一起500 kV復(fù)合絕緣子斷裂故障分析

李勃鋮，李穩(wěn)，張稷，鄧園，黃浩，劉鋼，雷添

（1.帶電巡檢與智能作業(yè)技術(shù)國家電網(wǎng)有限公司實(shí)驗(yàn)室（國網(wǎng)湖南省電力有限公司超高壓輸電公司），湖南 衡陽 421001；2.智能帶電作業(yè)技術(shù)及裝備（機(jī)器人）湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 衡陽 421001）

0 引言

復(fù)合絕緣子因其體積小、重量輕、耐污性能好、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)，近年來廣泛應(yīng)用于各電壓等級(jí)架空輸電線路中［1-4］。實(shí)際運(yùn)行中，復(fù)合絕緣子在新投運(yùn)時(shí)具有瓷質(zhì)絕緣子和玻璃絕緣子無法比擬的優(yōu)勢，但隨著運(yùn)行年限的累積以及受氣候變化的影響，復(fù)合絕緣子會(huì)出現(xiàn)電氣、機(jī)械故障［5-6］。其中，絕緣子芯棒脆斷在復(fù)合絕緣子故障中的占比達(dá)50%以上，特別是500 kV及以上電壓等級(jí)的輸電線路中，復(fù)合絕緣子故障基本上是由芯棒斷裂造成的［7-8］。芯棒斷裂將導(dǎo)致絕緣子掉串、導(dǎo)線脫串掉線，繼而引發(fā)線路跳閘甚至倒塔事故，對(duì)電力系統(tǒng)的危害十分嚴(yán)重［9-10］。同時(shí)，事故發(fā)生的預(yù)見性較差，因此一般在絕緣子斷裂故障發(fā)生后需及時(shí)進(jìn)行分析研究。

本文針對(duì)一起無人機(jī)禁飛區(qū)垂直排列緊湊型500 kV雙回輸電線路復(fù)合絕緣子斷串故障，結(jié)合試驗(yàn)分析其故障原因，并給出禁飛區(qū)復(fù)合絕緣子日常維護(hù)的建議，為今后此類故障的判斷分析和復(fù)合絕緣子的運(yùn)維工作提供重要參考。

1 故障概況

2022年迎峰度夏期間，持續(xù)出現(xiàn)晴熱高溫天氣，某垂直排列緊湊型500 kV雙回輸電線路上回A相（右相）故障跳閘，重合閘不成功。

故障排查中發(fā)現(xiàn)線路55號(hào)直線塔（塔型5SCZ2-54，位于機(jī)場禁飛區(qū)內(nèi)）上回A相V型絕緣子串內(nèi)側(cè)復(fù)合絕緣子斷裂，絕緣子串右串導(dǎo)線線夾、對(duì)應(yīng)的桿塔塔身處有大量的閃絡(luò)痕跡，故障現(xiàn)場如圖1所示。

該線路55號(hào)塔絕緣子串型為V型，所使用的國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的FXBW-500/210復(fù)合型絕緣子已投運(yùn)8年，具體參數(shù)如表1所示。

2 絕緣子檢測試驗(yàn)

為分析此次故障絕緣子掉串原因，對(duì)故障絕緣子串和同相對(duì)側(cè)正常絕緣子串（同廠家、同型號(hào)、同批次投運(yùn)）進(jìn)行了更換，并將2支絕緣子進(jìn)行編號(hào)，正常絕緣子串為22D1，故障絕緣子串為22D2。按照GB/T 19519—2014［11］和GB/T 22079—2019［12］標(biāo)準(zhǔn)對(duì)2支絕緣子開展了外觀檢測、材料性能試驗(yàn)和電氣試驗(yàn)。

2.1 外觀檢測

1）外觀檢查

對(duì)更換下來的復(fù)合絕緣子進(jìn)行外觀檢查發(fā)現(xiàn)，22D1、22D2絕緣子的端部金屬附件和金具聯(lián)接部位無論在高壓端還是低壓端都正常。對(duì)于傘裙和護(hù)套部分，22D1絕緣子表面臟污嚴(yán)重，高壓端桿徑發(fā)黑嚴(yán)重，傘裙表面輕微粉化；而22D2絕緣子除與22D1絕緣子情況類似外，還存在芯棒斷裂、表面多處裂紋、凹陷和蝕損點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 22D2絕緣子外觀檢查

2）紅外溫升檢查

在室溫32 ℃、濕度76%的高壓大廳測試環(huán)境下對(duì)22D1、22D2絕緣子兩端施加288 kV電壓，持續(xù)30 min。

從圖3的測試結(jié)果可以看出，22D1絕緣子串只有第2段高壓端掛點(diǎn)附近溫度達(dá)37.1 ℃，比低壓端溫度高5.1 ℃（溫升5.1 K），其余部位無明顯溫升。22D2絕緣子串在高壓端第2段處溫度為62 ℃，溫升30 K；在高壓端第12-13段處溫度為80.4 ℃，溫升48.4 K；在高壓端第16-17段處溫度為71.7 ℃，溫升39.7 K。

圖3 絕緣子溫升情況

3）憎水性測試

同樣，在室內(nèi)條件下分別對(duì)22D1和22D2絕緣子的高、中、低壓端進(jìn)行了憎水性測試。測試結(jié)果表明，2支絕緣子高、中、低壓端憎水性均為HC2級(jí)，未出現(xiàn)明顯的憎水性喪失。

4）剖檢

為了進(jìn)一步檢查芯棒的朽化情況，對(duì)22D2絕緣子的高壓端傘裙進(jìn)行剖檢。剖檢發(fā)現(xiàn)：22D2絕緣子芯棒斷口處呈現(xiàn)碳化發(fā)黑、腐蝕抽絲狀態(tài)，斷面整體呈現(xiàn)掃帚狀脆斷痕跡；從高壓端斷口到580 mm處，芯棒全部朽化；從580 mm至1 630 mm，芯棒朽化程度達(dá)50%以上；從1 630 mm至2 090 mm，芯棒表面有一條約3～6 mm的碳化發(fā)展通道；從2 180 mm之后芯棒完好。剖檢結(jié)果如圖4所示。結(jié)合22D2絕緣子在實(shí)際線路上的運(yùn)行情況，該絕緣子位于線路右相左串，則朽面在實(shí)際運(yùn)行時(shí)應(yīng)朝斜向地面?zhèn)取?/p>

2.2 傘裙材料性能試驗(yàn)

1）耐漏電測試

從22D2絕緣子高壓端第2、4、8、11、12片傘裙切取試驗(yàn)試品（試品編號(hào)分別為1-1、1-2、1-3、1-4、1-5），試驗(yàn)電壓分別設(shè)置為4.5 kV、3.5 kV、2.5 kV，均持續(xù)6 h。

測試結(jié)果如圖5所示，可以看出：絕緣子傘裙2號(hào)試品在試驗(yàn)電壓為4.5 kV時(shí)，橡膠蝕深達(dá)到2.75 mm，不滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的橡膠蝕深不得大于2.5 mm的要求，判定其絕緣性能不合格。

圖5 復(fù)合絕緣子傘裙漏電測試結(jié)果

2）傘裙硬度試驗(yàn)

用LX-A型硬度計(jì)檢測試品1-1、1-2、1-3、1-4、1-5的硬度。測試結(jié)果表明：絕緣子試品的平均硬度為71.76ShoreA，且最小硬度值也大于標(biāo)準(zhǔn)要求的50ShoreA，硬度合格［13］。

2.3 電氣陡波試驗(yàn)

分別從22D1絕緣子高壓側(cè)（1-2節(jié)）、中壓側(cè)（高壓端13-14節(jié)）、低壓側(cè)（1-2節(jié)）截取120 mm進(jìn)行陡波前沖擊電壓試驗(yàn)。沖擊電壓陡度為1 000 kV/μs，每個(gè)區(qū)段經(jīng)受正負(fù)極性沖擊各25次，每次沖擊都應(yīng)在兩電極間發(fā)生外部閃絡(luò)，記錄閃絡(luò)發(fā)生時(shí)的幅值電壓。

試驗(yàn)結(jié)果表明，22D1絕緣子高、中、低壓端電壓幅值均大于360 kV，即沿絕緣子軸向電壓梯度均大于30 kV/cm，符合規(guī)程規(guī)定，絕緣性能合格。

2.4 芯棒材料性能試驗(yàn)

2.4.1 機(jī)械性能試驗(yàn)

為進(jìn)一步研究絕緣子的故障原因，對(duì)同相對(duì)側(cè)非故障22D1絕緣子進(jìn)行機(jī)械性能測試。

1）50%SML（額定機(jī)械負(fù)荷）10 s機(jī)械負(fù)荷試驗(yàn)

首先在22D1絕緣子兩側(cè)施加50%的額定拉力（105 kN），持續(xù)10 s。受力完成后對(duì)絕緣子進(jìn)行外觀檢測發(fā)現(xiàn)：絕緣子無芯棒斷裂或完全拉脫、無端部裝配件破壞情況，機(jī)械性能合格。

2）50%SML 60 s界面密封試驗(yàn)

為檢測絕緣子端部護(hù)套界面是否存在缺陷，利用染色滲透法，分別在22D1絕緣子高壓端、低壓端兩側(cè)界面粘接處包裹經(jīng)品紅浸泡的棉花，并在其兩側(cè)施加50%的額定拉力（105 kN），持續(xù)60 s，之后靜置30 min觀測絕緣子情況。檢測結(jié)果表明：絕緣子無芯棒斷裂或完全拉脫、無端部裝配件破壞情況，且端部無裂痕無滲透。

3）100%SML 60 s額定機(jī)械負(fù)荷試驗(yàn)

在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在22D1絕緣子兩側(cè)施加100%額定拉力（210 kN），持續(xù)60 s。同樣，在受力后對(duì)絕緣子進(jìn)行外觀檢測發(fā)現(xiàn)：絕緣子芯棒無斷裂或完全拉脫、無端部裝配件破壞情況，機(jī)械性能合格。

2.4.2 芯棒耐酸試驗(yàn)

目前，復(fù)合絕緣子芯棒中的玻璃纖維在機(jī)械應(yīng)力和酸性環(huán)境的作用下發(fā)生應(yīng)力腐蝕，進(jìn)而造成絕緣子斷裂的機(jī)理已被廣泛接納［14-16］。本次研究旨在判定故障絕緣子斷裂是否由絕緣子的端部密封或護(hù)套劣化后，在高壓電場作用下水汽侵入形成局部酸性環(huán)境腐蝕復(fù)合絕緣子芯棒，從而造成芯棒脆斷。

為此，對(duì)22D1絕緣子開展芯棒耐酸試驗(yàn)，截取絕緣子中間6段傘裙，剝削絕緣子中間部位的傘套（由P180砂紙打磨光滑，完全去除傘套殘留物），并使該部位芯棒裸露，再圍繞裸露芯棒部分安裝一個(gè)由聚乙烯制成的加蓋盛酸容器。在截取的絕緣子兩側(cè)施加141 kN拉力（取“67%SML”和“300 MPa乘以芯棒橫截面積”中的較大值），并立即在盛酸容器中注入濃度為1 mol/L的硝酸，保持96 h，試驗(yàn)現(xiàn)場及結(jié)果如圖6所示。

圖6 芯棒耐酸試驗(yàn)

芯棒耐酸試驗(yàn)結(jié)果表明，絕緣子置于酸性環(huán)境并施加額定應(yīng)力96 h后，并未出現(xiàn)斷裂、芯棒表面腐蝕情況，證明此次故障絕緣子采用了耐酸芯棒設(shè)計(jì)，斷裂原因并非是酸性物質(zhì)侵蝕導(dǎo)致。

2.4.3 帶護(hù)套水?dāng)U散試驗(yàn)

為進(jìn)一步研究復(fù)合絕緣子芯棒玻璃纖維與硅橡膠護(hù)套界面是否存在缺陷，需開展帶護(hù)套水?dāng)U散試驗(yàn)。考慮到22D2故障絕緣子傘裙表面已有多處裂紋，芯棒內(nèi)部斷裂朽化嚴(yán)重，已不再適合開展帶護(hù)套水?dāng)U散試驗(yàn)。而22D1絕緣子與22D2故障絕緣子為同廠家、同型號(hào)、同批次產(chǎn)品，且運(yùn)行環(huán)境相同。因此，選取22D1絕緣子開展帶護(hù)套水?dāng)U散試驗(yàn)及相關(guān)分析，效果等同于22D2絕緣子。

從22D1絕緣子上切取6個(gè)試驗(yàn)試品（其中高、中、低壓端每個(gè)位置各取2個(gè)，試品編號(hào)分別為2-1、2-2、2-3、2-4、2-5、2-6），切割方向與芯體軸線呈90°。試品長度為30 mm。試品切割面用180目細(xì)砂布打磨光滑且相互平行，保持兩切割端面清潔，如圖7（a）所示。

圖7 帶護(hù)套水?dāng)U散試驗(yàn)

將試品用異丙醇和濾紙擦洗干凈后，立即置于合適的容器中，并在含0.1%氯化鈉（重量）的去離子水中沸煮100 h。沸煮后將試品從容器中取出，在另一個(gè)充滿自來水容器中于室溫下放置15 min。隨后把試品從自來水容器中取出，立即用濾紙將表面擦干，再將每個(gè)試品置于兩電極間，試驗(yàn)電壓應(yīng)以約1 kV/s的速率上升到12 kV，如圖7（b）所示。在此電壓下持續(xù)1 min，然后將電壓降低至零，檢查試驗(yàn)過程中試品的表面閃絡(luò)情況和電流大小。

在耐壓試驗(yàn)過程中，6個(gè)試品表面均未發(fā)生擊穿或閃絡(luò)情況，試驗(yàn)期間各試品的泄漏電流如圖8所示。可以看出，2-2、2-5、2-6試品最大電流超過標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的100 μA（有效值），因此可以判定是芯棒和護(hù)套界面間的粘合度存在問題。

圖8 帶護(hù)套水?dāng)U散試驗(yàn)電流

3 故障原因分析

該故障絕緣子僅投運(yùn)8年，而復(fù)合絕緣子一般設(shè)計(jì)運(yùn)行年限為25～30年。通過對(duì)故障絕緣子的外觀檢查和傘裙、護(hù)套的憎水性及硬度試驗(yàn)結(jié)果分析，可以初步排除傘裙材料問題造成絕緣子芯棒斷裂朽化。

結(jié)合同相對(duì)側(cè)非故障絕緣子機(jī)械性能測試和電氣陡波試驗(yàn)，絕緣子的承受荷載能力和絕緣強(qiáng)度都能滿足標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，說明此次絕緣子故障并非由于承載荷或絕緣強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)造成的。對(duì)非故障絕緣子進(jìn)行芯棒耐酸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后絕緣子并未出現(xiàn)斷裂、芯棒表面腐蝕情況，說明此次故障絕緣子采用了耐酸芯棒設(shè)計(jì)，斷裂原因并非是酸性物質(zhì)侵蝕導(dǎo)致的。

通過對(duì)非故障絕緣子的帶護(hù)套水?dāng)U散試驗(yàn)結(jié)果分析可知，絕緣子芯棒玻璃纖維與硅橡膠護(hù)套間存在粘合度不夠的問題。再結(jié)合故障絕緣子的芯棒剖檢結(jié)果，可以看出芯棒表面的劣化程度大于芯棒內(nèi)部和低壓端，即劣化主要發(fā)生在芯棒與護(hù)套界面處。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，由于絕緣子串的高壓端長期處于強(qiáng)電場中，在運(yùn)行過程中芯棒界面失效造成絕緣子局部發(fā)熱，而長時(shí)間的熱量聚集造成芯棒產(chǎn)生碳化通道。同時(shí)在故障絕緣子表面發(fā)現(xiàn)多處蝕損點(diǎn)，表明碳化通道在發(fā)展過程中造成護(hù)套內(nèi)外的電位差，產(chǎn)生局部放電進(jìn)而導(dǎo)致護(hù)套表面蝕傷、破孔，而這又進(jìn)一步加劇了芯棒的碳化過程，循環(huán)往復(fù)造成絕緣子表面多處蝕損點(diǎn)。

另外，芯棒老化加上受外部運(yùn)行環(huán)境影響表面產(chǎn)生裂紋，水汽侵入裂紋后，在強(qiáng)電場作用下產(chǎn)生酸性物質(zhì)，使得絕緣子芯棒處于強(qiáng)電場、機(jī)械荷載、高溫、高濕酸性環(huán)境，進(jìn)一步加劇了絕緣子芯棒的快速老化，芯棒整體結(jié)構(gòu)變性，致使絕緣子芯棒酥朽，最終造成了22D2絕緣子斷裂、導(dǎo)線掉線事故。

而對(duì)于同相對(duì)側(cè)的22D1絕緣子，通過試驗(yàn)可以看出，22D1絕緣子芯棒玻璃纖維與硅橡膠護(hù)套間雖然存在粘合度不夠的問題，但因22D1絕緣子表面相對(duì)完好，且傘裙表面輕微粉化，水汽滲入量相對(duì)于22D2絕緣子而言較少，絕緣子芯棒老化的速率較低，因而未出現(xiàn)故障。但在溫升試驗(yàn)中，22D1絕緣子串高壓端掛點(diǎn)附近溫升達(dá)5.1 K。而《國網(wǎng)設(shè)備部關(guān)于開展架空輸電線路復(fù)合絕緣子紅外普測工作的緊急通知》（設(shè)備輸電［2022］114號(hào)）中規(guī)定：溫升大于10 K，判定為危急缺陷；溫升在5～10 K之間，判定為嚴(yán)重缺陷；溫升小于5 K，判定為一般缺陷。因此，可以判定22D1絕緣子已處于嚴(yán)重缺陷狀態(tài)。

4 防范措施

本次絕緣子斷裂故障發(fā)生區(qū)段曾在2022年度開展過人工地面巡視10次、地面紅外測溫1次，但由于其位于航空管制區(qū)（禁飛區(qū)），未開展無人機(jī)紅外測溫。在地面紅外測溫過程中，受地形環(huán)境復(fù)雜、鐵塔及下回線路對(duì)上回線路遮擋等不利因素的影響，導(dǎo)致上回線路檢測準(zhǔn)確度欠佳。為防范此類故障再次發(fā)生，建議采取如下防范措施：

1）加強(qiáng)禁飛區(qū)復(fù)合絕緣子日常運(yùn)維監(jiān)測。結(jié)合線路運(yùn)行特點(diǎn)，制定禁飛區(qū)復(fù)合絕緣子紅外測溫計(jì)劃，對(duì)可在地面進(jìn)行紅外測溫的復(fù)合絕緣子開展逐一排查；對(duì)地面難以測量的復(fù)合絕緣子，記錄準(zhǔn)確位置，借助密集輸電通道政策東風(fēng)，申請每年解禁1次，以便開展無人機(jī)紅外檢測。

2）建立復(fù)合絕緣子缺陷分析標(biāo)準(zhǔn)流程。針對(duì)傘裙發(fā)熱情況，借助憎水性檢測裝置開展復(fù)合絕緣子憎水性帶電或停電檢測，對(duì)憎水性等級(jí)大于HC5的及時(shí)進(jìn)行更換；針對(duì)芯棒發(fā)熱情況，利用紫外檢測對(duì)其表面碳化通道和電蝕損進(jìn)行復(fù)檢，并視情況危急程度開展帶電更換或列入當(dāng)年停電檢修計(jì)劃。

3）提升復(fù)合絕緣子動(dòng)態(tài)追蹤預(yù)警能力。建立復(fù)合絕緣子設(shè)備臺(tái)賬信息，準(zhǔn)確記錄復(fù)合絕緣子生產(chǎn)廠家、規(guī)格型號(hào)、投運(yùn)日期等數(shù)據(jù)，若其他線路復(fù)合絕緣子在抽檢過程中發(fā)現(xiàn)問題，立即核對(duì)所轄運(yùn)維線路（尤其是禁飛區(qū)段）是否有使用同廠家、同型號(hào)或同批次的復(fù)合絕緣子，并加大對(duì)其巡視和抽檢的力度。

4）探索實(shí)踐絕緣子智能監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用。積極推進(jìn)具備運(yùn)行狀態(tài)自檢測能力的復(fù)合絕緣子（如光纖復(fù)合絕緣子等）以及復(fù)合絕緣子分布式在線監(jiān)測裝置的研發(fā)、測試和生產(chǎn)，并應(yīng)用于禁飛區(qū)等關(guān)鍵線路區(qū)段，開展復(fù)合絕緣子在線紅外、紫外、超聲波檢測，為線路運(yùn)維人員提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

5）此外，本次絕緣子斷裂故障發(fā)生在迎峰度夏期間，恰逢連續(xù)晴熱高溫天氣，環(huán)境因素也是誘因之一。建議深入研究強(qiáng)電磁環(huán)境疊加連續(xù)高溫、高濕及重污穢等極端條件下復(fù)合絕緣子橡膠老化機(jī)理，優(yōu)化橡膠生產(chǎn)工藝，并制定行之有效的出廠驗(yàn)收、現(xiàn)場檢測標(biāo)準(zhǔn)，保障線路安全運(yùn)行。

結(jié)合上述措施，運(yùn)維人員及時(shí)分析并查找出該500 kV輸電線路486號(hào)塔中相右串絕緣子芯棒電蝕損嚴(yán)重缺陷，并立即開展帶電作業(yè)，及時(shí)消除了線路缺陷。

5 結(jié)語

通過對(duì)一起禁飛區(qū)垂直排列緊湊型500 kV雙回輸電線路復(fù)合絕緣子斷裂、導(dǎo)線掉線事故進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)原因?yàn)榻^緣子傘套與芯棒貼合不緊，芯棒加速老化而導(dǎo)致的。針對(duì)本次事故，給出了位處禁飛區(qū)的復(fù)合絕緣子運(yùn)維策略及防范措施，對(duì)日后的復(fù)合絕緣子運(yùn)維管理及研究工作具有重要的工程參考價(jià)值。