输电线路带电作业日常开展的工作中有80%左右是进行绝缘子缺陷维护、检修方面的工作，主要是保障运行中的绝缘子内部和外部完好，符合电力设备运行要求。绝缘子方面的带电作业围绕着绝缘子检测、绝缘子更换工作，在输电线路运行中因绝缘子发生的故障导致线路跳闸、停运占所有故障的95%左右，因此掌握绝缘子缺陷的原因和类型有助于设备的健康、稳定运行，发现绝缘子方面的缺陷需要及时更换新绝缘子，能实现绝缘子的完好及符合绝缘子的电力运行要求。在输电线路运行的绝缘子中，瓷质、玻璃悬式绝缘子占据2/3份额，运行中常出现的缺陷故障包括瓷质绝缘子零值、玻璃绝缘子自爆、绝缘子金属锈蚀、绝缘子断串等，上述问题一旦发生都将严重影响输电线路安全稳定运行，今天来谈谈这些缺陷、故障的原因和应对措施。
一、悬式瓷绝缘子零值
1.零值缺陷原因：（1）绝缘子质量不良，瓷绝缘子的胶装界面工艺不良、瓷件材质不良会导致零值绝缘子的产生。瓷绝缘子胶装界面存在瓷、水泥、钢等散热膨胀系数不同的材质，一般需要涂覆沥青等材料作为缓冲层，当如缓冲层太薄或与瓷、水泥等材质配合度不够，绝缘子承受外界温度变化导致界面开裂。瓷绝缘子瓷件中存在砂眼，或瓷件晶粒尺寸过大，长期运行中瓷件内部产生微裂纹，裂纹扩展到一定程度导致低零值绝缘子的产生。（2）多次遭受雷击，当杆塔遭受雷击，绝缘子就可能承受陡度、幅值均较高的冲击电压，此时瓷件承受电压最高、绝缘相对薄弱处可能产生局部放电损伤，在经受多次陡波冲击后，绝缘子瓷件头部的损伤会逐步扩展，到一定程度便导致低值绝缘子的形成。（3）机械负荷过大，严重覆冰、超出设计风速的大风造成绝缘子承受过大的机械应力，可能导致绝缘子钢脚位置开裂，产生低零值绝缘子。
早期瓷绝缘子零值大部分是自身材质原因造成，随着瓷绝缘子技术水平的提升，相应数量相对减少，而随着瓷绝缘子运行年限的增加，多次雷击造成零值的情况需要引起重视。
2.应对措施：（1）加强零值检测绝缘子，零值检测工作量大、检测效率与检测方法关系密切，在杆塔上带电检测操作难度大，是目前仍未彻底解决的一个难题。在现有技术下，可采用如下手段来提升零值检测效率：对多雷区瓷绝缘子开展抽检，更换一部分绝缘子至实验室开展抽样检测，在空气湿度较大时进行绝缘电阻测试（干燥时部分低值绝缘子难以测出），并开展陡波冲击测试，检查有无瓷件头部受损；其次是提高绝缘电阻测试电压。（2）采用疏导式防雷措施，采用并联间隙、避雷器等疏导式防雷措施，避免雷电流通过绝缘子，以减少绝缘子受损概率。（3）提升线路耐雷水平,改造接地、加强绝缘，尽量限制遭受雷击后绝缘子承受的冲击电压幅值。
二、悬式玻璃绝缘子自爆
1.钢化玻璃自爆机理，玻璃绝缘子玻璃件为钢化玻璃，其特点是表面存在压应力，内部存在张应力。玻璃件应力的生成原因是玻璃件加工中的温度变化。当已被加热至软化温度(760~780℃)的玻璃件快速冷却时，表面层急冷力收缩，但内部温度仍然较高处于膨胀状态，导致表面层收缩受阻，在表面层中留下压应力；随后内部温度降低开始收缩，但此时表面层已经硬化，导致内部收缩受阻而产生张应力。这两种应力一直到完全冷却和温度梯度全部消失后均匀分布在玻璃件内，为永久应力。玻璃绝缘子玻璃件中压应力和张应力的平衡一旦被破坏，在应力作用下会迅速产生裂纹，进而造成玻璃件粉碎，也即自爆。
2.玻璃绝缘子自爆原因及特征，玻璃绝缘子自爆的原因可分为产品自身质量原因与外部运行环境原因两类，实际案例往往同时存在两种原因：（1）产品质量原因主要是玻璃绝缘子玻璃件内部含有杂质颗粒，最常见的是NIS颗粒。NIS在玻璃件熔制、退火过程中相变状态不完全，在绝缘子投入运行后认为缓慢相变、发生膨胀，导致玻璃内部产生裂纹。当颗粒杂质的直径小于定值，可能无法通过冷热冲击予以剔除，导致运行中绝缘子自爆率过高。杂质颗粒位于玻璃件的内部张应力层时，产生自爆的概率更高，因玻璃本身是一种脆性材料，耐压但不耐拉，所以玻璃的大部分破碎是张应力引发的。内部杂质颗粒引发的自爆在投运前3年较高，此后将逐渐下降，这是判断自爆原因的一条重要规律。（2）外部原因：主要是污秽和温差变化，在积污、受潮和电场三者同时作用下，绝缘子表面泄露电流过大，产生部分干带，干带位置发生空气击穿时，产生的电弧将蚀伤玻璃伞裙，当蚀伤深度较深时将造成自爆。如果上述过程中绝缘子遭受雷击，已经受到电弧侵蚀的玻璃绝缘子自爆概率将大幅增加。积污过重是其中关键，可能是积污盐密过高，也可能是污秽中金属粉末颗粒过多。
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玻璃绝缘子自爆的特征：可能投运前几年自爆并不明显，运行几年后某一时间集中发生，局部污源发生重大变化造成积污过重；绝缘子串高压端、低压端自爆概率大于中部高压端、低压端电场较强，积污过重时其绝缘子钢脚位置先发生局部爬电；同塔未自爆绝缘子钢脚存在损伤，积污过重引发局部电弧造成钢脚附近玻璃件损伤，伞面内部存在细微裂纹。
3.应对措施：（1）入网控制，通过抽样检测机械破坏、陡波冲击性能控制入网玻璃绝缘子质量。（2）重污区使用复合绝缘子，确定因积污过重引发集中自爆的，可用复合绝缘子代替玻璃绝缘子。（3）加强巡视检查，在恶劣天气如雷击后应及时对输电线路进行特巡。（4）重视运输，基建、抢修运输钢化玻璃绝缘子时，应有保护物保护，以免受到损伤。
三、悬式瓷、玻璃绝缘子金属锈蚀
金属锈蚀：国内特高压直流、±500kV直流输电线路盘型悬式绝缘子出现钢帽、钢脚腐蚀概率较高，钢帽腐蚀集中在钢帽帽口，钢脚腐蚀集中在钢脚与水泥接触处。钢帽锈蚀的产物往往随雨水附着到绝缘伞盘，造成伞盘表面等值盐密增加，带来污闪风险；钢脚腐蚀会造成钢脚直径缩小，导致机械破坏负荷下降，此外胶装内部的钢脚腐蚀后体积膨胀，造成胶装失效。直流绝缘子的钢脚、钢帽腐蚀源于电解腐蚀产生的阳极腐蚀，在直流电源电动势作用下，与电源正极相连的金属电极失去电子，成为阳离子脱离材料表面，形成阳极腐蚀，在绝缘子表面湿润时，钢脚、钢帽相当于一对电极，伞盘表面水膜相当于电解液，流过的泄露电流将持续产生电解过程。当导线为正极性时，钢脚侧的电位较高，腐蚀产生在钢脚与水泥面交界处；当导线为负极性时，铁帽侧的电位较高，腐蚀产生在铁帽帽口处。直流绝缘子钢脚装有锌套，钢帽装有锌环，锌比钢活泼，锌套、锌环优先受到腐蚀，当锌套、锌环缺失，或者锌套、锌环一侧损失殆尽，钢脚钢帽将迅速受到腐蚀。交流绝缘子金属锈蚀：交流线路绝缘子表面的电解腐蚀概率较低，钢脚、钢帽出现锈蚀一般源于整体氧化，长期运行中表面镀锌层损失后，内部钢质开始锈蚀，一般呈现钢脚、钢帽整体变色。钢帽的锈蚀会影响伞盘表面污秽度，钢脚的锈蚀会影响机械强度，钢脚的锈蚀危害更严重。
瓷质、玻璃绝缘子金属锈蚀的应对措施：可采用补装锌环方式预防腐蚀。根据上文腐蚀位置的分析可知，锌环应装在钢帽与绝缘伞盘接触的帽口处。依据国标GB/T19443—2004规定锌套应采用纯度不低于99.8%的锌制造，熔合面积不小于环帽衔接部分的80%，锌套重量应至少为5g，外露尺寸大约是总长度的50%。锌环目前尚无颁布的标准，但目前±1100kV特高压直流绝缘子的技术规范书中已做相应规定，一般要求最大厚度至少6mm，质量至少150g。
对于交流绝缘子，当发现钢帽腐蚀、锌层破坏时，应对钢脚予以检查，如钢脚已发生腐蚀，应尽快更换；仅钢帽腐蚀时，可继续运行，但应加强监测，防止表面污闪的发生。
四、悬式瓷、玻璃绝缘子发生断串故障
1.断串机理，对于盘型悬式绝缘子而言，断串多发生于瓷绝缘子上，玻璃绝缘子极少发生断串，但也有发生的例子。对于玻璃绝缘子而言，一旦内部存在缺陷，便产生自爆，剩下残锤，此时遭受雷击或其他原因造成的闪络，残锤表面绝缘距离很短，因此能量大部分从残锤表面泄放，因此一般不会造成绝缘子的断串。对瓷绝缘子而言，当绝缘子头部瓷件存在细微裂纹等缺陷，随着运行中潮气的侵入，绝缘子头部绝缘电阻降低（形成零值绝缘子），一旦绝缘子串遭受雷击或其他原因造成的闪络，由于头部电阻极小、沿伞盘放电距离较长电阻相对较大，因此大部分能量都从瓷绝缘子头部的放电通道泄放，电弧从绝缘子头部通过时产生的热量使绝缘子炸开，产生断串。然而，当悬式玻璃绝缘子的头部发生受潮，导致头部绝缘子电阻大幅下降，此时可能导致通过玻璃绝缘子头部的放电能量增加，如果线路短路放电电流较大，则注入头部的能量有可能引起玻璃绝缘子的爆炸、断串。
2.应对措施，（1）当玻璃绝缘子出现“零值自爆”后，应及时更换自爆绝缘子，降低掉串的风险。（2）采用疏导性防雷措施，比如并联间隙、带氧化锌阀片的新型并联间隙、使用线路避雷器等，使得雷击或其他原因造成短路时，放电电弧不接触绝缘子。（3）提升线路耐雷水平，减少绝缘子串承受短路电流的概率，这一点对低电压等级线路而言相对容易，比如减少接地电阻、一定范围内增大保护角。
总结：悬式瓷绝缘子断串的关键是绝缘子产生了零值缺陷，瓷绝缘子低零值原因包括质量不良、遭受多次雷电过电压冲击、外界机械应力超标。对于瓷绝缘子低零值问题，针对性措施包括加强低零值检测、采用疏导性防雷措施、提升线路耐雷水平。悬式玻璃绝缘子自爆源于玻璃件中压应力和张应力的平衡被破坏，内部遗留杂质颗粒、外部污秽过重是自爆率过高的常见原因。对于内部杂质颗粒引发的自爆，投运前3年较高，此后将逐渐下降，绝缘子串不同位置自爆概率相同，如果残锤玻璃成放射状则自爆原因也可判定为内部杂质；对于污秽过重引发的自爆，串内高压端、低压端自爆概率大于中部，自爆发生与污源变化有对应关系。极端情况下，玻璃绝缘子自爆也会发生断串，多雷区自爆绝缘子应尽快更换。直流绝缘子的钢脚、钢帽腐蚀源于电解腐蚀产生的阳极腐蚀，伞盘表面湿润层相当于电解液；钢帽腐蚀集中在钢帽帽口，钢脚腐蚀集中在钢脚与水泥接触处。交流绝缘子的钢脚、钢帽出现锈蚀一般源于长期运行后的氧化。直流绝缘子钢脚应有锌套，钢帽应有锌环，交流绝缘子钢脚一旦腐蚀应尽快更换。
论文作者:普金龙
论文发表刊物:《电力设备》2019年第20期
论文发表时间:2020/3/16
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