國內(nèi)輸電線路復合絕緣子典型故障情況調(diào)查及原因分析

盧 明， 劉澤輝， 高 超， 伍 川， 郭浚安， 李 黎

(1.河南省電力線路舞動防治技術(shù)重點實驗室，國網(wǎng)河南省電力公司電力科學研究院，鄭州，450052 2.電氣與電子工程學院，強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室，華中科技大學，武漢 430074)

0 引言

復合絕緣子由于機械性能優(yōu)異、重量輕、體積小、易安裝、耐污性能好[1-3]，自20世紀80年代在在我國的輸電線路中得到了廣泛應(yīng)用，尤其在防污閃方面發(fā)揮了重要作用。截至2014年，我國復合絕緣子已有710萬支運行于110 kV及以上電壓等級的輸電線路中[4]。隨著復合絕緣子的使用數(shù)量與運行時長的增加，復合絕緣子的性能下降與故障問題也不斷出現(xiàn)。多年的運行經(jīng)驗表明，復合絕緣子出現(xiàn)缺陷與故障，引發(fā)輸電線路事故將會嚴重影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行[5-15]。因此開展對于復合絕緣子的故障調(diào)查及原因分析，對于我國輸電線路建設(shè)與復合絕緣子保護具有重要意義。

本研究收集了自2010年1月1日至2020年7月30日，近10年全國范圍內(nèi)的復合絕緣子故障報告，進行了調(diào)研匯總，共計收集到復合絕緣子故障缺陷有效信息59條。所謂“有效”信息特指這些故障報告較為完整全面，并不是說10年來只發(fā)生了59次復合絕緣子故障。然后本研究分別對故障復合絕緣子所在線路電壓等級、故障和缺陷類型、周邊環(huán)境、故障點氣候及復合絕緣子運行時長進行了調(diào)查，主要從故障點氣候、電壓等級、運行時長3個方面進行數(shù)據(jù)整理與原因分析，為進一步的線路運行與復合絕緣子保護等分析、試驗提供依據(jù)。

1 復合絕緣子典型故障基本情況

本研究將復合絕緣子嚴重故障主要按故障表現(xiàn)形式分為內(nèi)擊穿故障與斷裂故障，其中斷裂故障按斷裂機理又可分為脆斷、酥斷(即酥朽斷裂)與大屈曲斷裂。不同故障典型故障現(xiàn)場情況如圖1所示。

圖1 典型故障現(xiàn)場情況Fig.1 Typical fault scene

在59條復合絕緣子擊穿及斷裂嚴重故障信息中，內(nèi)擊穿故障12次，占比約20%，斷裂47次，占比約80%。47次復合絕緣子斷裂故障中，脆斷23次，占斷裂故障比48.9%；酥斷22次，占斷裂故障比46.8%；大屈曲斷裂2次，占斷裂故障比4.3%。如圖2所示。

圖2 故障占比分析(總計59次)Fig.2 Analysis of the proportion of faults

2 復合絕緣子典型故障分析

2.1 故障點氣候

近年來的研究表明，環(huán)境因素會影響復合絕緣子的使用壽命，復合絕緣子的故障與故障點氣候特征具有明顯的相關(guān)性。文獻[16]指出復合絕緣子受外部的酸或水的侵蝕會加速絕緣子芯棒的老化，使芯棒在載重正常的情況也會發(fā)生脆斷，另外在文獻[17]中說明污穢嚴重的地方使復合絕緣子的等值附鹽密度增加，會加速復合絕緣子硅橡膠老化。

根據(jù)中國干濕分布圖，將收集到的復合絕緣子故障點的氣候主要分為干燥和潮濕兩類，其中干燥地區(qū)包括干旱區(qū)和半干旱區(qū)，潮濕地區(qū)包括濕潤區(qū)和半濕潤區(qū)。干燥地區(qū)和潮濕地區(qū)定義如下：

干燥地區(qū)指半干旱及干旱地區(qū)，其年降水量400 mm以下，氣候比較干燥的地區(qū)，主要包括新疆、內(nèi)蒙古高原西部、青藏高原西北部、內(nèi)蒙古高原東部、黃土高原和青藏高原大部份。

潮濕地區(qū)指半濕潤、濕潤地區(qū)及沿海地區(qū)，其年降水量大于400 mm，主要包括東北平原大部、華北平原及秦嶺淮河一線以南的廣大地區(qū)。

根據(jù)故障發(fā)生地點的氣候條件，復合絕緣子內(nèi)擊穿和斷裂次數(shù)統(tǒng)計如圖3所示。干燥地區(qū)僅發(fā)生復合絕緣子嚴重故障2次占比3.4%；潮濕地區(qū)共發(fā)生嚴重故障次數(shù)為57次，占比96.6%。潮濕地區(qū)相對于干燥地區(qū)更易發(fā)生復合絕緣子斷裂和內(nèi)擊穿故障。

圖3 不同氣候條件下故障次數(shù)Fig.3 Number of faults under different climatic conditions

干燥地區(qū)2次嚴重故障信息如表1所示。

表1 干燥地區(qū)嚴重故障信息Table 1 Serious fault information in dry areas

潮濕地區(qū)內(nèi)擊穿及斷裂故障占比如圖4所示。其中共發(fā)生故障57次，內(nèi)擊穿故障12次，斷裂故障45次。斷裂故障中脆斷、酥斷和大屈曲分別為21、22和2次。

圖4 潮濕地區(qū)各故障占比(總計57次)Fig.4 Proportion of faults in wet areas(57 times in total)

在潮濕地區(qū)中發(fā)生脆斷與酥斷故障的次數(shù)相當，在干燥地區(qū)基本不會發(fā)生酥斷故障，大屈曲斷裂故障很少見。

2.2 故障線路電壓等級

線路的電壓等級越高，對絕緣子的電氣、機械、熱性能要求也越高。調(diào)研中發(fā)生故障的電壓等級主要為110～500 kV。不同電壓等級情況下的故障次數(shù)如圖5所示。

圖5 各電壓等級發(fā)生故障次數(shù)分布Fig.5 Distribution of fault times of each voltage level

由圖5可以看出，在500 kV電壓等級下復合絕緣子發(fā)生內(nèi)擊穿和斷裂故障的次數(shù)最多，為29次，占比49.2%。

在110 kV下的9次故障中，內(nèi)擊穿4次；復合絕緣子斷裂故障全部為脆斷，共發(fā)生5次。

在220 kV下的18次故障中，同樣只出現(xiàn)內(nèi)擊穿與脆斷故障，其中內(nèi)擊穿7次；脆斷11次。

在500(330)kV的32次故障中，內(nèi)擊穿1次，斷裂故障31次。斷裂故障中脆斷、酥斷和大屈曲分別為7、22和2次。內(nèi)擊穿及斷裂故障占比如圖6所示。

圖6 500(330)kV電壓等級故障次數(shù)Fig.6 Fault times at 500(330)kV voltage level

由圖6可以看出，500(330)kV電壓等級下復合絕緣子嚴重故障中，內(nèi)擊穿故障較少，占比3%，斷裂故障占比97%。導致斷裂故障的原因依次為酥斷、脆斷和大屈曲斷裂，占斷裂故障比例分別為71%、23%和6%，其中酥斷故障全部發(fā)生在500 kV線路，所以500 kV等級線路應(yīng)重點關(guān)注酥斷問題。

對220～500 kV各電壓等級下的脆斷故障占比分析可以看出，在220 kV脆斷故障占總故障次數(shù)的62.5%，斷裂故障全為脆斷；在500(330)kV脆斷故障占總故障次數(shù)的23%，占斷裂故障的24%，脆斷故障隨著電壓等級的提高而減小，而酥斷故障只有在500 kV出現(xiàn)，說明酥斷故障隨著電壓等級的提高才逐漸開始出現(xiàn)。

對500(330)kV內(nèi)擊穿和酥斷絕緣子懸掛類型統(tǒng)計如圖7所示。

圖7 500(330)kV內(nèi)擊穿和酥斷絕緣子懸掛類型Fig.7 Suspension type of internal breakdown and decay-like fault insulators at 500(330)kV voltage level

500(330)kV電壓等級下內(nèi)擊穿和酥斷故障共發(fā)生23次，其中注明了懸掛類型的故障21次。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，故障絕緣子串懸掛類型主要為雙I串和V串(分別為6次和10次)，共發(fā)生16次，占比76%，單I串發(fā)生故障5次，僅占比24%。此次統(tǒng)計顯示雙I串和V串復合絕緣子更易發(fā)生內(nèi)擊穿和酥斷，可能的原因為雙I串和V串結(jié)構(gòu)下復合絕緣子高壓端場強畸變較大導致更易發(fā)生電老化。

2.3 故障絕緣子的運行時長

本次調(diào)研共包含59個復合絕緣子內(nèi)擊穿和斷裂故障，其中注明絕緣子運行年限共有54個(內(nèi)擊穿11次，脆斷22次，酥斷20次，大屈曲斷裂1次)，運行時長范圍1～19年。對復合絕緣子發(fā)生嚴重故障的運行時長進行統(tǒng)計，其故障發(fā)生次數(shù)隨運行時長變化規(guī)律如下圖8所示，運行時長在7～13年中復合絕緣子更易發(fā)生故障，共發(fā)生37次，占比68.5%。另外，復合絕緣子內(nèi)擊穿和斷裂故障發(fā)生次數(shù)隨運行時長呈現(xiàn)以下規(guī)律：故障上升及高發(fā)階段是在復合絕緣子掛網(wǎng)運行1～13年期間，其出現(xiàn)內(nèi)擊穿和斷裂故障的次數(shù)明顯上升，共計故障次數(shù)45次，占比83%；并在7～13年達到高峰期。故障下降階段是在復合絕緣子掛網(wǎng)運行14～19年，出現(xiàn)內(nèi)擊穿和斷裂故障的次數(shù)明顯下降，共計故障次數(shù)9次，占比17%。

圖8 不同運行時長嚴重故障發(fā)生次數(shù)Fig.8 Number of serious faults in different operation time

對于內(nèi)擊穿故障，注明絕緣子運行時長的內(nèi)擊穿故障共發(fā)生11次，故障發(fā)生次數(shù)和運行時長無明顯相關(guān)性。內(nèi)擊穿故障主要發(fā)生在運行時長5～13年內(nèi)，如圖9所示。

圖9 不同運行時長內(nèi)擊穿故障發(fā)生次數(shù)Fig.9 Number of internal breakdown in different operation time

對于斷裂故障，注明絕緣子運行時長的斷裂故障共43起，絕緣子斷裂故障在運行1～12年期間發(fā)生故障的次數(shù)整體呈上升趨勢，發(fā)生斷裂故障31次，占比72%，并在9～12年達到高峰期。運行時間在13～19年時，故障次數(shù)開始下降，發(fā)生斷裂故障12次，占比28%，這可能與很多單位在復合絕緣子運行十年后將其逐步更換有關(guān)。斷裂故障發(fā)生變化趨勢與總體故障發(fā)生變化趨勢基本一致。

對斷裂故障中的各類型故障進行進一步的統(tǒng)計分析。脆斷故障如圖10所示，注明絕緣子運行時長的脆斷故障為22次，從不同運行時長和脆斷故障發(fā)生次數(shù)分布圖可以看出，脆斷故障的發(fā)生與運行時長無明顯關(guān)系。對于基于應(yīng)力腐蝕機理的脆斷故障，由于應(yīng)力腐蝕主要是酸性物質(zhì)腐蝕芯棒，使芯棒老化，最終脆斷，目前已經(jīng)研制出無硼纖維耐酸芯棒，并已經(jīng)在輸電線路中廣泛應(yīng)用。2006年后掛網(wǎng)的復合絕緣子一般采用耐酸芯棒。

圖10 不同運行時長脆斷故障發(fā)生次數(shù)Fig.10 Number of brittle fracture in different operation time

以掛網(wǎng)時間2006年作為分界點，對2006年前后發(fā)生的脆斷故障進行統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如圖11所示，22次脆斷故障中，14次故障為2006年之前掛網(wǎng)的復合絕緣子，占比64%；2006年之后掛網(wǎng)的復合絕緣子發(fā)生脆斷8次(2010年之后掛網(wǎng)發(fā)生5起)，占比36%。明顯地，在廣泛使用耐酸芯棒后，脆斷故障數(shù)量有所減少，說明耐酸芯棒能對脆斷故障起到一定的預防作用；但另一方面酥斷故障數(shù)量占比在使用耐酸芯棒后并沒有明顯減少，說明耐酸芯棒不能解決酥斷問題。在調(diào)研中還發(fā)現(xiàn)，低電壓等級下的非耐酸芯棒沒有出現(xiàn)酥斷問題，說明酥斷故障的出現(xiàn)原因可能與高電壓等級密切相關(guān)。

圖11 脆斷故障數(shù)量Fig.11 Number of brittle fracture

酥斷故障運行時長與故障發(fā)生次數(shù)關(guān)系如圖12所示。

圖12 不同運行時長酥斷故障發(fā)生次數(shù)Fig.12 Number of decay-like fault in different operation time

注明絕緣子運行時長的酥斷故障共20起，復合絕緣子運行1～6年無酥斷、酥斷高發(fā)期為7～12年，發(fā)生故障16次，占比80%；13～19年故障偶有發(fā)生，共4次，占比20%。

大屈曲斷裂1起(共2起，其中1起未提供在運時廠)，發(fā)生地點為遼寧地區(qū)，發(fā)生電壓等級為500 kV，其投運于2009年，在2015年即運行6年后發(fā)生故障。

3 復合絕緣子典型故障原因分析

3.1 脆斷故障

在收集的59份復合絕緣子故障信息中，其中23起是由芯棒損壞引起的脆斷故障，占總故障調(diào)研的39%，芯棒脆斷已成為當前復合絕緣子所發(fā)生的最嚴重的事故。因此，復合絕緣子的芯棒斷裂事故應(yīng)引起足夠的重視。在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，復合絕緣子脆斷可在投運1～3年內(nèi)發(fā)生，也可在運行8～9年后發(fā)生，具有很大的隨機性，但是故障點氣候與線路電壓等級與脆斷存在一定聯(lián)系。在濕潤氣候條件下，復合絕緣子表面更加容易積污并產(chǎn)生無機酸液，絕緣子局部放電增加，加快傘裙護套硅橡膠的老化，在傘裙護套首先老化產(chǎn)生缺陷后，外界無機酸液可能侵入芯棒內(nèi)部腐蝕芯棒，絕緣子的承重能力下降。另一方面隨著電壓等級的提高，復合絕緣子上電壓梯度更大，在高壓端會形成較大的場強，高場強可以加速芯棒裸露處的飽和水介質(zhì)向芯棒內(nèi)部擴散；場強集中位置也更容易發(fā)生局部放電，產(chǎn)生酸性物質(zhì)，增加無機酸液，加速芯棒的腐蝕[17]。脆斷故障斷裂表面光滑，無任何有機物殘渣，斷面總是垂直指向芯棒軸線，只有很少的玻璃纖維被拉出。

3.2 酥朽斷裂故障

酥朽斷裂，或簡稱酥斷，是近年來新出現(xiàn)的一種復合絕緣子異常斷裂現(xiàn)象。在59份復合絕緣子故障信息中，22起是由酥斷引起的，占比37%，同復合絕緣子脆斷故障一樣應(yīng)引起重視。

針對復合絕緣子酥朽斷裂的研究尚處于起步階段，相應(yīng)的斷裂特征、斷裂機理、斷裂影響因素以及預防措施等關(guān)鍵問題尚無明確結(jié)論，但有文獻已表明酥朽斷裂的特征是起始劣化點在護套-芯棒界面，然后由外向里深入芯棒，護套與芯棒間界面失效是酥朽斷裂的主要誘因，酥斷與脆斷的主要區(qū)別在于環(huán)氧樹脂基體的降解與否[18-20]。從本次調(diào)研結(jié)果看，酥朽斷裂主要發(fā)生在潮濕地區(qū)、500 kV高電壓條件下。潮濕地區(qū)的濕度可能會影響侵入酸性液體的腐蝕能力，而高電壓會在絕緣子高低壓側(cè)造成高場強，高場強會在絕緣子內(nèi)部出現(xiàn)缺陷的情況下使缺陷出更易發(fā)生電暈放電，腐蝕環(huán)氧樹脂，加快劣化速度。酥朽斷裂芯棒會出現(xiàn)嚴重劣化，表現(xiàn)出來與脆斷相反的斷口表面不光滑，芯棒粉化質(zhì)地變酥，芯棒-護套界面失效，并且在酥斷故障發(fā)生前會伴有復合絕緣子的異常溫升，同時異常溫升也是檢測潛在酥朽斷裂的有效方法。

3.3 大屈曲斷裂及內(nèi)擊穿故障

1)大屈曲斷裂是復合絕緣子在發(fā)生屈曲變形時，破壞應(yīng)力超過屈曲破壞應(yīng)力而導致的絕緣子屈曲斷裂。2次大屈曲斷裂均發(fā)生在500 kV電壓等級V串中，其主要原因為500 kV相較于110、220 kV其復合絕緣子串更長，V串背風側(cè)絕緣子更容易在大風影響下發(fā)生大屈曲，當其最大彎曲應(yīng)力超過了允許應(yīng)力值，就會導致絕緣子發(fā)生大屈曲斷裂。

2)內(nèi)擊穿故障以調(diào)研中某復合絕緣子為例，該絕緣子芯棒與金具連接部位為楔形結(jié)構(gòu)，端部密封不良，長期運行后芯棒進水劣化，絕緣性能下降。受連續(xù)陰雨天氣影響，芯棒受潮嚴重，導致內(nèi)部泄露電流增大、內(nèi)絕緣擊穿，引起跳閘，而內(nèi)絕緣擊穿為永久性故障，導致重合不成。

4 結(jié)論

在全國范圍內(nèi)對不同線路復合絕緣子故障情況進行了調(diào)研分析，對故障點氣候，故障線路電壓等級、故障絕緣子在運時長與內(nèi)擊穿與斷裂故障的關(guān)系進行了討論。針對不同故障，對故障發(fā)生的可能原因進行了分析。得到以下結(jié)論：

1)在復合絕緣子運行使用中，脆斷和酥斷故障發(fā)生的可能性更大，大屈曲故障與內(nèi)擊穿故障發(fā)生可能性較小。

2)脆斷故障的發(fā)生在時間上具有隨機性，與絕緣子的運行時長無明顯關(guān)系；在使用耐酸芯棒后脆斷故障發(fā)生有所減少；并且脆斷故障會多發(fā)于潮濕地區(qū)與220 kV及以上線路電壓等級下。

3)酥斷故障多發(fā)生于運行7～12年期間，在潮濕地區(qū)更有可能發(fā)生，目前僅在500 kV電壓等級的線路上發(fā)生，但酥朽斷裂的研究尚處于起步階段，還需開展更深入的研究。

4)內(nèi)擊穿故障多發(fā)生于運行5～13年期間，在潮濕地區(qū)出現(xiàn)較多，干燥地區(qū)無故障案例，并且在110 kV、220 kV電壓等級下發(fā)生較多。