喀斯特山地埡口地貌影響下直流線路復(fù)合絕緣子傘裙老化特性分析*

趙 偉 陳榮盛 江 渺 吳 昊 邱子針 樊柄宏 李 黎

(1. 中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局 貴州 562400；2. 華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 武漢 430074)

1 引言①

復(fù)合絕緣子以其體積小、重量輕、易安裝、免維護(hù)、耐污性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。隨著南方電網(wǎng)超、特高壓直流輸電的快速發(fā)展，復(fù)合絕緣子在直流輸電線路上的應(yīng)用也越來越廣。南網(wǎng)多條直流輸電線路穿越喀斯特地貌區(qū)，在長(zhǎng)期運(yùn)維統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行于喀斯特山地埡口處的復(fù)合絕緣子，其傘裙老化程度相較其他一般地區(qū)相同運(yùn)行年限的絕緣子更嚴(yán)重，具體表現(xiàn)為傘裙積污更重、表面存在粉化現(xiàn)象、根部出現(xiàn)裂紋等[4-8]。因此，有必要對(duì)這一特殊現(xiàn)象開展相應(yīng)的研究。

喀斯特是指由地下水對(duì)碳酸鹽類巖石進(jìn)行化學(xué)溶蝕、沖蝕和潛蝕等地質(zhì)作用所造成的一類自然地貌。我國(guó)喀斯特地貌主要分布于廣西、貴州和云南東部，基本屬于南方電網(wǎng)管轄區(qū)域，大量直流輸電線路不可避免地經(jīng)過喀斯特地貌區(qū)，其中又以運(yùn)行于兩山之間埡口部位的絕緣子傘裙老化最為嚴(yán)重。目前有少量文獻(xiàn)研究埡口地貌對(duì)絕緣子運(yùn)行性能的影響情況，張宏杰等[9]研究了埡口處的輸電線路風(fēng)偏事故，指出山谷中軸線上最大風(fēng)速比平地風(fēng)速高出33%，容易造成埡口區(qū)域內(nèi)線路風(fēng)偏閃絡(luò)或倒塔；王希林等[10]研究了強(qiáng)風(fēng)區(qū)復(fù)合絕緣子傘裙撕裂問題，發(fā)現(xiàn)風(fēng)速達(dá)到30 m/s 時(shí)，復(fù)合絕緣子會(huì)發(fā)生高頻大幅振動(dòng)，撕裂硅橡膠材料，最終擴(kuò)展導(dǎo)致傘裙的斷裂。以上研究?jī)H針對(duì)埡口地貌和風(fēng)速因素對(duì)絕緣子傘裙的影響進(jìn)行了分析，然而關(guān)于喀斯特山地埡口處絕緣子傘裙老化性能的特殊性，以及造成此種特殊性的綜合影響因素和影響規(guī)律，目前未見文獻(xiàn)開展相應(yīng)研究。

本文分別對(duì)運(yùn)行于喀斯特山地埡口與平原開闊地帶的直流復(fù)合絕緣子進(jìn)行了憎水性測(cè)試、污穢度測(cè)量、污穢成分分析等試驗(yàn)，對(duì)比研究了絕緣子傘裙的老化特性；并結(jié)合喀斯特山地埡口的區(qū)位特征，分析了復(fù)合絕緣子傘裙老化特性的特殊影響因素。本文工作可為南方電網(wǎng)喀斯特山地埡口處直流復(fù)合絕緣子運(yùn)維提供經(jīng)驗(yàn)和參考。

2 試品情況

復(fù)合絕緣子樣品來自中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局所管轄的±500 kV 超高壓直流輸電線路。本次抽樣從天廣直流和興安直流兩條線路中隨機(jī)抽取了共30 支復(fù)合絕緣子樣本，其中20 支絕緣子樣本取自喀斯特山地埡口地區(qū)，另外10 支絕緣子取自平原地區(qū)以作為對(duì)照。所有絕緣子運(yùn)行區(qū)域均為亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，運(yùn)行環(huán)境如下：年平均氣溫16～24 ℃，年平均濕度70%～85%RH，年平均風(fēng)速2.5～4.0 m/s，以排除由于環(huán)境因素差異對(duì)絕緣子老化特性產(chǎn)生的影響。

本文對(duì)30 支絕緣子樣品均進(jìn)行了基本性能測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，絕緣子在相同環(huán)境和運(yùn)行壽命情形下的老化特性較為相似，而在不同地形條件下則表現(xiàn)出一定的差異。因此，為了重點(diǎn)研究這種差異，本文沒有列出所有樣品的檢測(cè)結(jié)果及老化狀態(tài)，而是選取了6 支最具代表性的復(fù)合絕緣子樣品開展討論。按照絕緣子運(yùn)行位置的地形特點(diǎn)將這6 支絕緣子樣品分為A 組(喀斯特山地埡口處)和B 組(平原地區(qū))，每組3 支。復(fù)合絕緣子樣品信息如表1 所示。

表1 復(fù)合絕緣子樣品信息

3 傘裙老化特性研究

3.1 憎水性測(cè)試

采用噴水分級(jí)法測(cè)試復(fù)合絕緣子傘裙材料憎水性。對(duì)6 支絕緣子樣品高壓端、中部、低壓端3 個(gè)位置的傘裙分別進(jìn)行憎水性測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

表2 樣品絕緣子傘裙的憎水性

由表2 可以看出，6 支絕緣子的憎水性分級(jí)都在HC4 級(jí)及以下，可以認(rèn)為在運(yùn)行8 年后仍然具有良好的憎水性。具體來看，A 組絕緣子樣品的憎水性均處于HC3～HC4，而B 組絕緣子樣品的絕大部分傘裙憎水性處于HC2～HC3，表明運(yùn)行于喀斯特山地埡口地區(qū)的復(fù)合絕緣子，其傘裙憎水性整體下降更快，老化更嚴(yán)重。同時(shí)，樣品A-1 和B-2 出現(xiàn)高壓端傘裙憎水性比中部和低壓端更差的現(xiàn)象，可能是由于高壓端電場(chǎng)更強(qiáng)，對(duì)傘裙憎水性產(chǎn)生一定影響。此外，A-2 和B-2 的憎水性相對(duì)本組3 支絕緣子最差，注意到這兩只絕緣子串型均為雙I 型，表明傘裙憎水性與串型可能存在一定關(guān)聯(lián)性，雙I型串掛網(wǎng)絕緣子傘裙憎水性喪失更嚴(yán)重，對(duì)傘裙老化特性更為不利。

3.2 污穢度測(cè)量

對(duì)6 支絕緣子傘裙進(jìn)行等值鹽密和等值灰密測(cè)量。將絕緣子分為高壓端、中部、低壓端三段，每段取相鄰的3 片大傘裙作為測(cè)量點(diǎn)，共9 個(gè)測(cè)量點(diǎn)。測(cè)量結(jié)果如圖1 和圖2 所示。

圖1 絕緣子樣品等值鹽密測(cè)量結(jié)果

圖2 絕緣子樣品等值灰密測(cè)量結(jié)果

從圖1 中可以看出，A 組絕緣子樣品的等值鹽密整體高于B 組絕緣子樣品，A-2 樣品的鹽密值最高，6 支絕緣子樣品的傘裙等值鹽密沿串分布未表現(xiàn)出明顯規(guī)律；由圖2 可以看出A 組絕緣子樣品的等值灰密同樣高于B 組樣品，A-2 樣品的灰密值最高。此外不同于鹽密的是，灰密值沿串分布呈現(xiàn)出兩端高、中間低的規(guī)律。這是由于直流線路絕緣子積污過程中存在極化效應(yīng)[11-12]，電場(chǎng)強(qiáng)度高的地方更容易吸附難溶污穢顆粒，因此積污量與電場(chǎng)沿串分布特征保持一致，即近似為一條“U”型曲線。

綜合對(duì)比兩組絕緣子的積污情況，可以發(fā)現(xiàn)運(yùn)行于喀斯特山地埡口處的復(fù)合絕緣子傘裙整體污穢值高于運(yùn)行于平原地區(qū)的絕緣子，表明山地埡口環(huán)境對(duì)絕緣子積污有一定的不利影響。

3.3 污穢成分分析

進(jìn)一步對(duì)絕緣子樣品污穢的組成成分及含量進(jìn)行檢測(cè)。污穢包括可溶性離子和難溶顆粒物，分別采用離子色譜儀和紅外光譜儀進(jìn)行檢測(cè)分析。檢測(cè)方法如下：首先將從絕緣子表面收集的污穢樣品放置于80 ℃烘箱中烘干24 h，然后將污穢溶解于適量蒸餾水中，靜置30 min 后取定量濾紙過濾，分離出只含可溶性組分的污液及不溶的殘留顆粒物，以便分別進(jìn)行檢測(cè)[13-14]。為了對(duì)比運(yùn)行于喀斯特山地埡口與平原地區(qū)的絕緣子在積污成分上是否存在差異，本文選取積污量最多的A-2 和B-2 絕緣子樣品進(jìn)行污穢成分分析，結(jié)果如圖3 和圖4 所示。

圖3 絕緣子污穢中可溶性離子成分及含量

圖4 絕緣子污穢中難溶物成分及含量

圖4 為兩支絕緣子樣品污穢中不溶物的成分及含量對(duì)比。可以明顯發(fā)現(xiàn)運(yùn)行于喀斯特山地埡口的絕緣子傘裙上存在CaCO3沉積，而平原地區(qū)的絕緣子表面并無相應(yīng)成分，據(jù)此很自然地推斷該成分來自喀斯特地貌特有的石灰?guī)r的風(fēng)化顆粒。由于CaCO3化學(xué)性質(zhì)不如CaSO4穩(wěn)定，在積污過程中會(huì)逐漸向CaSO4轉(zhuǎn)化，這也是不溶污穢中CaSO4含量偏高的原因。除去含鈣化合物，兩支樣品的其他難溶物成分組成基本一致，絕大部分為來自土壤和沙塵的SiO2，另外有少量的Al2O3、Fe2O3，以及微量的CaO 等金屬氧化物。

4 影響因素分析

從上述試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行于喀斯特山地埡口處的直流復(fù)合絕緣子相較于平原地區(qū)的絕緣子，在相同運(yùn)行年限下，憎水性和積污特性均表現(xiàn)出更為不利的狀態(tài)，對(duì)其傘裙老化特性可能造成更為嚴(yán)重的影響。為了探討喀斯特山地埡口處復(fù)合絕緣子傘裙性能表現(xiàn)出特異性的原因，對(duì)可能的影響因素進(jìn)行了分析。

4.1 微地形因素

喀斯特地貌以地表溝壑縱橫的巖層和連綿起伏的山峰谷地為標(biāo)志性特征，屬于典型的自然微地形區(qū)[16]，其中又以兩山相接的埡口處地形最為復(fù)雜。埡口是連續(xù)山峰間一塊相對(duì)平坦且地勢(shì)較低的谷地，輸電線路走廊從埡口處穿過可以避免直接翻過山梁，從線路整體布局上來說是十分合理的。然而單對(duì)運(yùn)行于埡口處的桿塔及絕緣子來說，其長(zhǎng)期運(yùn)行特性勢(shì)必受到這一特殊地形位置的不利影響。根據(jù)對(duì)天廣、興安直流線路的現(xiàn)場(chǎng)考察經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)線路走廊在經(jīng)過埡口時(shí)，主要有兩種桿塔布置方式：平地-埡口-山頂和平地-埡口-平地。兩種布局的示意圖如圖5 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，無論采取何種布局方式，埡口處桿塔總會(huì)與相鄰兩基桿塔之間存在海拔差，這會(huì)使垂直檔距和導(dǎo)線弧垂加大，導(dǎo)線兩端桿塔受力不均，絕緣子承受額外的水平方向拉伸負(fù)荷。該負(fù)荷的作用效果為彎矩，由于懸垂復(fù)合絕緣子承受彎矩能力不佳，從而絕緣子的長(zhǎng)期力學(xué)性能勢(shì)必受到一定程度的不利影響。

圖5 輸電線路走廊在埡口處的布置方式

4.2 微氣象因素

喀斯特山地微氣象區(qū)域的特殊性主要體現(xiàn)在埡口處的異常高風(fēng)速。根據(jù)狹管效應(yīng)[17]，當(dāng)氣流從開闊地帶流入埡口等地形狹窄的區(qū)域時(shí)，由于空氣質(zhì)量不能大量堆積，氣流將加速通過該隘口，引起風(fēng)速的顯著增大。文獻(xiàn)[9]表明，山地埡口處中軸線上風(fēng)速最大值相比平地風(fēng)速最高可高出33%，遠(yuǎn)超輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范中在平地風(fēng)速基礎(chǔ)上提高10%的規(guī)定。強(qiáng)風(fēng)對(duì)復(fù)合絕緣子傘裙運(yùn)行特性將產(chǎn)生顯著的不利影響。由于傘型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流體經(jīng)過傘裙時(shí)受其阻擋作用發(fā)生劇烈變化，傘裙迎風(fēng)面受到較大風(fēng)壓，在邊緣引起擾流的分離和渦脫落，導(dǎo)致傘裙邊沿出現(xiàn)一定程度的振動(dòng)。隨著風(fēng)速的提高，傘裙振動(dòng)頻率逐漸升高，即發(fā)生高頻大幅振動(dòng)，在傘裙根部產(chǎn)生周期性的應(yīng)力集中。長(zhǎng)期承受周期循環(huán)載荷，傘裙根部將發(fā)生應(yīng)力疲勞損傷，致使硅橡膠材料表面出現(xiàn)裂紋[18-19]。在A 組絕緣子樣品的傘裙根部均能或多或少找到裂紋，如圖6 所示，表明埡口處高風(fēng)速的確對(duì)傘裙表面產(chǎn)生影響。

圖6 絕緣子樣品傘裙根部裂紋

同時(shí)，高風(fēng)速還會(huì)引起導(dǎo)線舞動(dòng)等問題。導(dǎo)線水平風(fēng)荷載通過連接金具傳遞至復(fù)合絕緣子，使得玻璃纖維芯棒風(fēng)偏彎曲，并使傘裙、護(hù)套及端部壓接部位承受拉伸和彎曲荷載，這對(duì)絕緣子傘裙性能，乃至整支絕緣子的長(zhǎng)期機(jī)械耐受性能都是相當(dāng)不利的。

4.3 污穢因素

5 結(jié)論

(1) 相較于相同運(yùn)行年限的平原地區(qū)復(fù)合絕緣子，運(yùn)行于喀斯特山地埡口處的復(fù)合絕緣子傘裙憎水性更差，整體積污量更重，表明喀斯特山地埡口環(huán)境對(duì)絕緣子傘裙老化性能有一定的不利影響。

(2) 受埡口區(qū)域長(zhǎng)期強(qiáng)風(fēng)因素影響，絕緣子傘裙根部容易發(fā)生應(yīng)力疲勞現(xiàn)象，出現(xiàn)破損和根部裂紋，降低硅橡膠材料表面性能。若外界酸液從裂紋滲入，可能進(jìn)一步侵蝕傘裙內(nèi)部，極大加劇硅橡膠老化進(jìn)程。

(3) 喀斯特山地埡口處的絕緣子傘裙積污成分中，Ca2+1、CO2-3離子以及不溶的CaCO3含量偏多。富集的碳酸鹽在酸雨環(huán)境下能夠逐漸轉(zhuǎn)化為更具腐蝕性的硫酸根離子，加重傘裙表面蝕損及粉化等現(xiàn)象。