國(guó)網(wǎng)華東分部資產(chǎn)所屬輸電線路合成絕緣子運(yùn)行狀況評(píng)估方法

盧波 趙文彬 唐敏 王浩洋

摘? 要：合成絕緣子在中國(guó)已有20多年的運(yùn)行歷史，作者針對(duì)國(guó)家電網(wǎng)有限公司華東分部復(fù)合絕緣子的運(yùn)行情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)其中48支絕緣子的老化情況進(jìn)行了抽樣檢測(cè)，進(jìn)行了表面憎水性、芯棒強(qiáng)度、傘裙撕裂強(qiáng)度試驗(yàn)，總結(jié)了合成絕緣子老化的典型特點(diǎn)。為電線路絕緣子的運(yùn)行維護(hù)和生產(chǎn)廠家的設(shè)計(jì)制造提供參考，為電力部門制定運(yùn)行維護(hù)策略及應(yīng)對(duì)措施提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：輸電線路;復(fù)合絕緣子;運(yùn)行狀況;性能評(píng)估

中圖分類號(hào)：TU83? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）27-0008-05

Abstract： Composite insulator in China has more than 20 years of operating history. According to East China Branch of the State Grid Co.， Ltd.， this paper evaluates the operating status of composite insulator and tests some samples of the 48 aginginsulatorsin terms of surface hydrophobic， core strength， umbrella skirt tear strength test， and summarizes the typical aging condition of composite insulator. This provides a reference for the operation and maintenance of transmission line insulators and the design and manufacture of manufacturers， and provides a basis for the formulation of operation and maintenance strategies and countermeasures by the power department.

Keywords： transmission lines; composite insulator; operating status; performance evaluation

1 概述

合成絕緣子的發(fā)展和應(yīng)用至今已有50多年的歷史。早期合成絕緣子材質(zhì)包括環(huán)氧樹(shù)脂、乙丙橡膠、室溫硅橡膠等。20世紀(jì)70年代，隨著高溫硫化硅橡膠合成絕緣子在德國(guó)的問(wèn)世，合成絕緣子相對(duì)于瓷、玻璃絕緣子更加優(yōu)異的耐污特性等優(yōu)點(diǎn)充分顯現(xiàn)，使合成絕緣子步入了高速發(fā)展時(shí)期。80年代中期，北美35kV及以下電壓等級(jí)的輸電線路至少有200萬(wàn)支合成絕緣子在運(yùn)行[1]。同期統(tǒng)計(jì)德國(guó)積累了15萬(wàn)支合成絕緣子的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，瑞士也有近20萬(wàn)支合成絕緣子運(yùn)行10年以上。近年來(lái)，合成絕緣子已在世界范圍內(nèi)得到了青睞和大量使用，其用量一直保持穩(wěn)定增長(zhǎng)。目前，全世界現(xiàn)在已有超過(guò)27個(gè)國(guó)家和地區(qū)使用合成絕緣子[2]。

我國(guó)對(duì)合成絕緣子的研制開(kāi)發(fā)始于20世紀(jì)80年代初，盡管起步較晚，但起點(diǎn)高。在吸取國(guó)外經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，一開(kāi)始就研制生產(chǎn)出高溫硫化硅橡膠絕緣子。國(guó)產(chǎn)合成絕緣子從1985年首次掛網(wǎng)試運(yùn)行至今，得到了生產(chǎn)運(yùn)行部門的廣泛好評(píng)，也引起了設(shè)計(jì)部門的關(guān)注[3]。近年來(lái)，合成絕緣子不僅在各電壓等級(jí)交流線路運(yùn)行調(diào)爬中廣泛使用，而且在新建線路工程中得到大批量甚至全線路使用。2000年，合成絕緣子開(kāi)始用于±500kV直流線路;2005年，又在750kV線路中批量使用。

我國(guó)電網(wǎng)的高速發(fā)展有力地促進(jìn)了合成絕緣子產(chǎn)業(yè)的迅速壯大。目前，我國(guó)合成絕緣子的研究、制造和運(yùn)行已居世界領(lǐng)先水平，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)也引起了CIGRE（International Council on Large Electric systems）和IEC（International Electro technical Commission）的關(guān)注[4]。實(shí)際運(yùn)行表明，使用合成絕緣子是解決我國(guó)污穢地區(qū)輸電線路外絕緣污閃最為有效的方法之一，不僅有效遏制了大面積污閃事故的發(fā)生，也大大減輕了繁重清掃及零值檢測(cè)等運(yùn)行維護(hù)工作量。隨著合成絕緣子制造裝備、工藝和管理水平的提高，以及設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累，合成絕緣子性能將得到進(jìn)一步改善和提高?？梢灶A(yù)見(jiàn)，合成絕緣子必將在特高壓電網(wǎng)建設(shè)中得到大量應(yīng)用，為電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行發(fā)揮更大的作用。

華東電網(wǎng)為上海、江蘇、浙江、安徽、福建四省一市提供供電服務(wù)。區(qū)域面積47.4萬(wàn)平方公里，占中國(guó)國(guó)土面積的5%，區(qū)域人口2.6億，占全國(guó)總?cè)丝诘?/5，經(jīng)濟(jì)總量約占全國(guó)的1/3[5]。文中統(tǒng)計(jì)了國(guó)家電網(wǎng)公司華東分部合成絕緣子的運(yùn)行狀況，為合成絕緣子的安全運(yùn)行提供技術(shù)參考。

2 合成絕緣子運(yùn)行情況

2.1 投運(yùn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)

截至2018年12月31日，華東區(qū)域500kV及以上電壓等級(jí)交、直流輸電線路上投運(yùn)的合成絕緣子共276155支，其中2003年12月31日以前投運(yùn)的合成絕緣子25587支，占合成絕緣子總數(shù)的9.27%;其中2004年1月1日至2008年12月31日投運(yùn)的合成絕緣子49793支，占合成絕緣子總數(shù)的18.03%;其中2009年1月1日至2013年12月31日投運(yùn)的合成絕緣子92309支，占合成絕緣子總數(shù)的33.43%;其中2014年1月1日至2018年12月31日投運(yùn)的合成絕緣子108466支，占合成絕緣子總數(shù)的39.28%。

由圖1可知，華東區(qū)域合成絕緣子平均投運(yùn)時(shí)間為7.32年。上海、安徽、浙江公司的合成絕緣子平均投運(yùn)時(shí)間超過(guò)了華東區(qū)域平均投運(yùn)時(shí)間。其中，上海公司的合成絕緣子平均投運(yùn)時(shí)間最長(zhǎng)，合成絕緣子整體上最為老舊[6]。而江蘇、福建公司的合成絕緣子平均投運(yùn)時(shí)間低于華東區(qū)域平均投運(yùn)時(shí)間。其中，福建地區(qū)的合成絕緣子平均投運(yùn)時(shí)間最短，合成絕緣子資產(chǎn)整體上最優(yōu)。

考慮到各網(wǎng)省公司的合成絕緣子數(shù)量相差較大，當(dāng)評(píng)定各網(wǎng)省公司的合成絕緣子管理水平及效率時(shí)，要綜合考慮合成絕緣子的投運(yùn)時(shí)間及數(shù)量，所以采用每千支合成絕緣子平均投運(yùn)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比。網(wǎng)省公司每千支合成絕緣子平均投運(yùn)時(shí)間見(jiàn)圖2。

由圖2可知，江蘇公司、安徽公司的每千支合成絕緣子平均投運(yùn)時(shí)間值最小，表明這兩個(gè)公司的合成絕緣子管理水平及效率較高。上海公司的每千支合成絕緣子平均投運(yùn)時(shí)間值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他公司，表明其合成絕緣子的管理水平及效率較低。

2.2 華東電網(wǎng)各單位運(yùn)行特點(diǎn)分析

華東電網(wǎng)：合成絕緣子平均投運(yùn)時(shí)間為7.32年。上海、安徽、浙江公司的合成絕緣子平均投運(yùn)時(shí)間超過(guò)了華東電網(wǎng)平均投運(yùn)時(shí)間。其中，上海公司的合成絕緣子平均投運(yùn)時(shí)間最長(zhǎng)，合成絕緣子整體上最為老舊。而江蘇、福建公司的合成絕緣子平均投運(yùn)時(shí)間低于華東電網(wǎng)平均投運(yùn)時(shí)間。其中，福建地區(qū)的合成絕緣子平均投運(yùn)時(shí)間最短，合成絕緣子資產(chǎn)整體上最優(yōu)。

華東分部資產(chǎn)：合成絕緣子平均投運(yùn)時(shí)間為12.14年。安徽、浙江、上海公司的合成絕緣子平均投運(yùn)時(shí)間超過(guò)了華東分部資產(chǎn)合成絕緣子平均投運(yùn)時(shí)間。其中，安徽公司的合成絕緣子平均投運(yùn)時(shí)間最長(zhǎng)，合成絕緣子整體上最為老舊。而江蘇、福建公司的合成絕緣子平均投運(yùn)時(shí)間低于華東分部資產(chǎn)合成絕緣子平均投運(yùn)時(shí)間。其中，福建該公司的合成絕緣子平均投運(yùn)時(shí)間最短，合成絕緣子資產(chǎn)整體上最優(yōu)。

華東分部資產(chǎn)合成絕緣子平均投運(yùn)時(shí)間已經(jīng)明顯超過(guò)了華東電網(wǎng)合成絕緣子平均投運(yùn)時(shí)間，兩者相差4.82年，華東分部資產(chǎn)絕緣子整體上較為老舊。

2.3 合成絕緣子故障及缺陷分析

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，華東分部資產(chǎn)合成絕緣子的故障及缺陷方面主要存在芯棒斷裂、灼傷、傘裙老化、芯棒發(fā)熱等情況。

芯棒斷裂方面：由浙江申工及德國(guó)赫斯特公司生產(chǎn)的合成絕緣子在運(yùn)期間出現(xiàn)此類故障主要原因還是早期產(chǎn)品因芯棒本身質(zhì)量問(wèn)題而導(dǎo)致。

灼傷方面：部分合成絕緣子的均亞裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠合理，導(dǎo)致其存在電弧灼燒的損毀情況。實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)該進(jìn)一步優(yōu)化均壓裝置結(jié)構(gòu)，使其能改善合成絕緣子的電位分布，同時(shí)保護(hù)不被電弧灼傷，其次還保護(hù)密封性能。

傘裙老化方面：運(yùn)行中的合成絕緣子硅橡膠傘裙普遍存在的劣化現(xiàn)象主要集中在絕緣子表面憎水性、硬度和抗撕裂強(qiáng)度的變化上;同時(shí)這三個(gè)特性指標(biāo)發(fā)生的變化，易于現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)與判別。硅橡膠表面憎水性的下降，直接導(dǎo)致傘裙護(hù)套的電蝕損。

芯棒發(fā)熱方面：芯棒發(fā)熱是發(fā)生脆斷的早期癥狀，芯棒酸蝕造成局部放電，合成絕緣子護(hù)套厚度薄，耐漏電起痕性能較差，導(dǎo)致護(hù)套多處燒蝕破損。

3 合成絕緣子老化評(píng)估

本次對(duì)于老舊合成絕緣子進(jìn)行的老化評(píng)估試驗(yàn)，主要包括表面憎水性、芯棒強(qiáng)度、傘裙撕裂強(qiáng)度試驗(yàn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)樣品

本次評(píng)估試驗(yàn)的合成絕緣子共48支。其中：220kV線路的合成絕緣子34支;500kV線路的合成絕緣子14支。

以投運(yùn)時(shí)間分：1995年3月投運(yùn)的合成絕緣子5支;2001年5月投運(yùn)的合成絕緣子5支;2001年6月投運(yùn)的合成絕緣子10支;2003年12月投運(yùn)的合成絕緣子16支;2004年4月投運(yùn)的合成絕緣子5支;2006年11月投運(yùn)的合成絕緣子3支;2013年12月投運(yùn)的合成絕緣子4支。

3.2 表面憎水性試驗(yàn)

憎水性是低表面能固體材料表面的一種物理性能。宏觀上，憎水性表面不易被水分所浸潤(rùn)，水在憎水性表面的積聚狀態(tài)為分離的水珠，而不是連續(xù)的水膜。本文的實(shí)驗(yàn)中用基于人工污層憎水等級(jí)（HC）的噴水分級(jí)法研究傘裙試樣的表面憎水性，按照DLT 1474-2015《標(biāo)稱電壓高于1000V交、直流系統(tǒng)用合成絕緣子憎水性測(cè)量方法》中5.2.1人工噴水方法進(jìn)行試驗(yàn)[7]。

用于表面憎水性試驗(yàn)的絕緣子統(tǒng)計(jì)情況如表1所示。根據(jù)表1中試驗(yàn)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)了不同HC值出現(xiàn)的概率情況，定義了相應(yīng)HC值相應(yīng)的權(quán)重值，如圖3所示。并以此作為不同運(yùn)行年限合成絕緣子HC值綜合評(píng)定依據(jù)。

比較4個(gè)值，可知T5-10>T20>T15-20>T10-15，說(shuō)明合成絕緣子整體上隨著運(yùn)行年限的增加，其表面憎水性出現(xiàn)劣化。其中，運(yùn)行超過(guò)10年以上合成絕緣子的傘裙憎水性劣化與運(yùn)行時(shí)間有著明顯的規(guī)律性。

3.3 芯棒強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

芯棒強(qiáng)度試驗(yàn)采用上海華龍測(cè)試儀器有限公司的WLW-1000型臥式拉力試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T 34937-2017《架空線路絕緣子標(biāo)稱電壓高于1500V直流系統(tǒng)用懸垂和耐張合成絕緣子定義、試驗(yàn)方法及接收準(zhǔn)則》中9.5.2機(jī)械負(fù)荷試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)[8]。對(duì)試品施加拉伸負(fù)荷。拉伸負(fù)荷應(yīng)迅速而平穩(wěn)地從零升高到大約為芯棒預(yù)期機(jī)械破壞負(fù)荷的75%，然后在30s-90s的時(shí)間內(nèi)逐漸升高到芯棒破壞或完全抽出[9]。由表2可知，隨著運(yùn)行年限的增加，芯棒強(qiáng)度劣化沒(méi)有明顯的規(guī)律性。

3.4 傘裙撕裂強(qiáng)度試驗(yàn)

傘裙撕裂強(qiáng)度試驗(yàn)采用美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司的CMT4203型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，按照GB/T 529-2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠撕裂強(qiáng)度的測(cè)定（褲形、直角形和新月形試樣）》中5.1.2規(guī)定制作試樣[10]。

由表3可知，隨著運(yùn)行年限的增加，傘裙的撕裂強(qiáng)度雖然仍能達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度，但出現(xiàn)了下降。尤其對(duì)于運(yùn)行超過(guò)15年以上的合成絕緣子，其撕裂強(qiáng)度的下降與運(yùn)行時(shí)間有著明顯的規(guī)律性，這對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)合成絕緣子是否出現(xiàn)老化有著較強(qiáng)的指導(dǎo)意義[11]。

3.5 合成絕緣子老化的典型特點(diǎn)

通過(guò)此次的老化評(píng)估試驗(yàn)，能夠確認(rèn)華東電網(wǎng)合成絕緣子的老化特點(diǎn)如下。

（1） 確認(rèn)隨著運(yùn)行年限的增加，合成絕緣子在表面憎水性、芯棒強(qiáng)度、傘裙撕裂強(qiáng)度方面的性能都出現(xiàn)了老化的現(xiàn)象。從整體情況來(lái)看，運(yùn)行超過(guò)10年以上的合成絕緣子老化跡象相對(duì)明顯。

（2）合成絕緣子機(jī)械強(qiáng)度方面主要與制造質(zhì)量相關(guān)，在密封性完好的條件下，未發(fā)現(xiàn)合成絕緣子斷串或機(jī)械強(qiáng)度與運(yùn)行服役時(shí)間的顯著聯(lián)系。試驗(yàn)表明，合成絕緣子的機(jī)械強(qiáng)度薄弱點(diǎn)往往在端部連接處。同時(shí)也證明，拉斷抽檢試驗(yàn)對(duì)于絕緣子安全運(yùn)行的重要性。芯棒強(qiáng)度出現(xiàn)明顯劣化，尤其此次浙江申工公司生成的5支運(yùn)行20年以上的合成絕緣子機(jī)械負(fù)荷全部低于標(biāo)準(zhǔn)值。這要引起相關(guān)單位的重視，加強(qiáng)對(duì)運(yùn)行中合成絕緣子的定期巡視檢查。

（3） 傘裙的撕裂強(qiáng)度雖然仍能達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度，但隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，明顯出現(xiàn)了性能下降的現(xiàn)象。尤其對(duì)于運(yùn)行超過(guò)10年以上的合成絕緣子，其撕裂強(qiáng)度的下降與運(yùn)行時(shí)間有著明顯的規(guī)律性，這對(duì)于檢測(cè)合成絕緣子老化情況有相對(duì)較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

（4） 善用化學(xué)檢測(cè)手段能夠有力支持合成絕緣子老化評(píng)估工作，有必要研究包括紅外光譜在內(nèi)的多種化學(xué)檢測(cè)方法，能夠提高合成絕緣子老化程度的客觀性和準(zhǔn)確水平。

4 結(jié)論

華東分部資產(chǎn)合成絕緣子整體平均投運(yùn)時(shí)間為12.14年，整體上較為老舊，運(yùn)行10年以上合成絕緣子老化跡象相對(duì)明顯，基于目前的投運(yùn)情況，未來(lái)5年華東分部資產(chǎn)所屬合成絕緣子將達(dá)到壽命末期，如不采取整體的技術(shù)管理措施，2023年末整體平均投運(yùn)時(shí)間將達(dá)到為15年，到2028年末將達(dá)到18年，屆時(shí)設(shè)備外絕緣風(fēng)險(xiǎn)將顯著增大。本文的研究為華東分部資產(chǎn)所屬輸電線路合成絕緣子運(yùn)行狀況評(píng)估的方法進(jìn)行了總結(jié)，以期為合成絕緣子的安全運(yùn)行提供技術(shù)參考。

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