广州地区复合绝缘子运行状态浅析

【摘要】本文根据复合绝缘子的试验结果，对复合绝缘子断裂事故的原因进行了分析，对广州地区目前挂网运行的绝缘子运行状态进行了分析，总结了复合绝缘子常见缺陷类型，针对广州地区提出了复合绝缘子使用的建议，为有效降低复合绝缘子缺陷，避免出现掉串事故提供参考。

【关键词】复合绝缘子;试验;分析

引言

近年来，随着国内厂家制造工艺的水平逐步提高，复合绝缘子凭借着电气性能优越，机械强度高、耐污性能好、抗污闪强力强等优点逐步在越来越多的高压输电线路中得到使用，特别是运行中的输电线路防污调爬，处在III级及以上污区的线路悬垂串通常选用复合绝缘子。面对日益增多的复合绝缘子的使用，如何保证复合绝缘子安全、稳定的运行，成为目前架空线路维护的重要课题之一。

1.绝缘子掉串事故浅析

1.1 事故现场基本情况

2009年11月10日，500kV蓄能电厂AB联络线π架B相复合绝缘子发生断裂，断裂绝缘子为单串耐张挂线方式。该故障复合绝缘子为德国RODURflex公司于1998年生产，1999年投入电网运行，是广州地区电网第一次引进国外的进口绝缘子，产品基本参数：等径伞直径φ166mm，共67个伞，结构高度为4370mm，最小电弧距离为4040mm，爬电距离为11990mm，SML225kN，均压环为闭环，型号460×400-φ46。从故障绝缘子外观看来，绝缘子伞裙及护套积污较重，伞裙颜色褪化，变成灰黑色（材料基色为天蓝色）。

同批次产品在我局电网中仍然有不少运用，截止故障发生时，初步统计：500kV蓄增甲、乙线、AB联线共计451串挂网运行。

1.2 事故绝缘子外观检查

我们对故障复合绝缘子进行复原。故障区域发生在高压端附近，金具处与高压侧第4伞和第5伞之间分别有一个断裂口。

从断裂口检查芯棒变化情况，可以看到断裂处芯棒大部分区域已经碳化发黑，没有变黑的区域也开始发黄。仔细观察金具处断口，可以发现金具与伞裙材料之间结合处有灰尘等异物，并存在一圈锈蚀的痕迹。金具处的断口较平整，属于脆性断裂，而高压端第4伞和第5伞之间的断口呈拉丝状。

图1分别为密封良好绝缘子金具部分和故障绝缘子金具部分轴向剖面情况。由图中可以看到：从故障绝缘子金具、芯棒及护套材料的三结合处开始沿着芯棒向低压端方向有一条发展越来越严重的放电烧蚀通道，通道内芯棒已经碳化发黑。

图1 完好的绝缘子与事故绝缘子端部轴向剖面对比

我们也对故障绝缘子其他部位进行了检查：仔细检查伞裙及护套材料外观后，发现护套材料表面从高压端第1伞裙到第33伞裙位置均有出现很多电弧烧蚀口，现场表明芯棒内部放电通道可能已经發展至高压侧第32、33伞裙位置。

1.3 同批次同型号绝缘子常规试验分析

2007年，我们对广州供电局500kV蓄增甲线#08塔与故障复合绝缘子同批次的产品进行了抽检，共12支。

试验结果为：电气及机械特性基本良好;当时外观检查项目包括憎水性、外观检查，发现伞裙材料出现不同程度的粉化、硬化，伞裙对折能够折断。表1与表2分别为拉伸试验与渗透性试验结果。

表1 拉伸试验

试品编号 耐受负荷值kN 耐受时间min 破坏负荷值kN 破坏状态 平均值X kN 标准偏差s kN X-3s

N0.1 225 1 242 球窝拉开 246.08 11.51 211.55

N0.2 225 1 233 球窝拉开

N0.3 225 1 260 球窝拉开

N0.4 225 1 245 球窝端拉脱

N0.5 225 1 230 球窝端拉脱

N0.6 225 1 258 球头拉断

N0.7 225 1 258 球头拉断

N0.8 225 1 257 球头拉断

N0.9 225 1 240 球头拉断

N0.10 225 1 251 球头拉断

N0.11 225 1 251 球窝拉开

N0.12 225 1 228 球头拉断

表2 渗透性试验

试品编号 额定负荷kN 规定负荷kN 施加负荷kN 耐受时间min 渗透剂作用时间min 试验结果

N0.1 225 157.5 158.2 1 20 经剖检，金属附件与绝缘护套间面无渗透现象，试验通过。

N0.4 225 157.5 158.0 1 20

N0.10 225 157.5 158.5 1 20

在2007年度的复合绝缘子抽检报告中，根据外观检查项目的总体结果给出了对运行中同批次复合绝缘子加强抽检的建议。

2009年11月，结合停电检修的机会，蓄能电厂拆下AB联线的4串同批次复合绝缘子进行抽检试验，试验结果为：电气及机械特性基本良好;当时外观检查项目包括憎水性、外观检查，发现伞裙材料出现不同程度的粉化、硬化，伞裙对折能够折断。表3与表4分别列出了拉伸试验与渗透性试验结果。

表3 机械负荷破坏性试验结果

试品编号 破坏值KN 破坏状态

N0.1 265 球窝开裂

N0.2 265 球头拉断

N0.4 271 球头拉断

表4 密封性能试验结果

试品编号 额定负荷kN 施加负荷kN 耐受时间min 渗透剂作用时间min 试验结果

N0.1 100 70.1 1 20 经剖检，金属附件与绝缘护套间面无渗透现象，试验通过。

2009年11月，广州供电局委托华北电力大学对事故绝缘子同批次、型号的绝缘子进行了材料化学分析。主要进行了绝缘子表面微观形貌分析、绝缘子表面憎水性分析、绝缘子表面材料红外分析、绝缘子试样内部电荷及陷阱能级分析等。通过对比分析现场老化硅橡胶绝缘子伞裙材料以及国产未老化的橡胶材料相关性能可以得出：

（1）长期运行硅橡胶绝缘子伞群表面将会积累起较严重的污秽，污秽层可能会完整地覆盖伞群表面，从而使伞裙表面失去原有的蓝色而整体呈现出黑色的状态;

（2）虽然长期运行绝缘子伞裙表面会被一层完整的污秽层覆盖，但该污秽层在经过长时间的憎水迁移后仍可获得良好的憎水性，且迁移后污秽表面的憎水性随杆径处、伞群上表面、伞群下表面依次减弱，这是与绝缘子表面的老化程度及污秽积累状态有关;

（3）长期运行绝缘子伞群上表面及杆径处的污秽量较多、但结构相对疏松，而伞群下表面污秽量少、结构相对致密;伞群的污秽表面及洁净表面均存在大量的裂纹，这些裂纹长度介于数十微米到2毫米左右，洁净伞群表面的裂纹宽度在5到30微米之间，表面粉化厚度介于150到300微米间;杆径硅橡胶护套材料洁净表面仅出现了极少量的微裂纹，裂纹长度较短且伞裙表面粉化层厚度也要远小于伞群表面。这些说明绝缘子伞裙材料的老化程度要远严重于杆径护套硅橡胶材料表面;

（4）红外吸收光谱分析表明，老化后硅橡胶伞群表面的Si-O-Si基团和Si-C基团发生了严重的裂解，伞群上表面比下表面严重，而杆径护套表面的Si-O-Si基团和Si-C基团并未出现严重裂解现象，进一步证明绝缘子伞群表面的老化要远远严重于杆径处;

（5）通过伞裙材料进行热刺激电流分析发现，现场运行硅橡胶复合绝缘子两端伞群材料内部的陷阱能级要高于中间伞群材料内部的陷阱能级，且均高于国产伞群材料内部的陷阱能级，由于高陷阱能级将可能导致高能破坏粒子的产生，为此将可能进一步导致硅橡胶材料的老化裂化，从而将可能导致现场运行硅橡胶绝缘子伞裙材料出现加速老化现象。

综上，通过对该串现场运行绝缘子进行微观物理化学性能的分析可知该绝缘子串表面硅橡胶材料已经發生了严重的粉化老化现象，伞群硅橡胶材料的综合性能发生了严重的下降，且伞群部位的老化程度要严重于杆径部位的老化程度。这是由于绝缘子串在长期现场运行过程中除了要承受电、热的联合老化，导致硅橡胶表面材料出现逐步的老化所致，同时由于伞裙材料还长期承受着太阳紫外光的照射，为此将导致伞裙材料出现更为严重的老化。为更进一步了解该批次绝缘子的综合性能快速下降的原因，需要在后续研究过程中针对该批次悬挂于不同位置处的绝缘子、具有相同配方的新绝缘子、同期投运性能良好的国产绝缘子以及国产未投运新绝缘子的微观物理化学性能进行综合对比分析，以获得该批次绝缘子性能快速裂化的根本原因。

1.4 本章小结

根据运行人员叙述，发现跌落地面绝缘子的两部分：高压侧4个伞裙和金具两个部分位置在一块，结合复合绝缘子故障前受力，判断高压侧第4伞裙和第5伞裙之间位置断裂口属于运行中损坏，而金具处的折断口是随导线跌落地面时绝缘子再次折断形成。

经现场初步分析，造成复合绝缘子断裂的可能因素有：

（1）端部密封性遭到破坏。虽然故障复合绝缘子端部附件采用了压接式连接工艺，但金具、芯棒及护套材料的结合面未采取防受潮措施。故障复合绝缘子高压端附件三结合面存在锈蚀发黄痕迹说明密封已经遭到破坏。

（2）均压环装置设计不合理。复合绝缘子端部加装均压装置的目的一是改善端部电场分布，二是均压装置具有引弧作用，使放电发生在均压装置间，保护伞裙、护套以及端部不被电弧灼伤。故障绝缘子采用环形均压装置，均压装置与端部金具边缘处于同个一水平面，罩入深度不够，起不到均匀端部电场的作用，使复合绝缘子高压端承受大部分的运行电压，场强高度集中。

（3）护套材料的性能不佳。经现场检查，高压端硅橡胶材料憎水性下降到了HC4-HC5，局部地区已经形成连续水膜，分级已经达到HC6-HC7。护套材料不同程度地出现了硬化、粉化现象。材料配方没有达到最优，高电场、多气候等恶劣运行条件下，材料抗老化性能不足，端部材料容易老化，潮气伺机进入端部。

从以上分析可知，本次事故应该是由于均压环装置安装设计不合理使得高压端电场高度集中，污湿条件下端部绝缘材料持续放电老化，密封遭到破坏导致端部水分侵入，环氧树脂芯棒产生酸腐蚀和电腐蚀，不断向低压端发展，且径向范围越来越大，在径向范围足够大的地方机械强度下降到断裂程度，最终导致芯棒整体断裂，导线脱落。

2.广州地区近年复合绝缘子运行状态简析

2.1 近年广州电网复合绝缘子抽检结果概述

每年，广州供电局都会抽取约30支左右挂网运行的复合绝缘子进行试验。近年来，试验结果表明，多数运行超过7年的复合绝缘子伞裙均有老化现象，憎水性较差，大部分达到HC4-HC5级，绝大部分试品额定机械负荷耐受试验通过，但其破坏值分散性较大，安全稳定运行性低。

2.2 广州地区近年复合绝缘子典型缺陷简析

（1）500kV北增甲线#59塔B相复合绝缘子断裂

2008年11月19日，输电部在例行巡视中发现500kV北增甲线#59塔B相双V串复合绝缘子中的一支断裂。现场检查杆塔、导线、挂线金具无异常。

断裂的复合绝缘子型号为FXBW4-500/210，系广州市迈克林电力有限公司2001年产品，位于#59塔B相（中相）双V串的左后位置（面向大号）。制造工艺为：硅橡胶外套整体注射、金具与环氧耐酸芯棒压接。开绝缘子在运行中未发生雷击闪络及其他异常情况。

在高压端附近区域，由于护套与芯棒界面之间存在放电，致使芯棒表面被高温碳化，形成局部导电通道。分析认为上述灼伤口是由于芯棒与护套材料界面形成局部导电通道后，外部湿污产生局部放电电弧引发的烧蚀。

经过分析，事故原因是由于故障绝缘子护套与芯棒界面在折断处附近存在界面粘接不紧密，存在气隙，导致电场局部集中。其次，绝缘子均压环结构不合理造成绝缘子高压端的复合绝缘子伞裙承受到比其它部位高3～5倍的电场强度，而绝缘子断裂处正处于高场强位置，并且，在轴向电场作用下放电沿着芯棒与护套界面不断向低压端扩展，芯棒表面被电弧高温碳化，甚至出现烧穿护套的现象。而且金具端部的均压环还对高压端附近芯棒相当于施加了一个切向电场，综合电场作用下使得放电还会向芯棒体内发展，即伴随有体击穿。放电产生的硝酸也会沿轴向和切向腐蚀芯棒，加剧了芯棒机械性能下降。最终，运行复合绝缘子载荷能力下降到一定程度时，发生断裂。

（2）220kV黄开甲乙线#03塔绝缘子闪络

2009年2月4日晚上，广州供电局输电部夜查过程中发现，220kV黄开甲乙线#03塔（与220kV开华甲乙线#09塔同塔四回路架设）的绝缘子出现强烈爬电现象，特别是晚上20：00-22：00前后湿度大于80%时，肉眼可见整串绝缘子“点灯笼”，爬电现象持续不止，严重威胁到了电网的安全运行，如图2所示：

图2 绝缘子爬电现象

经各专家现场核实及讨论分析，该现象是近期才发生的，主要是由于临近220千伏黄开甲乙线#03塔的黄埔电厂7个冷却塔的水汽中含有大量的导电介质，出口的高温水汽顺着南风（或东南、西南风）吹袭笼罩复合绝缘子串时，每串绝缘子多个伞裙就会同时出现外绝缘爬电现象，200米外明显可见。电弧产生的高温已烧蚀硅橡胶表面，红外测温表面温度最高达34℃，高于运行标准，严重危及线路运行安全，属紧急缺陷。广州供电局输电部对现场情况进行充分评估后决定立即启动线路抢修应急预案，申请紧急停电进行绝缘子更换处理，并在新的玻璃绝缘子表面涂喷PRTV以提高绝缘子的抗污能力，避免绝缘子闪络造成事故。更换后，无爬电现象。

3.总结与建议

自上世纪90年代初开始大规模推广使用硅橡胶复合绝缘子以来，线路维护工作量大大减少，绝缘子闪络跳闸次数明显降低。但由于当时国内复合绝缘子制造技术水平落后，我国早期内楔式复合绝缘子产品生产工艺上带有缺陷，特别在南方雨多以及海边盐雾潮湿地区长期运行后，个别早期复合绝缘子容易发生断串和内绝缘击穿事故，给输电线路带来隐患。

经上述分析，目前广州区电网发生的复合绝缘子事故、缺陷的主要原因有以下几点：

（1）环境问题。广州地处沿海，雨多、盐雾、潮湿使得挂网的复合绝缘子运行在一个环境极差的状态中，加速了复合绝缘子表面硅橡胶的老化，减短了复合绝缘子的实际运行寿命。

（2）结构和工艺原因。复合绝缘子相对悬式瓷、玻璃绝缘子而言易遭受工频电弧损坏，表现为伞裙和护套粉化、电蚀和漏电起痕及碳化严重、芯棒暴露和机械强度下降。所以复合绝缘子一定要在两端安装均压装置，使工频电弧飘离绝缘子连接区不因漏电起痕及电蚀损导致密封性能破坏，但均压环的安装位置有较高的要求，如果均压环与端部金具边缘处于同个一水平面，罩入深度不够，不但起不到均匀端部电场的作用，更会使复合绝缘子高压端承受大部分的运行电压，场强高度集中。

针对目前，随着复合绝缘子制造工艺水平的提高，复合绝缘子越来越多的被应用到运行的线路中，为保证复合绝缘子安全运行，初步建议如下：

（1）建议电网中220kV及以上复合绝缘子均采用双串布置方式，增加线路运行安全系数;

（2）针对运行超过10年的复合绝缘子进行更换，如无更换条件，应增加抽检、巡视密度;

（3）均压环的安装无疑有助于改善高压端，尤其是前几个伞裙的电位分布情况。为使得均压屏蔽环的均压效果发挥得更好，建议有关机构开展復合绝缘子表面电场优化的研究工作;

（4）针对不同时期的各厂家复合绝缘子，特别是类似结构的复合绝缘子，制定合理的抽检周期，特别是运行超过5年的复合绝缘子应加强抽检;

（5）加强复合绝缘子红外热像测温，做好统计，积累资料，对发现问题即行处理;

（6）V型串运行方式下复合绝缘子不仅需要承受轴向力，而且又受到切向力的作用。目前，复合绝缘子V型串布置方式已有不少运用，但是机械性能方面缺乏相应的技术参考，因此，有必要开展运行条件下并联绝缘体受力状态的计算工作，为实际运行提供依据。

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