（深圳供电局有限公司1、2 广东.深圳 518000）
摘要：复合绝缘子断裂严重影响了高压架空输电线路的安全稳定运行。本文以深圳电网500 kV岭深乙线复合绝缘子断裂事故为例，通过对断裂的绝缘子进行红外和紫外检测，找出了该绝缘子的断裂原因。结果表明，处于局部强电场中的复合绝缘子，在长期受到弱酸腐蚀时，其芯棒机械性能不断降低，进而导致该绝缘子断裂；在避免线路停电的情况下，通过对复合绝缘子进行红外和紫外检测，可以迅速查找出其内外部缺陷。为防止复合绝缘子发生断裂事故，可从改善复合绝缘子本身性能及其运维策略等方面采取措施。
关键词：复合绝缘子；断裂；缺陷检测；分析；运维策略
Composite Insulators Fracture Analysis and Its Operation & Maintenance Strategy
YE Jiaqing1，Huang Jinlong2，Liu Bingcai2
（1、2．Shenzhen Power Supply Bureau Co. Ltd，Shenzhen 518000，China）
Abstract: The fracture of composite insulators imposes great danger to the operation safety and stability of power lines. Taking the fracture of composite insulators of the 500 kV Ling Shen Line B as an example, we analysis the mechanism and reasons of the composite insulators fracture and detect them by the infrared thermography and ultraviolet corona, which shows that the mechanical properties degradation of composite insulators mandrel is the significant reason for the fracture under the circumstances of combined action between local high field and weak acid corrosion. Therefor, adopting the infrared thermal and ultraviolet corona detection can effectively discover the defects in composite insulators that numerous internal and external defects of power equipments can be quickly diagnosed through the online real-time detection without power cut and sampling. In order to protect composite insulators from fracture, we can take measures to improve the composite insulators property and its operation and maintenance strategy, etc.
Key words: composite insulators；fracture；defect detection；analysis；operation and maintenance strategy
引言
与玻璃绝缘子、瓷质绝缘子相比，复合绝缘子具有体积小、重量轻、耐污性能好、绝缘强度高、易安装、维护成本低等特点，目前已在电力系统中得到了广泛应用[1]。然而，由于受到外部因素的影响以及运行年限的增加，发生复合绝缘子断裂的事故也越来越多。因此，检测运行中的复合绝缘子的性能，及时掌握其运行状态并消除缺陷，是非常重要的。
1 复合绝缘子断裂情况
2011年11月23日，深圳供电局输电管理所线路部专业人员在线路巡视过程中发现，500kV岭深乙线N21塔A相双串复合绝缘子中大号侧串高压端接近均压环处发生断裂。由于该铁塔处挂点方式为双串绝缘子，因而未造成导线掉落的严重后果。
该铁塔三相绝缘子串悬挂形式均为双联悬垂式，型号为FXBW-500/180-A，采用硅橡胶外套整体注射方式，共 50 片大伞裙、104 片小伞裙，伞裙设计方式为1片大伞裙、2片小伞裙，且两端均装有开口均压环（如图1），于2006年在深圳电网500kV岭深乙线挂网运行。
2 断裂情况及试验结果分析
2.1 断裂基本情况
（1）断裂发生在绝缘子高压端第1片和第2片大伞裙之间，护套和伞裙无变硬迹象，断裂面有较长的束状拉丝产生，色泽较白，无碎片，如图2所示。
（2）绝缘子高压端护套表面有许多蚀损孔和外凸点，主要位于第2片至第17片大伞裙之间，这些蚀损孔和外凸点呈直线分布，如图3所示。
（3）故障串绝缘子高压端的均压环未安装到位，距离正确卡位约5mm。
2.2 试验结果分析
（一）整体观测分析
通过外观检查，发现断裂的复合绝缘子串伞裙材料本身并没有发生明显的老化现象，说明芯棒护套上的蚀孔和突起并不是由于护套材料表面老化造成的。
（二）断口横切面观测
断口不整齐，表明该断裂不是脆断现象。芯棒断口处有两种颜色：乳白色、深褐色，前者约占1/3面积，后者约占2/3面积。芯棒深褐色区域受到严重蚀损，已严重脆化，绝缘子整体断裂之前，该区域可能已经发生断裂[2]。因此，绝缘子整体断裂发生时乳白色区域与深褐色区域受力特性不同，使得断口处并不整齐。
（三）表面蚀损点观测
芯棒护套表面主要呈外凸和蚀损孔两种形态。外凸部分由硅橡胶和沙粒状的杂质构成，并且与周围的硅橡胶材料分界明显，所以外凸部分掉落后，形成蚀孔。
通过解剖断裂绝缘子，发现护套表面的烧蚀点与芯棒蚀损的长度基本相同。由于芯棒的内绝缘受到蚀损的影响而降低，使得护套表面的电位低于芯棒蚀损分界处的电位，因而形成电位差，逐渐由护套内部向外部发生放电现象，因此，护套表面材料性能较差的地方长时间受到局部放电而发生老化，最终形成外凸现象。
（四）表面污秽度测量及憎水性分级
测量结果表明：断裂的复合绝缘子的灰盐比较高，且绝缘子上表面已经基本丧失憎水性，下表面的憎水性下降较多。测量值见表1和表2.
（五）运行电压下特性分析
对断裂的复合绝缘子逐级加压，每级电压耐受5分钟，利用红外热像仪观测其表面温度变化，结果发现在加压15min后绝缘子中部温度偏高，这是由于与发热区域对应的绝缘子外护套有多个蚀损点引起。
通过紫外成像仪观察绝缘子不同电压下的紫外特性，没有观测到绝缘子的电晕放电现象。
（六）解剖试验
对断裂绝缘子的高压端金具附近的第25个大伞单元的护套进行解剖时，护套剥离困难，并在剥离时护套断裂，部分剥离位置出现粘结不牢的现象，如图5所示；芯棒没有发生粉化现象，但部分芯棒玻璃丝粘附在护套硅胶上，如图6所示。
3 断裂原因分析
3.1 芯棒弱酸腐蚀
500kV岭深乙线位于深圳市东部沿海地区，盐密高、湿度大、气体腐蚀性强。
由于高压架空输电线路的导线附近存在强电场，空气中的氮气在该电场的作用下与氧气和水分子发生化学反应产生弱硝酸，并与空气中的其它酸性物质一起形成弱酸性溶液，而部分复合绝缘子的护套在生产时含有缺陷，在此强电场的作用下，弱酸性溶液对护套缺陷处产生电蚀损并逐渐渗透到绝缘子芯棒中致使其中的环氧树脂发生水解和粉化，最后失去对玻璃纤维的保护。
a.局部放电的化学反应式：
3O2 → 2O3
N2 + O2 → 2NO
2NO + O2 → 2NO2
NO + O3 → NO2 + O2
b.与水分子作用的化学反应式：
2NO2 + H2O → HNO3 + HNO2
HNO2 + O3 → HNO3 + O2
c.结构形如RCOOR′的树脂的水解过程(R、R′—其它基团)：
RCOOR′+ H2O?RCOOH + R′OH
由于玻璃纤维对酸性物质较为敏感，纤维中的钙和铝容易被滤出，所以其在泄漏电流和酸性溶液的长期作用下老化、变质、机械强度下降、纤维断裂，芯棒断面整体机械强度下降，在正常的机械负荷作用下引起断裂[3]。当芯棒断裂的面积达到整体断裂的临界值时，未断裂的部分由于承受不住导线的垂直荷载而使绝缘子串发生断裂。
3.2 沿面场强和电压分布不均匀
复合绝缘子的结构造型不同于盘形的玻璃绝缘子和瓷质绝缘子。盘形绝缘子片通过球头和碗头连接；而复合绝缘子串是一个整体，伞裙和芯棒的直径相对较小，且只有整个绝缘子串两端含有金属构件。复合绝缘子自身的电容相对盘形的玻璃（瓷质）绝缘子小，杂散电容的影响较大，因此复合绝缘子的沿面场强和分布电压十分不均匀[4]。此时，护套和芯棒界面容易出现局部放电，芯棒在高场强作用下不断蚀损，最终不能承受机械应力而断裂。因此要对复合绝缘子端部场强进行优化，可通过以下两种方式：1.改变屏蔽深度；2.串接大电容绝缘子片。
为预估带电运行中复合绝缘子的沿面场强分布，现利用静态场对其进行仿真试验。在建模时忽略复合绝缘子表面积污可能对场强造成的影响[5]。
仿真结果显示，对于现场运行的500kV复合绝缘子，其沿面电场分布呈U型分布。未安装均压环的绝缘子，其高压端场强最大值约为17.2kV/cm，低压端场强最大值约为5.6kV/cm；而在加装屏蔽深度为50mm的均压环后，其沿面电场分布有了明显改善，高压端场强最大值为4.6kV/cm（为不装均压环时的26%），低压端场强最大值为1.7kV/cm（为不装均压环时的30%），而中部区域内场强较低约为0.7kV/cm，如图7所示。从整体上看，安装均压环后，沿面电场分布良好。
图7 带均压环绝缘子（黑色）与不带均压环绝缘子（红色）的沿面场强分布
3.2.1 改变屏蔽深度
复合绝缘子端部电极与均压环之间的距离为屏蔽深度（如图8），为了控制端部场强，对不同屏蔽深度的均压环进行仿真。
图8 复合绝缘子均压环配置
深圳供电局运行中的复合绝缘子屏蔽深度为50mm。调整屏蔽深度，分别对70mm、90mm、110mm、130mm的均压环进行仿真计算，仿真结果显示，适当加深复合绝缘子的屏蔽深度对端部场强有一定的改善作用（如图9所示）。屏蔽深度过大时也不利于沿面场强的控制，当屏蔽深度达到130mm时，高压端场强超过6.5kV/cm，且屏蔽深度过大后，绝缘子的干弧闪络距离将下降，不利于线路的防雷。因此，屏蔽距离推荐调整为90mm。
图9 不同屏蔽深度下，高压端场强最大值
3.2.2 串接大电容绝缘子片
为改善复合绝缘子串的沿面场强分布，可在其高压端安装玻璃绝缘子片以增加自身电容。
利用仿真计算模型，在复合绝缘子高压端加挂1片和2片玻璃绝缘子（如图10所示），对其沿面场强分布进行分析。玻璃绝缘子选用U210钟罩型玻璃绝缘子，所选金具为上抗式。
图10高压端串联玻璃绝缘子模型
仿真结果表明，串联1片玻璃绝缘子时，不但不会改善高压端场强分布，反而会使其更加恶劣，最大场强将达到5.7kV/cm；而串联2片玻璃绝缘子时，其高压端场强分布将得到改善，最大场强下降至4.1kV/cm，而玻璃绝缘子表面场强最大值为17.5kV/cm，未达到闪络场强（如图11所示）。因此，建议加挂2片玻璃绝缘子。
图11 高压端串联不同片数玻璃绝缘子后沿面场强分布
4 如何防止复合绝缘子断裂
复合绝缘子断裂严重威胁了电网的安全稳定运行，如何避免复合绝缘子断裂成为了重中之重，为防止此类事故的再次发生，可从改善复合绝缘子本身性能及其运维策略等方面采取措施。
4.1 改善复合绝缘子本身性能
（1）复合绝缘子断裂大多出现在高压端附近的强电场区域[6]。根据运行经验，复合绝缘子高压端护套老化速度相对低压端快很多，因此建议厂家针对不同电压等级的输电线路复合绝缘子相应加大其护套厚度。
（2）目前，许多厂家采用挤包穿伞或整体注射的工艺生产复合绝缘子，芯棒与护套之间不会存在气泡[7]。绝缘子芯棒和护套粘接性是运行复合绝缘子的重要特性之一，尤其是两端的密封情况。为使复合绝缘子能够长期安全稳定的带电运行，生产厂家应在选用良好密封性能材料的基础上不断改善制作工艺以提升复合绝缘子护套的密封水平。
4.2 复合绝缘子运维策略
（1）杜绝绝缘子带缺陷运行[8]。作为使用者，应加强对厂家生产过程的监督，杜绝缺陷产品出厂，同时做好产品验收，防止发生由于复合绝缘子质量不合格而造成的断裂事故。
（2）由于各地区的环境及气候特征差异较大，应根据实际需要选择相应耐酸强度的复合绝缘子。
（3）在运输和安装的过程中要保护好复合绝缘子，防止其受到损坏而造成挂网运行时受到弱酸性溶液的渗透。
（4）按运行规程要求开展对复合绝缘子的预试工作[9]。根据所处地理环境及运行时间，定期对复合绝缘子开展抽检试验并做好记录，通过长期积累的相关参数和数据，研究出复合绝缘子的性能随环境及时间的变化规律。
（5）定期对带电运行中的复合绝缘子进行红外测温，并及时更换含有缺陷的复合绝缘子。
（6）在输电线路重要交叉跨越处（主要包括人口密集区、高速公路、跨越其它线路等），绝缘子串应采用双串或V型结构，同时采取双独立挂点方式，避免发生因绝缘子断裂而导致的导线落地事故。
（7）根据复合绝缘子沿面场强的分布规律，选择最佳的均压环直径、管径及安装位置，以改善及电压分布的不均匀性，抑制复合绝缘子局部区域的电晕放电现象，防止芯棒、护套电蚀损而导致的断裂事故。
5 结束语
复合绝缘子断裂是局部强电场和弱酸腐蚀共同作用的结果。芯棒酸蚀会导致复合绝缘子机械强度严重降低，当受腐蚀芯棒的机械强度低于运行所承受的荷载时便会发生断裂。为避免发生复合绝缘子断裂事故，厂家需不断改进制造工艺，提高产品质量；运行单位要加强巡视与检测，对有安全隐患的复合绝缘子及时进行更换，防止复合绝缘子脆断事故的发生，确保电网的安全稳定运行。
参考文献
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[3]苗振鹏.500kV输电线路合成绝缘子断裂原因分析[N]. 山东电力高等专科学校学报，2012-05-07.
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[9]赵庆州.复合绝缘子断裂机理分析及建议[J]. 广西电力，2014，37（3）：77-81.
作者简介：
叶加庆（1989），男，汉，湖北随州，助理工程师，学士，从事高压架空输电线路方面的运行维护管理工作。
黄锦龙（1989），男，汉，河南商丘，助理工程师，学士，从事高压架空输电线路方面的运行维护管理工作。
刘丙财（1982），男，汉，广东揭阳，高级工程师，硕士，从事高压架空输电线路方面的运行维护管理工作。
论文作者:叶加庆,黄锦龙,刘丙财
论文发表刊物:《电力设备》2016年第6期
论文发表时间:2016/6/18
标签：绝缘子论文; 护套论文; 场强论文; 高压论文; 发生论文; 屏蔽论文; 如图论文; 《电力设备》2016年第6期论文;