溫濕度等因素影響較多，目前該方法還處于論證階段，沒有大范圍推廣開。

3.2 瓷支柱絕緣子檢測方法

3.2.1 超聲波檢測法

超聲檢測儀器包括主機、探頭、校準(zhǔn)試塊、對比試塊，如圖2所示。

圖2 超聲檢測儀器、探頭、校準(zhǔn)試塊、對比試塊

電網(wǎng)支柱瓷絕緣子超聲波檢測依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)有：DL/T 303—2014《電網(wǎng)在役支柱瓷絕緣子及瓷套超聲波檢測》，內(nèi)容為超聲波檢測技術(shù)規(guī)范；Q/GDW 279—2009《±800 kV直流支柱絕緣子技術(shù)規(guī)范》，內(nèi)容為支柱瓷絕緣子技術(shù)要求和試驗要求；Q/GDW 279—2009±800 kV《直流支柱絕緣子技術(shù)規(guī)范》，內(nèi)容為現(xiàn)場的超聲、機械、外觀等檢測導(dǎo)則；Q/GDW 11083—2013《高壓支柱瓷絕緣子技術(shù)監(jiān)督導(dǎo)則》，內(nèi)容為支柱絕緣子全過程技術(shù)監(jiān)督。

抽檢條款依據(jù)Q/GDW 407—2010《高壓支柱瓷絕緣子現(xiàn)場檢測導(dǎo)則》中3.1.1條要求交接試驗逐個超聲波探傷；依據(jù)4.2條要求預(yù)防性試驗每批次6 a進行抽樣檢測1次，抽樣率不得低于該批次總量的15%～20%；并保證每次抽檢覆蓋一個完整間隔[2]。

根據(jù)使用的波形種類、和檢測發(fā)現(xiàn)缺陷的位置，超聲波檢測方法分為爬波檢測法和小角度縱波法[3-4]。

3.2.1.1 爬波法檢測技術(shù)[5]

爬波大部分能量集中于界面下的近表面（約2～3 mm內(nèi)），在該深度范圍內(nèi)有比較好的缺陷檢測靈敏度。爬波還有一個特點：表面的狀態(tài)不影響爬波在試件內(nèi)傳播。例如，膠裝水泥和瓷砂以及其他外表面附著物都不影響對支柱瓷絕緣子鑄鐵法蘭內(nèi)的瓷體檢測[6]，如圖3所示。

圖6 爬波檢測絕緣子內(nèi)裂紋原理圖

支柱瓷絕緣子及瓷套爬波檢測部位是上法蘭和下法蘭內(nèi)用水泥膠裝的瓷件近表面缺陷，長度為深入法蘭內(nèi)10 mm的范圍。

3.2.1.2 小角度縱波法檢測技術(shù)

采用小角度縱波斜入射法檢測支柱瓷絕緣子內(nèi)部和對側(cè)近表面及表面缺陷，如圖4所示。

3.2.2 振動聲學(xué)檢測法

振動聲學(xué)檢測法可以帶電檢測，選擇不同電壓等級的絕緣桿可以在相應(yīng)電壓等級下帶電操作，檢測設(shè)備如圖5所示。該方法可以在不停電情況下帶電檢測，速度相比超聲波檢測法要快，效率高；缺點是定位缺陷較困難，并且檢測時易受到大風(fēng)、低溫影響。

通過檢測瓷支柱絕緣子固有頻率，根據(jù)物體固有頻率不變的特性，來判斷該瓷支柱絕緣子的機械狀況是否發(fā)生變化。機械性能良好的絕緣子其固有頻率具有穩(wěn)定性，當(dāng)絕緣子發(fā)生損傷或機械性能降低時，其固有頻率將發(fā)生改變。

圖4 小角度縱波檢測支柱瓷絕緣子內(nèi)部點狀缺陷反射波

圖5 振動聲學(xué)檢測儀器及現(xiàn)場檢測圖

當(dāng)對支柱瓷絕緣子底部法蘭施加一個振動載荷時，返回的振動信號包含絕緣子頻率完整信息。支柱瓷絕緣子下法蘭連接處有缺陷或者裂紋時，會在低于基本振動頻率的位置大概1 000～3 000 Hz處出現(xiàn)1個缺陷頻率；當(dāng)缺陷或者裂紋出現(xiàn)在上部法蘭連接處時，會在高于進本振動頻率的位置大概大于8 000 Hz處出現(xiàn)1個缺陷頻率。

振動聲學(xué)檢測的理論依據(jù)[7]，柱狀裝置1端固定而另1端為自由狀態(tài)，其本身自有振動頻率用如式（1）表達所確定。

式中：wi——柱裝置（絕緣子）本身自有振動頻率；

ki——克雷洛夫方程式根；L——柱裝置長度；

I——材質(zhì)彈性模量；

μ——柱裝置危險斷面的慣性靜力矩；E·I——柱裝置的單位長度質(zhì)量；

i——柱裝置絕緣子振動的的固有形狀

用損壞和未損壞的支柱絕緣子極限載荷比值來表達支柱絕緣子的承載能力。通過一系列的轉(zhuǎn)換可以得出關(guān)系式（2）。

式中：P0——未損壞絕緣子極限載荷；

P1——損壞絕緣子極限載荷；

I0——未損壞絕緣子危險斷面的慣性靜力矩；

I1——損壞絕緣子危險斷面的慣性靜力矩；wi1——未損壞絕緣子自有振動頻率；

wi0——損壞絕緣子自有振動頻率；

i——絕緣子振動的的固有形狀(i=1，2，…)。

分析關(guān)系式（2）可見，絕緣子的任何一種振動形式中的損傷都可以通過關(guān)系式（2）來表達?？傻贸鼋Y(jié)論，使用振動聲方法來確定絕緣瓷柱的技術(shù)狀態(tài)是正確可行的。

因此，解決測定支柱式絕緣子技術(shù)狀態(tài)的算法可以通過測定其固有頻率的性能狀態(tài)來表達。絕緣子底部法蘭區(qū)域有缺陷（裂紋）時，會導(dǎo)致低于基礎(chǔ)頻率的頻率分量出現(xiàn)，如圖6 a所示；當(dāng)上部法蘭區(qū)域有缺陷（裂紋）時，會導(dǎo)致高于基礎(chǔ)頻率的頻率分量出現(xiàn)，如圖6 b所示。

圖6 振動聲學(xué)檢測支柱絕緣子頻譜圖

4 結(jié)束語

支柱絕緣子是電網(wǎng)變電設(shè)備的重要部件，其一端剛性地固定在構(gòu)支架上，另一端起著支撐母線、隔離開關(guān)和絕緣的作用。運行中支柱絕緣子突然斷裂會造成設(shè)備損壞和非停事故，帶來重大經(jīng)濟損失；檢修時支柱絕緣子斷裂，并且還有幾率導(dǎo)致人身傷亡事故，其影響后果非常嚴(yán)重。因此，高度重視并加強監(jiān)督支柱絕緣子狀態(tài)是建設(shè)堅強電網(wǎng)的重要技術(shù)措施[8]。

目前，各種檢測支柱絕緣子的方法都有自己的優(yōu)缺點，需要結(jié)合帶電情況，運行情況來選擇適合的檢測手段[9]。正在研究中的激光超聲檢測方法具有無需耦合劑、速度快和可以在線檢測等優(yōu)點，是未來的前沿技術(shù)[10]。可以相信，激光超聲等新技術(shù)將在未來支柱絕緣子檢測中發(fā)揮更為重要的作用[11]。