冰災對運行復合絕緣子性能影響研究

黃福勇，周衛華，周挺，王成

(湖南省電力公司科學研究院，湖南長沙 410007）

冰災對運行復合絕緣子性能影響研究

黃福勇，周衛華，周挺，王成

(湖南省電力公司科學研究院，湖南長沙 410007）

湖南是一個冰凍重災區，冰凍災害給電網的安全運行帶來巨大危害，如大量的斷線、掉串等。本文通過對運行復合絕緣子在冰凍災害前后的機電性能試驗研究，認為冰凍災害前后復合絕緣子機電性能無明顯變化，不存在遺留隱患，仍然能安全穩定運行，并提出在重冰區宜采用間插特大傘裙設計的防冰型復合絕緣子。

冰凍災害;復合絕緣子;機電性能

湖南地處長江中游，北臨洞庭湖，東西南三面環山，地勢整體由南向北傾斜，湘、資、沅、澧4條支流由西南向北匯聚洞庭湖，形成向北開口的馬蹄形盆地，冬季北方冷空氣和南方暖濕氣流在南嶺山脈附近交匯，形成穩定的“靜止峰”及其延伸的“準靜止峰”，帶來長時間的低溫、微風、降水和冰凍過程，2005年和2008年先后發生2次嚴重冰凍災害，給湖南電網造成嚴重損失，線路出現頻繁閃絡跳閘并發生大面積的倒塔斷線和掉串故障。冰災后檢查發現，盤形瓷質絕緣子存在明顯隱患，如某±500 kV直流線路在恢復受電后，于2008年3月10日1727號極Ⅱ小號側4號絕緣子串發生掉串故障、2008年3月18日1705號極Ⅰ大號側3號絕緣子串共33片發生瓷瓶破損故障;對全線的瓷質絕緣子進行帶電檢測，結果表明全線存在幾萬片劣質絕緣子，嚴重影響到該線路的安全運行。

復合絕緣子近年已經被大范圍應用于輸電線路，截止到2010年9月，湖南電網在網運行的500 kV復合絕緣子共計13 256支，220 kV共計33 775支，110 kV共計73 604支。在經歷冰災后，復合絕緣子是否存在類似瓷質絕緣子的隱患，機電性能能否滿足繼續運行的要求，受到運行部門的普遍關注。為此，對復合絕緣子冰災前后的機電性能進行了試驗研究〔1〕。

1 試驗樣品

試驗樣品分4個部分，分別是:① 截止到2006年10月，在網運行時間達到8年及以上的復合絕緣子樣品共45支;②截止到2007年10月，在網運行時間達到6年及以上的復合絕緣子樣品共50支;③截止到2008年10月，在網運行時間達到6年及以上及根據前2年的試驗結果要求復試的復合絕緣子樣品共66支;④某±500 kV直流線路重冰區段復合絕緣子樣品8支。對抽樣試驗絕緣子分類統計見表1～3。

表1 抽樣復合絕緣子涉及生產廠家 支

表2 抽樣復合絕緣子涉及電壓等級 支

表3 抽樣復合絕緣子涉及額定機械負荷值 支

2 試驗項目

參照DL/T864—2004《標稱電壓高于1000 V交流架空線路用復合絕緣子使用導則》的有關規定，確定進行憎水性試驗、濕工頻耐受電壓試驗和陡波沖擊耐受電壓試驗，以考核復合絕緣子的電氣性能;進行密封性能試驗和機械破壞負荷試驗，以考核復合絕緣子的機械性能;進行外觀檢查、跌落試驗和水煮試驗，以檢查復合絕緣子的傘裙材料性能。

各試驗項目的具體要求如下:

①憎水性試驗:分別對絕緣子上表面的憎水性及其恢復時間進行測量。試驗采用噴水分級法即HC法。測完憎水性后將絕緣子置于水中浸泡96 h，隨后測量恢復至浸泡前憎水性的時間為絕緣子憎水性的恢復時間，小于24 h為合格。

②濕工頻耐受電壓試驗:試驗前先將樣品置于盛有水的容器中96 h后，立即放置到已調整好的人工雨淋裝置中，待試品淋雨15 min后，施加約75%的試驗電壓，再以每秒2%試驗電壓的速率上升至規定的耐受電壓，保持1 min，然后迅速退掉電壓 (不能突然截斷電壓)，發生閃絡者為不合格。

③陡波沖擊耐受電壓試驗:陡波試驗前對絕緣子進行水煮試驗，即在0.1%NaCl去離子水溶液中沸煮42 h。水煮之后檢查絕緣子外觀，未開裂損壞者在隨后48 h內進行陡波沖擊電壓試驗。將電極固定在試品上，每支試品分段進行陡波沖擊電壓試驗。試驗時，將陡度≮1000 kV/μs、且≯1 500 kV/μs的沖擊電壓依次施加到試品的每段上，每段均應承受25次正極性和25次負極性沖擊。傘裙、護套及芯棒發生局部或整體擊穿的為不合格。

④密封性能試驗:對試品進行染色滲透試驗，先用清潔劑將表面清理干凈，在清潔的表面添加滲透劑 (1%濃度的品紅溶液)，作用20 min。在滲透劑開始作用5 min內施加70%額定機械負荷維持1 min，然后除去試品上多余的滲透劑，清潔其表面并讓其干燥。檢查的區域為絕緣子兩端，包括護套與金屬附件界面的全部區域及金屬部分兩端有效的延伸區。端部密封破壞，滲透劑進入絕緣子內部的為不合格。

⑤機械破壞負荷試驗:機械破壞負荷試驗包含3步:第1步是所有絕緣子均進行50%額定機械負荷試驗，即試驗施加50%額定機械負荷，看絕緣子是否損壞;第2步是選取絕緣子進行額定機械負荷試驗，即試驗施加額定機械負荷，看絕緣子是否損壞;第3步是選取絕緣子進行機械破壞負荷試驗，查看實際機械破壞負荷值和破壞形式。

⑥外觀檢查:傘裙表面是否有蝕損、漏電起痕或電弧燒傷痕跡;傘裙是否脆化、粉化、開裂;傘裙表面是否損壞，各粘接和密封部位是否有脫膠現象，端部金具連接是否發生滑移;鋼腳或鋼帽是否銹蝕，鋼腳是否彎曲，是否有電弧燒損;傘裙是否存在拆卸、運輸過程中造成的損傷。

⑦跌落試驗:將復合絕緣子水平置于地面2 m高處向下自由跌落3次。檢查復合絕緣子是否存在脆化、變硬現象，材料是否老化。

⑧水煮試驗:將樣品放入含有0.1%NaCl的去離子水中保持沸煮42 h。在沸騰結束后，樣品仍保留在容器中直到水冷卻到50℃。取出試品，對每支樣品的傘套進行外觀檢查。外觀有明顯破損者為不合格。

對江城線抽樣的8支絕緣子只進行外觀檢查和機械破壞負荷試驗。

3 試驗結果及分析

3.1 憎水性試驗

運行一定年限后復合絕緣子憎水性能有明顯下降，憎水性試驗結果的統計見表4，2008年試驗結果與前2年相比，復合絕緣子的憎水性測試結果相對較差，主要原因是2008年的抽樣樣品中包含了2006和2007年要求進行復檢的絕緣子 (憎水性檢測結果為HC5)。對2007年和2008年抽樣的復合絕緣子分別進行憎水性恢復時間試驗，試驗結果見表5。2008年抽檢絕緣子憎水恢復特性比2007年好，原因是復合絕緣子在長期運行中，傘裙表面積聚了許多污染物，污染物的成分中含有許多吸濕性物質，使復合絕緣子表現為親水性，經歷2008年冰災，冰的晶析作用和融冰的沖刷作用使傘裙表面污穢減少，吸濕性物質減少，絕緣子憎水性恢復時間縮短。

表4 復合絕緣子憎水性試驗結果 支

表5 憎水性恢復時間試驗 支

3.2 濕工頻耐受電壓試驗

110 kV復合絕緣子濕工頻耐受電壓230 kV，耐受時間1 min;220 kV復合絕緣子濕工頻耐受電壓395 kV，耐受時間1 min;500 kV復合絕緣子濕工頻耐受電壓740 kV，耐受時間1 min。對2006—2008年抽檢的共計160支復合絕緣子，按照電壓等級分別進行試驗，均未發生擊穿閃絡和發熱現象，試驗全部通過。

3.3 陡波沖擊耐受電壓試驗

對2006—2008年抽檢的共計160支復合絕緣子分段進行陡波沖擊耐受電壓試驗，被試絕緣子的傘裙、護套及芯棒均未發生局部或整體擊穿，試驗全部通過。

3.4 水煮試驗

對2006—2008年抽檢的共計160支復合絕緣子進行水煮試驗，檢查所有被試絕緣子外觀均未見明顯破損、粘接和密封部位未出現脫膠現象，全部通過試驗。

3.5 外觀檢查和跌落試驗

對2006—2008年抽檢的共計160支復合絕緣子進行外觀檢查和跌落試驗，其中2007年抽樣樣品中有4支傘裙破損，其它樣品均合格，總體檢測情況表明，抽樣樣品老化、劣化的程度差異較大:①運行年限越長，傘裙護套表面發黑、局部電蝕損傷跡象越嚴重，部分運行時間超過10年的樣品存在粉化、脆化現象。早期產品為了提高耐漏電起痕指標，在硅橡膠材料中加入了較多的無機物填料是造成早期產品傘裙護套脆化、開裂、脫落的主要原因。② 在工業污染嚴重地區，抽樣樣品老化、劣化程度高 (注:各電業局在產品送檢前已經對外觀進行了檢查，并剔除了外觀明顯不合格的絕緣子)。

3.6 密封性能試驗

對2006—2008年抽檢的共計39支復合絕緣子進行密封性能試驗，其中發現1支2007年被試絕緣子 (220 kV/100 kN/2000年出廠)端部密封破壞，滲透劑滲入到芯棒，其它樣品均合格。

3.7 機械破壞負荷試驗

機械破壞負荷試驗結果見表6，表中的倍率表示被試復合絕緣子的機械破壞負荷值與額定機械負荷值的比值，2006—2008年共對134支絕緣子樣品進行了試驗，每年均有1支絕緣子的機械破壞負荷值小于額定機械負荷值，其它均超過額定機械負荷值;2008年冰災后發現直流線路瓷質絕緣子掉串隱患后，在臨近區段抽取了8支復合絕緣子進行機械破壞負荷試驗，結果均超過額定機械負荷值;復合絕緣子的破壞形式主要有金具斷裂、脫芯和芯棒開裂3種，如表7所示。

表6 機械破壞負荷試驗結果 支

機械破壞負荷試驗結果表明，抽樣復合絕緣子樣品的機械破壞負荷值在冰災前后無顯著變化，且仍具有一定的裕度，分散性小，表明復合絕緣子機械性能仍滿足標準要求。

表7 機械破壞負荷試驗結果 支

對比2008年前后的抽樣試驗結果，復合絕緣子的憎水恢復時間縮短，而其它檢測結果無明顯差異，仍能安全運行。

4 復合絕緣子在重冰區使用的建議

有研究表明，普通復合絕緣子并不適宜在重冰區使用，因其傘徑小、傘間距近、大小傘直徑差小，覆冰條件下很容易產生冰凌橋接，其爬電距離不能得到充分利用，使得冰閃電壓降低;復合絕緣子的憎水性導致其覆冰后表面與冰的接觸面之間存在大量的微小氣隙，氣隙間的間歇性電弧容易燒傷其表面材料，并導致其局部憎水性喪失，因此其冰閃電壓要比瓷質和玻璃絕緣子差〔2〕。但也有研究表明，在交流電壓下，覆冰復合絕緣子比同樣最短電弧長度的覆冰IEEE標準懸式瓷絕緣子串具有更好的耐受特性，且大小傘結構的復合絕緣子比單傘結構的復合絕緣子有更好的覆冰耐受特性。此外，復合絕緣子由于傘裙的柔韌性，與冰的接觸緊密性不如玻璃和瓷質絕緣子，融冰時易于脫落，同時適宜于人工除冰作業〔3〕。

為了解決復合絕緣子在重冰區的使用問題，通過研究提出了一種特殊定制的防冰型復合絕緣子〔4〕，這種復合絕緣子采用間插特大傘裙的方式，能有效地延緩冰凌橋結時間，提高冰閃電壓達20%以上，并能有效地防止冰凍災害，同時對鳥害、雨閃和桿塔污穢均有一定的預防作用。

建議在重冰區使用復合絕緣子時，如果為新建線路則優先采用加長型絕緣子以保證有足夠的干弧距離;但在桿 (鐵)塔窗口尺寸不足的情況下，可優先采用經特殊設計的防冰型復合絕緣子，以提高冰閃電壓，防止線路冰閃跳閘故障。

5 結束語

湖南是一個冰凍重災區，冰災嚴重威脅湖南電網的安全穩定運行，并造成了大量遺留隱患。文中通過對輸電線路復合絕緣子冰災前后的機電性能進行試驗對比分析，證實了冰災后復合絕緣子機電性能無明顯差異，不存在遺留隱患，仍然能安全穩定運行，并提出使用于重冰區的復合絕緣子宜采用間插特大傘裙設計的防冰型絕緣子。

〔1〕湖南省電力公司試驗研究院.復合絕緣子運行狀況分析及檢測方法研究〔R〕.2009.

〔2〕蔣興良.10 kV合成絕緣子覆冰交流閃絡特性及冰閃過程研究〔J〕.中國電機工程學報，2002，22(8):58-61.

〔3〕湖南省電力公司試驗研究院.人工除冰方法研究〔R〕.2008.

〔4〕湖南省電力公司試驗研究院.輸變電設備防冰技術應用研究〔R〕.2009.

Study on influence of ice disaster on properties of composite insulator

HUANG Fu-yong，ZHOU Wei-hua，ZHOU Ting，WANG Cheng
(Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

Hunan is in a severe ice disaster area and it had produced serious harm to the safe and stable operation of power grid，such as power line breakage and insulator strings dropping.The mechanical properties test result shows that electrical and mechanical properties of composite insulators did not change significantly before and after freezing and there is no hidden trouble left after tests.It is strongly recommended that the anti-ice composite insulator with special shed should be adopted in the heavy frozen area.

frozen disaster;composite insulator;electrical and mechanical properties

TM852

A

1008-0198(2011)03-0001-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2011.03.001

2010-10-11