110 kV復(fù)合絕緣子高壓側(cè)護(hù)套開裂故障原因分析

鄭建軍，賈 鵬，劉昊東，田 峰

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；2.烏海電業(yè)局，內(nèi)蒙古 烏海 016000）

0 引言

與瓷質(zhì)絕緣子和玻璃絕緣子相比，復(fù)合絕緣子具有更優(yōu)秀的機(jī)械、絕緣及抗污閃性能，更便于安裝及維護(hù)[1-2]。復(fù)合絕緣子通常由三部分組成，分別為承受軸向載荷的高強(qiáng)度玻璃纖維芯棒、提供泄漏距離和電氣絕緣的硅橡膠傘裙、護(hù)套以及芯棒兩端用以承擔(dān)機(jī)械負(fù)荷的金具[3-4]。

作為戶外電氣絕緣設(shè)備，復(fù)合絕緣子在運(yùn)行中受到環(huán)境因素（紫外線、臭氧、溫度、濕度、污穢）及電應(yīng)力因素（電弧放電、電暈、泄漏電流）的影響，隨著運(yùn)行年限的增加，會(huì)出現(xiàn)界面擊穿、傘裙粉化及芯棒斷裂等問題，導(dǎo)致絕緣性能不斷降低，進(jìn)而發(fā)生閃絡(luò)故障[5-6]。

本文以某110 kV 復(fù)合絕緣子護(hù)套開裂問題為例，對(duì)該復(fù)合絕緣子護(hù)套的開裂原因、開裂過(guò)程及開裂機(jī)制進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)建議，為復(fù)合絕緣子的運(yùn)行和維護(hù)工作提供參考。

1 絕緣子護(hù)套開裂原因分析

1.1 宏觀形貌觀察

故障復(fù)合絕緣子型號(hào)為FXBW-110/100，長(zhǎng)度為1.2 m，傘裙總數(shù)為24 個(gè)（大傘裙和小傘裙各12個(gè)），復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。開裂護(hù)套位于高壓端金具與芯棒結(jié)合處，如圖2（a）所示。由圖2（b）可以觀察到，高壓端第一個(gè)傘裙根部明顯開裂，表明高壓端硅橡膠材料已經(jīng)嚴(yán)重老化。近距離觀察后可以發(fā)現(xiàn)，裂紋呈環(huán)狀分布，幾乎貫穿整個(gè)護(hù)套，如圖2（c）所示。剝離開裂段護(hù)套后（剝離過(guò)程順暢），發(fā)現(xiàn)護(hù)套與高壓端金具間僅存在1/3的連接部位，護(hù)套與金具間的膠結(jié)層已基本失效，如圖2（d）所示。經(jīng)測(cè)量，護(hù)套最薄處的厚度僅為2.4 mm。

圖1 復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)組成示意圖

圖2 護(hù)套開裂的復(fù)合絕緣子宏觀形貌

1.2 微觀形貌及斷口形態(tài)

1.2.1 絕緣子護(hù)套表面微觀形貌

采用Topcon S-3700型掃描電子顯微鏡對(duì)故障復(fù)合絕緣子護(hù)套的微觀形貌進(jìn)行觀察，檢測(cè)前樣品先放在恒溫恒濕箱干燥，然后再進(jìn)行噴金處理，開裂復(fù)合絕緣子護(hù)套表面微觀形貌如圖3所示。由圖3可以看出，低壓側(cè)護(hù)套的上表面較光滑致密，僅存在少量的孔洞及微裂紋，未見明顯的干帶電弧腐蝕痕跡；而高壓側(cè)護(hù)套由于長(zhǎng)期受到電場(chǎng)放電的作用，硅橡膠材料嚴(yán)重老化，表面較為粗糙[7-8]。

圖3 開裂復(fù)合絕緣子護(hù)套表面微觀形貌

1.2.2 斷口表面微觀形貌

為了推斷護(hù)套的開裂過(guò)程及找出開裂原因，分析護(hù)套的開裂機(jī)制對(duì)斷口表面進(jìn)行微觀形貌觀察。從圖4 可以看出，斷口表面形貌主要分為兩個(gè)區(qū)域（Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)）。Ⅰ區(qū)域內(nèi)的斷口表面較光滑，Ⅱ區(qū)域內(nèi)的斷口形貌中出現(xiàn)了很多二次裂紋，且二次裂紋數(shù)量由外向內(nèi)逐漸增多，表明裂紋是在護(hù)套的外表面形成，并不斷向內(nèi)部擴(kuò)展。此外，在護(hù)套表面可以發(fā)現(xiàn)許多電蝕坑，表明復(fù)合絕緣子高壓側(cè)護(hù)套處存在較強(qiáng)的電場(chǎng)放電。

圖4 開裂復(fù)合絕緣子護(hù)套斷口微觀形貌

1.3 后退角測(cè)量

后退角比靜態(tài)接觸角能更精確地反映絕緣材料的憎水性能，本文利用DropMeterTMA-200型光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x對(duì)復(fù)合絕緣子各部位表面的后退角進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)樣品測(cè)量3 個(gè)點(diǎn)后取算術(shù)平均值，測(cè)量結(jié)果及憎水性評(píng)級(jí)[9]如表1所示?？梢钥闯觯蛪簜?cè)護(hù)套的憎水性能明顯優(yōu)于高壓側(cè)護(hù)套，表明復(fù)合絕緣子高壓側(cè)硅橡膠材料的老化程度更高，憎水性能下降更為明顯。其主要原因?yàn)椋簭?fù)合絕緣子高壓側(cè)更容易受到電場(chǎng)放電的作用，同時(shí)該絕緣子高壓側(cè)護(hù)套存在內(nèi)部缺陷，導(dǎo)致電場(chǎng)分布更加不均勻，從而加劇了硅橡膠護(hù)套的老化。

1.4 傅里葉紅外光譜分析

采用德國(guó)Bruker TensorⅡ型傅立葉紅外光譜測(cè)量?jī)x對(duì)復(fù)合絕緣子的幾個(gè)典型部位進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。可以看出，硅橡膠材料紅外光譜共存在3 個(gè)主要的吸收峰，分別為Si（CH3）2（790～830 cm-1）、Si-O-Si（1000～1100 cm-1）、Si-CH3（1255～1270 cm-1）。其中高壓側(cè)傘裙和護(hù)套中Si（CH3）2、Si-O-Si、Si-CH3三個(gè)峰的峰值強(qiáng)度均明顯低于低壓側(cè)和中部的傘裙或護(hù)套。研究表明，電暈放電或干帶電弧能夠破壞Si-O、Si-CH3等官能團(tuán)的共價(jià)鍵，從而降低這些官能團(tuán)的數(shù)量[10]。這也表明復(fù)合絕緣子高壓側(cè)護(hù)套確實(shí)存在較為頻繁的放電現(xiàn)象，從而解釋了高壓側(cè)護(hù)套憎水性能較弱的原因。

圖5 開裂復(fù)合絕緣子不同部位的FTIR吸收光譜

2 護(hù)套開裂機(jī)制分析

在發(fā)現(xiàn)護(hù)套開裂前，該復(fù)合絕緣子掛網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間不足1 年，遠(yuǎn)低于其正常使用壽命。解剖高壓側(cè)金具和護(hù)套后，在金具表面發(fā)現(xiàn)明顯放電痕跡，表明該處護(hù)套與金具的膠結(jié)面存在原始缺陷。如圖6所示，潮濕環(huán)境下，當(dāng)金具與護(hù)套之間存在氣隙時(shí)，液態(tài)水會(huì)通過(guò)擴(kuò)散作用不斷滲入，導(dǎo)致該處金具周圍的電場(chǎng)發(fā)生畸變[7]。氣隙處因電場(chǎng)強(qiáng)度不均而不斷發(fā)生放電，使金具與護(hù)套間的膠結(jié)層發(fā)生融解，導(dǎo)致氣隙面積進(jìn)一步增加。另外，放電產(chǎn)生的熱量會(huì)使金具的溫度升高，而熱傳導(dǎo)作用將導(dǎo)致與金具相連的護(hù)套溫度隨之升高，從而加速該處硅橡膠材料的老化。

圖6 復(fù)合絕緣子護(hù)套開裂機(jī)制示意圖

研究表明，硅橡膠材料的老化往往伴隨著降解與分子鏈主鏈的斷裂[10]。隨著復(fù)合絕緣子運(yùn)行時(shí)間的不斷增加，硅橡膠表面會(huì)因分子鏈的不斷斷裂而形成微裂紋，導(dǎo)致硅橡膠材料的力學(xué)性能逐漸下降；同時(shí)，護(hù)套的變截面處本身存在一定程度的應(yīng)力集中，會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)裂紋源的形成。最終，復(fù)合絕緣子高壓側(cè)護(hù)套在硅橡膠材料老化和應(yīng)力集中的共同作用下逐漸開裂，并形成宏觀裂紋[11-12]。此外，DL/T 1000.3—2015《標(biāo)稱電壓高于1000 V 架空線路用絕緣子使用導(dǎo)則 第3 部分交流系統(tǒng)用棒形懸式復(fù)合絕緣子》中規(guī)定，電壓等級(jí)為110 kV的復(fù)合絕緣子護(hù)套厚度不應(yīng)小于3 mm[13-15]，而該絕緣子高壓側(cè)護(hù)套厚度最小值為2.4 mm，低于標(biāo)準(zhǔn)要求，較薄的護(hù)套也會(huì)對(duì)裂紋形成起到一定的加劇作用。

3 結(jié)論及建議

本文對(duì)一起110 kV 在役復(fù)合絕緣子高壓側(cè)護(hù)套開裂原因進(jìn)行了試驗(yàn)研究和分析，得出如下結(jié)論。

（1）高壓側(cè)護(hù)套的開裂主要與復(fù)合絕緣子生產(chǎn)工藝質(zhì)量有關(guān)，不合格的黏結(jié)工藝使金具和護(hù)套界面處形成氣隙，液態(tài)水的不斷滲入導(dǎo)致該處電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生畸變，從而引發(fā)金具表面局部放電。

（2）長(zhǎng)期放電產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致金具與護(hù)套的膠結(jié)層進(jìn)一步發(fā)生融解，氣隙面積繼續(xù)擴(kuò)大；此外，放電產(chǎn)生的熱量將會(huì)引起護(hù)套溫度升高，進(jìn)而加速硅橡膠材料的老化。

（3）復(fù)合絕緣子護(hù)套開裂部位為變截面臺(tái)階結(jié)構(gòu)，應(yīng)力集中程度較高，使裂紋加速擴(kuò)展，導(dǎo)致高壓側(cè)護(hù)套在硅橡膠材料加速老化和應(yīng)力集中的共同作用下發(fā)生開裂。

為了防止絕緣子護(hù)套開裂，建議復(fù)合絕緣子制造廠家加強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)工藝質(zhì)量的把控，在產(chǎn)品出廠前做好黏結(jié)質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)工作；同時(shí)，建議各供電單位加強(qiáng)對(duì)輸電線路在役復(fù)合絕緣子的監(jiān)督工作。