趙 偉， 董 軍， 陳 睿， 李言武， 覃思翔， 江 渺

(1.中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局，貴州 興義 562400; 2.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430074)

0 引言

復(fù)合絕緣子以其體積小、重量輕、易安裝、免維護、耐污性能好等一系列優(yōu)點，在我國電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。由于目前我國超、特高壓輸電線路多為長距離架設(shè)，線路走廊跨越多種自然地形、氣候區(qū)域，部分復(fù)合絕緣子不可避免地工作于自然條件復(fù)雜的環(huán)境。長期運行過程中，復(fù)合絕緣子除了承受線路的強電場，還受到現(xiàn)場日照、降雨、風(fēng)速、污穢等環(huán)境因素的綜合作用，對其材料特性、機械強度和電氣性能造成差異化影響[4-6]。因此，對運行于特殊環(huán)境的復(fù)合絕緣子的運行性能進行監(jiān)測和研究具有重要意義。

喀斯特是指由地下水對碳酸鹽類巖石進行化學(xué)溶蝕、沖蝕和潛蝕等地質(zhì)作用所造成的一類自然地貌，在地表以千溝萬壑的巖層、峰叢和峰林為標(biāo)志特征?？λ固氐孛策B續(xù)峰叢的連接處相對平坦較低的位置稱為山地埡口，也即山脊上呈馬鞍狀的凹陷處。山地埡口處地形復(fù)雜，氣候多變，屬于典型的微地形、微氣象區(qū)域[7-9]。我國喀斯特地貌主要分布于廣西、貴州和云南東部，南方電網(wǎng)多條直流輸電線路穿過喀斯特地貌區(qū)，根據(jù)運維人員長期統(tǒng)計結(jié)果，發(fā)現(xiàn)運行于喀斯特山地埡口處的棒形懸式復(fù)合絕緣子運行性能相較其它一般地區(qū)存在一定的特殊性，具體表現(xiàn)為部分絕緣子老化程度偏重，傘裙硬度、憎水性等性能下降更快，芯棒界面粘接失效、發(fā)熱等缺陷發(fā)生頻次更高等。然而，目前國內(nèi)外幾乎未見針對喀斯特山地埡口處復(fù)合絕緣子運行性能特殊性的相關(guān)文獻報道，因此亟需開展運行于該地區(qū)復(fù)合絕緣子的綜合性能評估工作。

本研究主要針對運行了8年的±500 kV直流棒形懸式復(fù)合絕緣子進行了污穢度測量、憎水性測試、傘裙性能測試、水煮及陡波試驗、工頻電壓試驗、帶護套芯棒水?dāng)U散試驗、密封性能試驗及機械破壞負荷試驗；對運行于喀斯特山地埡口處復(fù)合絕緣子的性能進行了綜合研究評估，為日后喀斯特山地埡口復(fù)合絕緣子的運維工作提供經(jīng)驗和參考。

1 試品信息

選取中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局所管轄的±500 kV天廣直流輸電線路上，運行于喀斯特山地埡口處的4支棒形懸式復(fù)合絕緣子，試品外觀和參數(shù)分別見圖1和表1。

表1 復(fù)合絕緣子試品參數(shù)Table 1 Parameters of the composite insulator samples

圖1 復(fù)合絕緣子試品外觀Fig.1 Appearance of the composite insulator samples

在絕緣子取樣過程中，同時調(diào)研了取樣點附近長期運行環(huán)境參數(shù)，如年平均氣溫、濕度、降水、風(fēng)速等，見表2?？梢钥闯?，絕緣子運行環(huán)境參數(shù)的差異主要體現(xiàn)在運行風(fēng)速，這是由喀斯特地區(qū)山地埡口處的復(fù)雜地形所造成的。

表2 復(fù)合絕緣子試品運行環(huán)境情況

2 復(fù)合絕緣子材料性能試驗

2.1 污穢度測量

對4支絕緣子高壓端、中部、低壓端傘裙上、下表面分別進行等值鹽密和等值灰密測量，每個位置分別取相鄰的3個傘裙單元進行測量，然后取平均值。測量結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 絕緣子試品不同位置的等值鹽密Fig.2 ESDD at different positions of the insulator samples

圖3 絕緣子試品不同位置的等值灰密

從圖2、圖3中可以看出，對于每一只絕緣子，傘裙上、下表面的鹽密和灰密數(shù)值均相差不大，表明運行于喀斯特山地埡口處的復(fù)合絕緣子，上、下表面具有相似的積污特性；絕緣子不同位置的鹽密相差較小，而灰密的差值比較明顯，高壓端和低壓端灰密數(shù)值大于中部，沿軸線呈現(xiàn)出“U”型積污分布規(guī)律。這主要是由于直流線路絕緣子積污存在極化效應(yīng)，電場強度高的地方更容易吸附污穢顆粒，而復(fù)合絕緣子軸向電場大致為“U”型分布，因此積污量近似與電場的分布特征相一致。

另外，對比4支絕緣子的積污情況，可以發(fā)現(xiàn)B絕緣子積污量較少，推測是由于B處降雨較豐富，雨水對傘裙表面污穢的沖刷效果顯著；而D絕緣子積污略微嚴(yán)重，可能表明D絕緣子存在老化現(xiàn)象，絕緣性能下降，導(dǎo)致電場強度增加，對污穢物的吸附作用更加明顯。

2.2 憎水性測試

采用噴水分級法測試復(fù)合絕緣子傘裙材料憎水性。對4支絕緣子高壓端、中部、低壓端傘裙上、下表面分別進行憎水性測試，結(jié)果見圖4。

圖4 絕緣子試品不同位置的憎水性

由圖4看出，4支絕緣子的憎水性分級都在HC4級及以下，上表面和下表面憎水性差異不大。其中，B絕緣子的憎水性分級在HC2～HC3之間，可以認為在運行8年后仍然具有良好的憎水性。而D絕緣子憎水性分級基本處于HC4級，憎水性開始逐步喪失?？偟膩砜?，試品的憎水性變化情況與運行于普通地區(qū)的絕緣子變化規(guī)律無異，表明運行于喀斯特山地埡口地區(qū)對復(fù)合絕緣子傘裙憎水性無明顯的特殊影響。

2.3 傘裙性能測試

從4支絕緣子高壓端、中部、低壓端區(qū)域的大傘裙中取樣，磨片制成一定厚度的硅橡膠試片，分別測量其硬度、拉伸強度、撕裂強度等參數(shù)，結(jié)果見圖5。圖中虛線所示為滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的最小值。

圖5 絕緣子試品的傘裙性能參數(shù)Fig.5 Performance parameters of the umbrella sheds of the insulator samples

從圖5可以看出，4支絕緣子試品傘裙硅橡膠的硬度和拉伸強度區(qū)別不大，撕裂強度有一定差異，D絕緣子傘裙撕裂強度下降明顯。傘裙撕裂強度主要反映絕緣子防風(fēng)性能，風(fēng)速過大會造成傘裙高頻振動，導(dǎo)致傘裙根部發(fā)生應(yīng)力集中，長期處于應(yīng)力疲勞狀態(tài)，損害傘裙抗撕裂強度[10-13]。由于D絕緣子運行埡口地處強風(fēng)區(qū)，長期承受高速橫風(fēng)作用，導(dǎo)致傘裙撕裂強度下降。

此外，對4支絕緣子進行了傘裙耐漏電起痕試驗，試驗采用GB/T 6553-2014規(guī)定的恒定電痕化電壓法進行[14]。將絕緣子裝設(shè)于試驗裝置斜面，污染液從兩電極間的試品表面均勻注入，污染液流速為0.6 mL/min，電阻率為395 Ω·cm，待流速穩(wěn)定后施加4.5 kV直流電壓，加壓時間6 h。試驗結(jié)束后，4支絕緣子表面未出現(xiàn)電痕，且最大蝕損深度在0.5 mm～1.2 mm范圍內(nèi)，小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2.5 mm，認為絕緣子試品的傘裙耐漏電起痕性能良好。

3 復(fù)合絕緣子電氣性能試驗

3.1 水煮及陡波試驗

水煮試驗用以模擬環(huán)境水汽侵蝕運行復(fù)合絕緣子并破壞內(nèi)絕緣的過程。通過水煮及后續(xù)的陡波前耐受、工頻耐受試驗，可以加速絕緣子內(nèi)部缺陷的老化，發(fā)現(xiàn)絕緣子日常運維中不易發(fā)現(xiàn)的隱蔽性缺陷[15]。

將4支絕緣子試品放入水煮試驗槽中，加入0.1%質(zhì)量NaCl的去離子水持續(xù)沸騰42 h。沸騰時間結(jié)束后，待水自然冷卻至50 ℃左右，將試品取出并進行外觀檢查。4支絕緣子均未出現(xiàn)開裂、破損、脫落、斷裂等現(xiàn)象。

對水煮后的絕緣子進行陡波前沖擊電壓耐受試驗。絕緣子高壓端、中部、低壓端各取1 m分兩段，共分6段施加陡度為1 000 kV/μs～1 500 kV/μs的沖擊電壓，每個區(qū)段分別承受正、負極性沖擊各25次。試驗現(xiàn)場見圖6。試驗結(jié)束后，4支絕緣子均未出現(xiàn)傘裙擊穿或護套損壞現(xiàn)象。水煮及陡波試驗結(jié)果表明，試品絕緣子內(nèi)絕緣性能保持良好，不存在明顯的內(nèi)部缺陷及劣化情況。

3.2 工頻電壓試驗

水煮后的工頻電壓試驗主要用于反映絕緣子發(fā)熱情況和老化程度。對4支絕緣子按前述同樣的方法分段，并以1 m的絕緣距離施加260 kV工頻電壓，耐受時間30 min，測量試品各段溫升。水煮后的工頻電壓試驗現(xiàn)場見圖7。試驗大氣條件及校正參數(shù)為：b=101.6 kPa，td=27.5 ℃，tw=22 ℃，RH=48%，Kt=1.002。4支絕緣子試品的溫升情況見圖8。

圖7 水煮后工頻電壓試驗Fig.7 Power frequency voltage test after boiling

圖8 工頻電壓試驗絕緣子溫升情況Fig.8 Temperature rise of insulators in the power frequency voltage test

由圖8可知，4支絕緣子水煮后的各段溫升全部小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大允許溫升20 K，工頻電壓試驗通過。但D絕緣子試品高壓端分段最高溫升達到18.2 ℃，已非常接近臨界值，且D絕緣子所有分段溫升均明顯高于其它3支試品。該現(xiàn)象表明D絕緣子護套和傘裙老化程度較為嚴(yán)重，硅橡膠對小分子的滲透性上升，在高溫、高壓條件下，加劇水汽和鹽分侵入硅橡膠內(nèi)部，提高護套和傘裙的電導(dǎo)率，流過表面的泄漏電流增大，致使試品發(fā)熱量增加。

3.3 帶護套芯棒水?dāng)U散試驗

相比水煮試驗，帶護套芯棒水?dāng)U散實驗條件更加嚴(yán)酷，它直接將芯棒、芯棒護套粘接界面放置于0.1%質(zhì)量NaCl的去離子水中，因此可以同時檢測芯棒及界面粘接質(zhì)量，檢測效果更加顯著。

對絕緣子試品A、B進行帶護套芯棒水?dāng)U散實驗。在護套與芯棒完好部位，每支絕緣子分別截取6段約30 mm長的帶護套芯棒短樣品，放入0.1%質(zhì)量NaCl的去離子水中煮沸100 h，隨后在芯棒上施加12 kV工頻電壓，持續(xù)1 min，并測量試品泄漏電流。兩支絕緣子試品的泄漏電流測量結(jié)果見表3。根據(jù)DL/T 257-2012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，水?dāng)U散試驗全過程中不應(yīng)出現(xiàn)擊穿和表面閃絡(luò)，且泄漏電流不超過0.2 mA[16]。從表3可以看出，A、B絕緣子試品每段泄漏電流均在0.2 mA范圍內(nèi)，且未發(fā)生擊穿或表面閃絡(luò)，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，故認為絕緣子界面粘接性能保持良好。

表3 絕緣子試品泄漏電流測量結(jié)果Table 3 Test results of leakage current of the insulators

4 復(fù)合絕緣子機械性能試驗

4.1 密封性能試驗

復(fù)合絕緣子端部金具密封性能會直接影響絕緣子的運行狀態(tài)。若端部密封性差，空氣、酸液容易進入護套內(nèi)部，在絕緣子端部高場強作用下，對芯棒不斷產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，最終可能導(dǎo)致芯棒斷裂[17-18]。端部密封性能與金具與芯棒連接方式、金具密封工藝、密封膠材質(zhì)等因素有關(guān)，早期受工藝水平影響，密封性能不足導(dǎo)致的絕緣子故障時有發(fā)生。本批次抽樣的運行復(fù)合絕緣子均采用壓接式端部密封結(jié)構(gòu)，極大提升了絕緣子防水性能，能夠有效降低由密封不良造成的各類故障概率。

取C、D絕緣子試品進行密封性能試驗。對試品端部表面進行預(yù)清洗，再將兩端金具包膠密封處浸染于1%的品紅溶液。在試品上施加70%的額定機械負荷(即210 kN×0.7=147 kN)，保持1 min，隨后卸去負荷，施荷及卸荷的全過程中，絕緣子端部始終完全被滲透劑浸沒，卸荷后繼續(xù)維持20 min，以保證滲透劑充分作用。隨后用酒精清洗表面，除去多余滲透劑，待表面干燥后進行相關(guān)檢查。抽取的2支絕緣子高壓端與低壓端的端部附件與絕緣傘套間均未見滲透現(xiàn)象，表明絕緣子端部界面密封性能良好。

4.2 機械破壞性試驗

按照DL/T 810-2012標(biāo)準(zhǔn)要求，對C、D絕緣子試品進行機械破壞性試驗[19]，試驗裝置見圖9。對試品施加拉伸負荷，此拉伸負荷滿足的條件為：首先在短時間內(nèi)平穩(wěn)地從零升至芯棒預(yù)期機械破壞負荷的75%附近，然后在30 s～90 s的時間內(nèi)逐漸升高至試品破壞。2支絕緣子的破壞負荷和破壞狀態(tài)見表4。

圖9 機械破壞性試驗Fig.9 Mechanical destructive test of the insulators

表4 絕緣子試品機械破壞性試驗結(jié)果Table 4 Results of the mechanical destructive test of the insulators

進一步分析絕緣子試品的機械強度裕度，即機械破壞負荷與額定機械負荷的比值。C、D絕緣子的機械強度裕度分別為1.45、1.28，D絕緣子裕度相對較低，表明掛網(wǎng)運行過程中，D絕緣子機械強度出現(xiàn)一定下降，可能與其長期承受山地埡口處強勁風(fēng)荷有關(guān)。在埡口處由于氣流的狹管效應(yīng)，通常會導(dǎo)致風(fēng)速大幅度增加，而D絕緣子所在桿塔恰好位于埡口地貌相鄰山谷中軸線上，根據(jù)文獻研究結(jié)果，山谷中軸線上最大風(fēng)速比平地風(fēng)速高出33%[20]。強風(fēng)作用于輸電線路導(dǎo)線時，導(dǎo)線將承受水平風(fēng)荷載和振動風(fēng)荷載，相應(yīng)地復(fù)合絕緣子芯棒、護套及端部金具將承受額外的拉伸、彎曲荷載，若芯棒玻璃纖維的抗彎強度不夠，長期處于應(yīng)力疲勞狀態(tài)，可能導(dǎo)致部分玻璃纖維斷裂，使得絕緣子機械強度永久下降[21]。因此，在喀斯特山地埡口處運行復(fù)合絕緣子的日常運行維護中，應(yīng)著重關(guān)注絕緣子機械性能變化情況。

5 結(jié)論

本研究對運行于喀斯特山地埡口地區(qū)的直流復(fù)合絕緣子進行了綜合性能研究，可以得到以下結(jié)論：

1)抽檢的已運行8年的4支復(fù)合絕緣子試品，其整體運行性能保持良好，所有檢測試驗結(jié)果均通過，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)絕緣子試品傘裙憎水性均在HC4以下，傘裙硬度、拉伸強度、耐漏電起痕性能均保持在正常范圍內(nèi)，但傘裙抗撕裂強度存在下降現(xiàn)象。

3)絕緣子試品D傘裙老化嚴(yán)重的原因是長期承受埡口強風(fēng)，傘裙發(fā)生高頻振動，導(dǎo)致應(yīng)力疲勞。傘裙的加劇老化同時導(dǎo)致其電氣性能下降，工頻電壓試驗溫升增加。

4)埡口的高風(fēng)速對復(fù)合絕緣子機械強度有較大影響，建議加強對運行于喀斯特山地埡口處復(fù)合絕緣子長期機械性能的跟蹤檢測。