架空輸電線路110kV復(fù)合絕緣子閃絡(luò)故障原因分析

福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司 黃達(dá)洋

復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)主要包括傘裙、芯棒和端部金具，具有經(jīng)濟(jì)性優(yōu)異、重量小、可靠性高、憎水性能良好等優(yōu)勢，一直以來在電力系統(tǒng)中扮演了重要角色。20世紀(jì)末期，硅橡膠材質(zhì)的復(fù)合絕緣子被首次應(yīng)用，極大地提高了我國輸電線路防污閃工作質(zhì)量。通過實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，110kV線路時常會出現(xiàn)復(fù)合絕緣子發(fā)生閃絡(luò)故障，進(jìn)而引發(fā)線路跳閘，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的供電可靠性。

據(jù)調(diào)查研究結(jié)果表明，引發(fā)復(fù)合絕緣子閃絡(luò)的原因有多種，主要包括外力破壞、污穢閃絡(luò)、覆冰/覆雪閃絡(luò)、雷擊閃絡(luò)以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)自身缺陷等，其中以復(fù)合絕緣子雷擊閃絡(luò)事故居首，占總閃絡(luò)事故的一半以上。另外，鳥糞、覆雪、覆冰、凝露等也是造成復(fù)合絕緣子閃絡(luò)事故的重要原因之一。因此，剖析復(fù)合絕緣子特性和各種故障的成因，對指導(dǎo)復(fù)合絕緣子更好地應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文從復(fù)合絕緣子特性分析入手，討論了不同類型的絕緣子故障產(chǎn)生的原因，最后提出科學(xué)防范措施，確保輸電線路運(yùn)行安全性。

1 復(fù)合絕緣子特性分析

復(fù)合絕緣子傘裙是一種高分子材料，主要成分是以Si-O鍵為主鏈結(jié)構(gòu)的聚硅氧烷材料，聚硅氧烷在經(jīng)過高溫硫化后發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的彈性體。對于復(fù)合絕緣子而言，憎水性及憎水性的遷移特性是其主要特性，同時也是硅橡膠合成絕緣子優(yōu)異的耐污濕閃絡(luò)的主要根源。憎水性是固體材料表面的一種重要物理性能，復(fù)合絕緣子是由有機(jī)硅高分子材料制備而成，因此具有良好的憎水性，這主要是由于聚硅氧烷分子極性弱，表面含有大量的非極性羥基團(tuán)，材料的表面能極低，因此表現(xiàn)出極佳的憎水性。

在實(shí)際運(yùn)行過程中，復(fù)合絕緣子長期暴露于外部環(huán)境下，極易受到外部因素干擾，導(dǎo)致材料憎水性降低。當(dāng)風(fēng)吹過，會在復(fù)合絕緣子串表面形成渦流，使得一些密度較大的粉塵（如金屬粉塵）留在絕緣子表面，日積月累下表面積淀的污穢層越積越厚，另外長期高溫日曬的環(huán)境還加速了高分子材料的老化，導(dǎo)致絕緣子表面劣化，喪失憎水性，耐污功能顯著下降。

2 復(fù)合絕緣子故障原因

事實(shí)上，復(fù)合絕緣子在投入運(yùn)行后發(fā)生故障的主要原因是，由于外部環(huán)境因素和產(chǎn)品自身性能共同導(dǎo)致的，由于我國輸電線路敷設(shè)的復(fù)雜性，復(fù)合絕緣子要在不同環(huán)境條件下運(yùn)行，因此產(chǎn)生的故障類型也多種多樣?？傮w來講，目前復(fù)合絕緣子產(chǎn)生故障主要原因大體包含鳥害、凝露、覆雪、覆冰、雷擊、污閃等，具體闡述如下。

2.1 鳥害故障

根據(jù)國家電網(wǎng)輸電線路故障統(tǒng)計(jì)分析，鳥害導(dǎo)致絕緣子閃絡(luò)故障近幾年呈上升趨勢，特別是在每年的4月和9月，鳥害故障發(fā)生概率較高，相比于一些較高電壓等級的線路，110kV低電壓等級輸電線路由于線路絕緣串的長度相對較短，因此發(fā)生鳥害故障概率大。鳥害故障中以鳥糞閃絡(luò)為首，鳥糞閃絡(luò)主要原因：一是鳥糞自身具有一定的導(dǎo)電性；二是鳥糞滴落到絕緣子串上，導(dǎo)致絕緣子串被污染，當(dāng)鳥糞累積量較大時，導(dǎo)致絕緣子發(fā)生污閃。

郝金鵬等[1]對鳥糞在絕緣子附近滴落時的空間電場分布情況進(jìn)行了系統(tǒng)分析，建立了110kV輸電線路復(fù)合絕緣子鳥糞閃絡(luò)模型，研究了鳥糞長度、均壓環(huán)、鳥糞滴落位置因素引起的空間電場的變化。研究結(jié)果表明，鳥糞長度與距離絕緣子軸心水平距離是影響鳥糞閃絡(luò)的主要因素。鳥糞長度越大，距離絕緣子軸心的距離越短，導(dǎo)致絕緣子故障概率增大。另外，復(fù)合絕緣子中均壓環(huán)的存在導(dǎo)致距離縮短，當(dāng)鳥糞長度為1100mm時，鳥糞閃絡(luò)的臨界距離為200mm。

2.2 凝露故障

近年來，復(fù)合絕緣子凝露橋接閃絡(luò)故障也頻頻發(fā)生。通常，當(dāng)物體表面溫度低于露點(diǎn)溫度時會形成凝露，其中露點(diǎn)溫度Td滿足：

Td=T-(100-RH)/5

式中：T為環(huán)境溫度，RH為環(huán)境濕度。

在秋冬季節(jié)，大氣環(huán)境溫度較低，基體表面溫度會與大氣環(huán)境溫度存在一定的溫差，光照強(qiáng)度、光照時間以及工件厚度都會影響溫差大小，在這種溫差條件下，材料表面可能發(fā)生凝露。液滴從基體表面滴落需要滿足的條件是：

mg=πr·cosθ·γ

式中：m代表液滴的質(zhì)量；g為重力加速度；r是液滴的半徑；γ為水的表面張力。

通常，同一平面中相鄰液滴之間的距離約為2cm，因此可求得相鄰兩次凝露滴水之間的時間間隔應(yīng)不大于171min，當(dāng)復(fù)合絕緣子表面還有鳥糞等污穢時，會縮短相鄰兩次凝露滴水之間的時間間隔，因此復(fù)合絕緣子每個傘裙表面上的每次的凝露滴水量會誘發(fā)傘裙間空氣間隙擊穿放電，發(fā)生絕緣子閃絡(luò)。

2.3 覆雪、覆冰故障

當(dāng)輸電線路表面負(fù)載大量積雪時，會對線路的機(jī)械性能和電氣性能產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致絕緣子沿面電場發(fā)生畸變，發(fā)生局部放電和電弧，引發(fā)復(fù)合絕緣子閃絡(luò)故障。

王濤等[2]針對覆雪引發(fā)復(fù)合絕緣子閃絡(luò)故障進(jìn)行了系統(tǒng)研究，以110kV復(fù)合絕緣子為研究對象，重點(diǎn)對覆雪的厚度、空氣間隙位置和長度等對絕緣子沿面電場分布的影響進(jìn)行了討論。試驗(yàn)結(jié)果顯示，大量覆雪導(dǎo)致了絕緣子沿面電場發(fā)生畸變，與未覆雪的復(fù)合絕緣子相比，表面沉積積雪的絕緣子沿面最大場強(qiáng)提高了將近3.4倍，并且隨著覆雪厚度的增加，局部場強(qiáng)逐漸增大；另外，當(dāng)覆雪的絕緣子表面存在空氣間隙時，由于空氣間隙承擔(dān)了絕緣子大部分壓降，導(dǎo)致了間隙處的場強(qiáng)較大。

2.4 雷擊故障

在復(fù)合絕緣子閃絡(luò)故障中，雷擊閃絡(luò)發(fā)生概率較高，占總閃絡(luò)事故率的50%以上。通常來講，電極間的干弧距離是決定絕緣子串臨界沖擊閃絡(luò)電壓的關(guān)鍵，而與材質(zhì)本身影響不大。但事實(shí)上，復(fù)合絕緣子發(fā)生雷擊故障閃絡(luò)概率也較高，這是因?yàn)閺?fù)合絕緣子的傘裙直徑在80～160mm，而其他類型絕緣子，如瓷絕型和玻璃型絕緣子其傘裙直徑均在254mm以上，可見對于相同串長而言，復(fù)合絕緣子的空間電弧距離更小一些，導(dǎo)致其耐雷水平較低，易發(fā)生閃絡(luò)。在復(fù)合絕緣子的工程應(yīng)用中，可考慮合理加大復(fù)合絕緣子的串長來保證一定的干弧距離，提升復(fù)合絕緣子的耐雷水平，提升復(fù)合絕緣子的使用安全性。

2.5 污閃故障

復(fù)合絕緣子傘裙材質(zhì)為硅橡膠，具有優(yōu)異的憎水性能，但由于復(fù)合絕緣子長期暴露于大氣環(huán)境中，導(dǎo)致硅橡膠材質(zhì)發(fā)生老化、性能下降，另外在長期運(yùn)行下復(fù)合絕緣子表面還會積污，如不進(jìn)行及時清理會使得污染物積累的量越來越多，致使傘裙憎水性降低，加大了污閃故障發(fā)生的概率。但與常規(guī)其他類型絕緣子（如玻璃、瓷絕緣子）相比，復(fù)合絕緣子在污閃方面體現(xiàn)出一定的優(yōu)勢。

2.6 產(chǎn)品自身問題

產(chǎn)品自身設(shè)計(jì)、質(zhì)量問題直接決定了復(fù)合絕緣子的整體性能。芯棒是復(fù)合絕緣子的“心臟”，當(dāng)芯棒遭受破壞如發(fā)生擊穿、斷裂等會導(dǎo)致復(fù)合絕緣子難以發(fā)揮作用，另一個重要問題就是復(fù)合絕緣子芯棒與傘套界面之間的密封情況，當(dāng)密封不良存在縫隙時，外界污染物易于進(jìn)入內(nèi)部腐蝕芯棒。與此同時，還要注意均壓裝置設(shè)計(jì)的合理性，一旦均壓裝置設(shè)計(jì)不當(dāng)或安裝使用方法不科學(xué)，都會降低保護(hù)效果。

3 防范措施

3.1 加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)管理

一旦復(fù)合絕緣子投入應(yīng)用后，要做好定期檢查工作，主要檢查項(xiàng)目包括機(jī)械性能、憎水性能、老化性能以及電氣性能等，建立使用臺賬，做好數(shù)據(jù)記錄。另外，對于一些運(yùn)行年限較長的復(fù)合絕緣子，還要加強(qiáng)對外觀和老化性能的檢測評估，縮短檢查周期，一旦發(fā)現(xiàn)傘套材料脆化、粉化、破裂等問題要引起注意，必要及時進(jìn)行及時更換。

3.2 合理制定防范鳥害故障措施

現(xiàn)階段，電力系統(tǒng)在預(yù)防鳥害方面制定多項(xiàng)措施，如安裝防鳥刺、防鳥罩、風(fēng)鈴等來驅(qū)趕鳥類或者不讓其停留在復(fù)合絕緣子正上方。近年來，隨著復(fù)合絕緣子鳥糞閃絡(luò)故障發(fā)生概率加大，研究人員在防鳥措施方面不斷優(yōu)化，主要包括：一是優(yōu)化防鳥罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?？稍邙B罩上加工一些溝槽或加裝引流板來引導(dǎo)鳥糞滴落方向；二是安裝新型防鳥裝置。如超聲波驅(qū)鳥器、聲光型驅(qū)鳥器等，通過播放鳥類敏感聲音來驅(qū)趕鳥類遠(yuǎn)離桿塔；三是加強(qiáng)復(fù)合絕緣子外形及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得鳥類不易在絕緣子上站立；四是多種防鳥裝置聯(lián)合應(yīng)用加強(qiáng)防護(hù)。

3.3 強(qiáng)耐雷復(fù)合絕緣子的設(shè)計(jì)

近年來，隨著復(fù)合絕緣子技術(shù)的日趨成熟在電力系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，但由于與其他類型絕緣子相比，復(fù)合絕緣子工程應(yīng)用時間較短，因此在耐雷水平設(shè)計(jì)方面還不夠完善，導(dǎo)致閃絡(luò)事故不斷發(fā)生。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)合絕緣子均安裝了屏蔽環(huán)，使得復(fù)合絕緣子傘裙間距被壓縮，致使耐雷性能下降?，F(xiàn)階段，技術(shù)人員對復(fù)合絕緣子進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，大大降低了復(fù)合絕緣子雷擊閃絡(luò)，開發(fā)了一種經(jīng)濟(jì)性優(yōu)異，耐雷性能良好的強(qiáng)耐雷復(fù)合絕緣子，通過在第2片和第4片絕緣子上增加2片金屬鋁箔貼膜，來改善絕緣子的電容分布，限制雷電過電壓作用在絕緣子上電場分布畸變，實(shí)現(xiàn)降低絕緣子閃絡(luò)事故，另外金屬鋁箔具有優(yōu)異的柔韌性和延展性，可設(shè)計(jì)性較強(qiáng)，方便易施工，還具有極佳的導(dǎo)熱性能，易于實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，因此具有較高的推廣應(yīng)用價值。

3.4 加強(qiáng)新材料、新技術(shù)的應(yīng)用

雨雪、大風(fēng)、凝露等是一種自然現(xiàn)象，難以避免。近年來，由于大雪、冰凍天氣的頻繁出現(xiàn)，給輸電線路的防冰和除冰工作帶來了一定的挑戰(zhàn)。功能涂料是一種新型的功能材料，作為一種新型防冰技術(shù)在電力系統(tǒng)得到了廣泛關(guān)注，通過在復(fù)合絕緣子表面涂覆功能性涂料，一方面由于涂層具有優(yōu)異的拒水性，減小了冰雪的附著力，使得覆冰易于從絕緣子表面脫除，另一方面是有效減少過冷卻水滴的捕獲率，來減少絕緣子的覆冰重量。

目前，代表性的復(fù)合絕緣子用功能涂料有超疏水涂料、電熱型涂料和光熱型涂料[3]，具體闡述如下：

一是超疏水涂料。超疏水涂料也稱拒水涂料，將該材料涂覆在復(fù)合絕緣子表面會賦予絕緣子優(yōu)異的憎水性，其表面接觸角通常不小于150°，當(dāng)水滴滴落至復(fù)合絕緣子表面時，在基于材料優(yōu)異的憎水性下，水滴大多呈珠狀分布而順利從涂層表面滑落，未在復(fù)合絕緣子表面鋪展，進(jìn)而減少覆冰發(fā)生的概率。

二是電熱型涂料。電熱型涂料按照黏結(jié)劑的類型可分為無機(jī)系和有機(jī)系，其中無機(jī)系電熱涂料應(yīng)用更為廣泛，無機(jī)系電熱涂料主要是通過將一些具有導(dǎo)電功能的粒子（如金屬粉體、金屬氧化物粉體、石墨粉等）加入涂料中，絕緣子在覆冰過程中表面涂層產(chǎn)生泄漏電流，產(chǎn)生一定的電熱效應(yīng)，致使冰層融化，減少復(fù)合絕緣子的覆冰量。

三是光熱型涂料。通過在涂料中加入具有一定吸光性能的功能填料，來調(diào)控涂層的太陽光吸收率，進(jìn)而將光能轉(zhuǎn)換為熱能，已達(dá)到減少覆冰量的效果。該技術(shù)具有綠色、安全、可持續(xù)的特點(diǎn)，具有較高的推廣應(yīng)用價值。

4 結(jié)論

架空輸電線路在電力系統(tǒng)中占據(jù)重要位置，一旦發(fā)生故障將會給國民經(jīng)濟(jì)帶來較大損失。降低復(fù)合絕緣子故障率是確保輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要途徑之一，在實(shí)際工作中，要選用強(qiáng)耐雷絕緣子，并加強(qiáng)對復(fù)合絕緣子積污狀況的監(jiān)測，對于覆冰區(qū)應(yīng)采用大盤徑、大傘裙結(jié)構(gòu)復(fù)合絕緣子，合理制定防范鳥害故障措施，并加強(qiáng)新材料、新技術(shù)的應(yīng)用，完善復(fù)合絕緣子功能，提高復(fù)合絕緣子的運(yùn)行可靠性。