高压直流瓷和玻璃绝缘子金属附件电解腐蚀试验方法

罗 凌 张福增 王黎明 梅红伟 关志成 李立浧

(1.清华大学深圳研究生院 深圳 518055 2.南方电网科学研究院有限责任公司 广州 510080)



高压直流瓷和玻璃绝缘子金属附件电解腐蚀试验方法

罗 凌1张福增2王黎明1梅红伟1关志成1李立浧1

(1.清华大学深圳研究生院 深圳 518055 2.南方电网科学研究院有限责任公司 广州 510080)

分别采用喷水法、盐雾法、电解法和固体污层法对绝缘子的铁帽、钢脚进行电解腐蚀模拟试验研究，并对不同试验方法的等效性和可行性进行分析。通过与金属附件的现场腐蚀情况进行对比，并综合考虑各种方法的可操作性，推荐采用喷水法和盐雾法进行绝缘子金属附件电解腐蚀的模拟试验研究。采用喷水法进行铁帽腐蚀试验时，盐溶液的电导率取8～10 mS/cm(20℃)，喷水流量控制在8～10 L/h范围内；进行钢脚腐蚀试验时，溶液电导率取2～3 mS/cm(20℃)，喷水流量为2～3 L/h。采用盐雾法进行试验时，盐水溶液的电导率调配为10～12 mS/cm，单个喷嘴的喷雾流量为0.25～0.4 L/h。

直流瓷和玻璃绝缘子 金属附件 电解腐蚀 试验方法 喷水法 盐雾法

0 引言

近年来，随着我国电网规模的日益增大，高压直流输电技术得到了快速发展[1-4]。多条高压、特高压直流输电工程投入运行，为我国电力能源的优化配置发挥了重要作用[5-8]。盘形悬式瓷和玻璃绝缘子因其机电特性稳定、运行经验丰富而在高压直流输电工程上被广泛应用[9-12]。

自2011年10月以来，我国±800 kV楚穗直流、向上直流等特高压直流输电工程投运不足两年即陆续出现大面积的瓷和玻璃绝缘子金属附件腐蚀现象。根据南方电网公司2012年2月的排查结果，楚穗直流云南曲靖区段共有20 000余片瓷绝缘子出现铁帽腐蚀现象[13]。几乎同一时间，国家电网公司在向上直流湖北恩施区段也发现了2 000余片瓷绝缘子出现了铁帽腐蚀[14]。此外，南方电网超高压输电公司柳州局发现其辖区内的±500 kV高肇、兴安、天广等高压直流线路也存在铁帽腐蚀问题。对线路运行绝缘子进行解剖检测，发现随机抽取的82片正极性侧绝缘子均存在钢脚腐蚀现象。随着运行时间的增长，金属附件腐蚀绝缘子的数量也日益增加，威胁到系统的安全稳定运行。

早期文献对金属附件腐蚀的研究主要集中在钢脚方面[15，16]。直到近年来我国出现大面积的铁帽腐蚀现象，该问题才引起研究人员的注意[17，18]。

对于绝缘子金属附件的腐蚀问题，国内外通常在铁帽和钢脚处安装保护锌环、锌套加以抑制。但由于不同类型产品的结构存在较大差异，相关行业标准也未对锌环、锌套的结构尺寸进行统一规定。此外，尚无合适的模拟试验方法对其进行试验研究，因此，无法对不同类型绝缘子金属附件的耐腐蚀性能进行评判，更无法指导产品的设计和生产。这给特高压直流盘形悬式瓷和玻璃绝缘子的生产和运行维护带来不便。因此，亟需对模拟试验方法进行深入、系统研究，选择有效适用的试验方法对金属附件的腐蚀问题进行研究，为实际工程提供参考。

对于钢脚腐蚀模拟试验，A.W.Bardeen等[19]在20世纪50年代将针式瓷绝缘子置于相对湿度高于95%的高湿度气候箱中，同时将二氧化硫等气体通入气候箱中，以实现对重工业区绝缘子钢脚腐蚀现象的近似模拟。绝缘子串施加44 kV直流电压，整个钢脚腐蚀试验过程持续了20年。I.M.Crabtree等[15]给出了绝缘子钢脚腐蚀的等效电解电路，认为可以在电解池中对钢脚腐蚀进行模拟试验。文献[20]采用电解法对支柱绝缘子下部金属附件进行模拟试验研究时，将可溶性硫酸盐和盐酸盐等作为溶质，并按一定比例进行调配，以达到与现场绝缘子表面污秽成分相近的目的，之后将试品绝缘子置于电解池中进行试验。文献[21]把绝缘子浸入到污秽悬浮液中，以在绝缘子表面形成一层均匀的固体污秽层。之后将试品置于容器内进行钢脚腐蚀试验，并采用喷雾的方式对污秽层进行周期性湿润。这一试验方法同样被俄罗斯高压直流输电研究院用于长棒形瓷绝缘子金属附件电解腐蚀的模拟试验研究[22]。张俊锋等[23]分别采用盐雾法、固体污层法及电解法对爬距较小的小吨位绝缘子进行了钢脚腐蚀模拟试验，并结合试验结果，对3种试验方法的优缺点及适用范围进行了评价。此外，文献[23]中还提到，美国OB公司采用十字转轮法对绝缘子金具进行电解腐蚀模拟试验。试品绝缘子固定在间歇旋转的十字架上，依次经过盐水池浸没、滴干、施加直流电压及冷却4个环节，周而复始地进行人工加速腐蚀试验。施加直流电压为5 kV，产生约100 mA的泄漏电流。

尽管早期文献采用了不同模拟试验方法对直流盘形悬式绝缘子的钢脚腐蚀进行了一定研究，但均在20世纪90年代之前，当时主要采用爬距较小的小吨位绝缘子进行试验，且早期绝缘子的制造工艺与现在存在一定差异，很多试验方法难以在现代绝缘子上取得类似的模拟效果，故其参考价值有限。

本文在参考国内外早期模拟试验方法研究的基础上，结合楚穗直流工程的现场腐蚀情况，以当前特高压直流工程用的同型号绝缘子为试品，分别采用喷水法、盐雾法、电解池法和固体污层法对其铁帽、钢脚进行模拟试验研究。通过与现场腐蚀情况进行对比来选择合适的模拟试验方法，并确定试验过程中的关键技术参数。

1 腐蚀情况和研究思路

高压直流输电工程上的铁帽腐蚀绝缘子均位于负极性侧，且其悬挂方式均为Ⅴ型串。腐蚀部位为Ⅴ型悬挂方式下绝缘子铁帽最低点的滴水檐处，如图1所示。

图1 绝缘子铁帽腐蚀Fig.1 Corrosion of insulators’ iron caps

钢脚腐蚀Ⅴ型串瓷和玻璃绝缘子均位于正极性侧。腐蚀部位为钢脚保护锌套在水泥与空气交界处的环形区域，并且V串悬挂方式下保护锌套最低点腐蚀较其他部位更为严重，如图2所示。

图2 绝缘子钢脚腐蚀Fig.2 Corrosion of insulators’ pins

导致绝缘子金属附件出现腐蚀的主要原因是电解腐蚀。运行绝缘子在降雨、浓雾、凝露等天气条件下，绝缘子受潮后的表面液体环境、铁帽、钢脚以及施加在铁帽和钢脚上的电位差共同形成了电解回路。根据法拉第电解定律，与电源正极相连的阳极金属会被电解。在直流线路上，负极性侧的铁帽和正极性侧的钢脚均为阳极，因此会出现腐蚀。

本文主要从与现场腐蚀情况的等效性及可操作性两个方面对不同模拟试验方法进行对比，进而选择等效性、可操作性均较好的模拟试验方法。等效性方面是通过与现场绝缘子进行等电荷量条件下的模拟试验，对比两者腐蚀区域的参数及形状。

现场绝缘子的腐蚀电荷量主要根据法拉第电解定律对金属附件腐蚀区域解剖测量得到。首先用橡皮泥对腐蚀区域进行复原填充，得到腐蚀区域的体积。需重复测量5次，取其平均值

(1)

式中，V为腐蚀区域的体积，cm3；m1为橡皮泥的质量，mg；ρ0为橡皮泥的密度，mg/cm3。

之后计算金属附件腐蚀损失质量

m=ρV

(2)

式中，m为金属附件的腐蚀损失质量，mg；ρ为金属附件的密度，mg/cm3。

最后根据法拉第电解定律，计算出腐蚀电荷量

Q=m/ω

(3)

式中，ω为金属附件的电化学当量，g/C。

以所求得的腐蚀电荷量对金属附件进行等量模拟试验，并将腐蚀区域的相关参数和腐蚀形状与现场样品进行对比，判断其等效性的优劣。

对于可操作性，即从试验过程中影响试验进度的电解电流大小和试品准备繁琐程度来进行评判。

2 喷水法

2.1 试验平台

采用喷水法进行铁帽、钢脚电解腐蚀模拟试验的平台如图3所示。试验过程中，将NaCl溶液喷至绝缘子表面形成腐蚀所需的电解液环境。进行铁帽腐蚀试验时，在钢脚侧施加负极性电压；进行钢脚腐蚀试验时，在钢脚侧施加正极性电压。

1—调压器；2—变压器；3—全桥整流器；4—保护电阻；5—滤波电容；6—分压器；7—穿墙电缆；8—悬挂支架；9—喷水装置；10—电流测量装置；11—模拟试验房图3 基于喷水法的模拟试验平台Fig.3 The experimental set-up with spray water method

2.2 试品准备

图4 试品绝缘子的准备过程Fig.4 Preparation procedure for the test insulators

采用喷水法进行金属附件电解腐蚀模拟试验之前，需对试品绝缘子进行前期准备。对于铁帽腐蚀试品，需在绝缘件上表面距离铁帽帽檐5 cm处粘贴固定铜片电极，以短接下表面及部分上表面爬距。为避免电极在水流冲击下脱离绝缘件表面，在用强力胶粘贴电极后还需采用防水胶进一步固定，之后将电极另一端的金属线缠绕固定在钢脚上，如图4a、图4b所示。进行钢脚腐蚀试验前，同样需要将铜片电极粘贴固定于绝缘件下表面，电极端部与钢脚侧绝缘件的边缘相距1 cm，之后将金属线缠绕固定于铁帽的紧锁销上，如图4c、图4d所示。

2.3 试验结果分析

2.3.1 铁帽腐蚀试验结果分析

为了便于讨论和分析，对铁帽腐蚀区域的长度、宽度、深度进行了定义，如图5所示。

图5 铁帽腐蚀区域参数定义Fig.5 Parameters definition of the corrosion area

在5 200 C等腐蚀电荷量条件下，不同溶液电导率、喷水流速时的模拟试验结果与现场腐蚀尺寸的对比如图6所示。

图6 铁帽试验结果与现场腐蚀情况的对比Fig.6 Comparison of iron caps between test results and field corrosion insulators

由图6可知，当喷水溶液的电导率和流量在一定范围内时，铁帽腐蚀所形成锈坑的尺寸与实际运行绝缘子的腐蚀尺寸具有较好的等效性。从等效性和试验过程中绝缘子沿面放电等方面进行综合考虑，采用喷水法进行铁帽电解腐蚀试验时，喷水溶液的电导率宜取8～10 mS/cm(20℃)，喷水流量宜取8～10 L/h。对于溶液温度不是20℃的情况，其电导率应按式(4)进行折算。

σθ=σ20/[1-b(θ-20)]

(4)

式中，θ为溶液温度，℃；σθ为θ时的体积电导率，mS/cm；σ20为溶液温度为20℃时的体积电导率，mS/cm；b为取决于温度θ的因数，b=-3.200×10-8θ3+1.032×10-5θ2-8.272×10-4θ+3.544×10-2。

2.3.2 钢脚腐蚀试验结果分析

由于运行绝缘子钢脚腐蚀区域的尺寸分散性较大，无法像铁帽那样进行尺寸测量和等价性验证。因此，对于钢脚腐蚀，只能采用近似的观测。等量腐蚀电荷量条件下，试验结果与现场腐蚀情况对比如图7所示。

图7 钢脚腐蚀模拟试验结果与现场情况对比Fig.7 Comparison of pins between test results and field corrosion insulators

从模拟等效性方面考虑，采用喷水法进行钢脚电解腐蚀试验时，溶液的电导率宜取2～3 mS/cm(20℃)，喷水流量宜取2～3 L/h。对于溶液温度不是20℃的情况，其电导率也按式(4)进行折算。

采用喷水法对XZP2-300型瓷绝缘子进行模拟试验，不同腐蚀电荷量条件下的试验结果如图8所示。可看到，4.2 mm厚的保护锌套约能耐受45 000 C的腐蚀电荷量。

图8 不同试验电荷量条件下钢脚的腐蚀情况Fig.8 Corrosion condition of pins under different test electric charges

3 盐雾法

3.1 试验平台

基于盐雾法的金属附件电解腐蚀试验仍在加速电解腐蚀试验室内进行，通过安装在底部的4个雾化喷头将盐雾喷至整个试验空间，如图9所示。

1—调压器；2—变压器；3—全桥整流器；4—保护电阻；5—滤波电容；6—分压器；7—穿墙电缆；8—悬挂支架；9—喷水装置；10—电流测量装置；11—模拟试验房图9 基于盐雾法的模拟试验平台Fig.9 The experimental set-up with salt fog method

试验室盐雾的产生方式包括高压喷射法和超声雾化法两类。高压喷射法以压缩空气的方式对盐雾溶液产生6～10个大气压而使其雾化，此法产生盐雾颗粒的粒径为50～150 μm。超声雾化法利用1～3 MHz超声波的空化作用使液体分子作用力破坏，从液体表面脱出来而雾化，此法产生盐雾颗粒的粒径普遍在1～20 μm范围内。两种雾化方式的原理示意图如图10所示。

图10 盐雾发生装置原理图Fig.10 The experimental set-up of salt fog production

3.2 试验结果分析

采用盐雾法进行铁帽电解腐蚀试验，当腐蚀电荷量为5 200 C时，铁帽的腐蚀情况如图11b所示。

图11 基于盐雾法的铁帽腐蚀试验Fig.11 Test result of iron cap with salt fog method

由图11可知，采用盐雾法进行试验时，铁帽腐蚀部位没有喷水法那么集中。大部分腐蚀电荷量作用在滴水檐处，但有一部分腐蚀电荷量作用在帽檐的其他部位。这说明，若按照滴水檐处的集中腐蚀电荷量进行模拟试验，宜采用喷水法；若按照整个铁帽帽檐的腐蚀电荷量进行试验，则应采用盐雾法。

在等量腐蚀电荷量条件下，分别采用两种盐雾发生方式进行钢脚电解腐蚀试验，试验结果与现场腐蚀情况的对比如图12所示。

图12 钢脚腐蚀模拟试验结果与现场情况对比Fig.12 Comparison of pins between test results and field corrosion insulators

从模拟试验结果看，采用盐雾法进行铁帽、钢脚电解腐蚀试验时，喷水溶液的电导率宜取10～12 mS/cm(20℃)，每个喷嘴的喷雾流量控制在 0.25～0.4 L/h范围内。对于溶液温度不是20℃的情况，其电导率仍按式(4)进行折算。

4 电解池法

4.1 试验平台和试品准备

电解池法只适用于钢脚腐蚀的模拟试验，而不适合于铁帽。因为此法问题在于电解池中的金属附件均会发生腐蚀，金属附件腐蚀部位的形状很难与现场实际情况相近。只有将金属附件不腐蚀的部位用密封材料进行密封，将待腐蚀部位暴露在电解液中，才能近似模拟现场的腐蚀情况。对于铁帽，难以通过密封等前期处理使其得到与现场腐蚀较接近的试验结果。对于钢脚，首先将金属线缠绕在钢脚上，之后用防水密封胶将钢脚不发生腐蚀的部位和金属线密封起来，只露出保护锌套待腐蚀的环形区域，待密封胶干燥后进行试验。进行钢脚腐蚀试验的试品准备及试验平台如图13所示。

图13 基于电解池法的试品准备和试验平台Fig.13 The experimental set-up and preparation process of pin with salt fog method

4.2 试验结果分析

不同腐蚀电荷量条件下，钢脚的腐蚀结果如图14所示。

图14 基于电解法的钢脚腐蚀试验结果Fig.14 Test results of pins with electrolytic method

由图14可知，钢脚腐蚀部位的形状及尺寸与钢脚密封后外露部分的形状密切相关。采用电解法进行试验时，金属附件腐蚀部位的形状、尺寸受人为因素影响较大，而与现场腐蚀情况存在较大的差异。因此，该法等效性较差，不宜采用。

5 固体污层法

5.1 试品准备

固体污层法是在绝缘子表面涂覆污层，之后将其悬挂于电解腐蚀试验室内喷清洁雾进行加压试验。本文分别采用NaCl和高岭土、NaCl和硅藻土作为固体污层，对绝缘子进行人工涂污。考虑到V串绝缘子金属附件滴水檐处的腐蚀程度较其他区域更为严重，故将绝缘子表面划分为图15所示的两部分区域，A区域为上下表面小扇形区域，其按照0.25 mg/cm2的盐密进行涂污，B区域为大扇形区域，其按照0.05 mg/cm2的盐密进行涂污。A、B两个区域均按照盐灰比1∶6的比例进行灰密的涂覆。

图15 绝缘子表面涂污区域的划分Fig.15 Division of the pollution surface of insulator

5.2 试验结果分析

污层干燥后进行悬挂试验，试验过程中清洁雾充斥整个试验室，铁帽侧接地，钢脚侧施加-3 kV的直流电压，进行铁帽电解腐蚀模拟试验。试验过程中，流经绝缘子的电解电流如图16所示。

图16 试验过程中绝缘子铁帽的电解电流Fig.16 Electrolytic current on insulator in test process

由图16可知，试验电解电流在开始的0.5 h内逐渐上升，这一过程是绝缘子表面逐渐受潮的过程。污层受潮后，Na+和Cl-离子在直流电压作用下开始定向迁移，形成回路中的电解电流。0.5 h之后电流开始下降，出现这一现象的原因之一是电解液中阴、阳离子陆续迁移到相应的电极附近(Na+大部分已迁移至钢脚所在的阴极附近，Cl-也已迁移到铁帽所在的阳极附近)，导致电极附近相应种类离子的浓度增大，进而出现与离子迁移方向相反的扩散现象，最终离子迁移和扩散达到一个平衡状态，此时电解电流的大小不再由Na+和Cl-来体现，而是由铁帽电解腐蚀过程中产生的Fe2+和OH-迁移来体现，此时铁帽进入了一个自持电解过程。为验证这一推论，在图17a所示的电解池内进行试验研究。电解池的尺寸为25 cm×17 cm×16 cm。电解液的深度为14 cm，铁棒和锌棒的直径为3 mm，两者位于电解池中部，相距16 cm，没入电解液中的长度为13 cm。在两个金属棒电极上施加5 V直流电压，铁棒接电源正极，锌棒接电源负极。试验前NaCl溶液的电导率调配为10 mS/cm，试验过程中的电解电流如图17b所示。

试验过程中，铁棒所在阳极发生氧化反应，失去电子后形成Fe2+，锌棒所在阴极发生析氢还原反应，生产OH-。两者在电解液中相遇后生产Fe(OH)2沉淀。整个过程中Na+和Cl-未发生化学反应，也未流失，但整个回路的电解电流出现了明显下降，这说明Na+和Cl-已处于迁移和扩散的平衡状态，而Fe2+和OH-因为生产沉淀，而在溶液中的浓度没有Na+和Cl-那么大，因此电解电流变小。

图17 试验过程中绝缘子的泄漏电流Fig.17 Electrolytic current on insulator in test process

电解电流降低的另一个原因是绝缘子饱和受潮后，出现盐分流失。为了验证这一推论，对试验完成后绝缘子表面的污秽度进行测量，结果如表1所示。

表1 绝缘子污秽度测量结果Tab.1 Contamination degree measurement results (单位：mg/cm2)

由表1可知，试验完成后，绝缘子表面的污秽度远远低于试验前。这说明绝缘子饱和受潮过程中污层的盐分出现了较大程度的流失，这在一定程度上降低了电解电流。

采用固体污层法进行试验时，电解电流太小，试验进度太慢；且污秽流失后还需取下后重新涂污，工作量较大，试品准备极为繁琐。故此法可操作性较差，不宜采用。

6 结论

本文对高压盘形悬式瓷和玻璃绝缘子金属附件电解腐蚀模拟试验方法进行了研究，可为工程上铁帽保护锌环、钢脚保护锌套的设计提供试验支撑。

1)采用喷水法和盐雾法对金属附件进行电解腐蚀试验，能够取得较好地模拟效果，并且这两种方法具有较好的可行性。

2)采用电解法进行模拟试验时，试验结果与现场腐蚀情况存在较大差异。

3)采用固体污层法进行模拟试验过程中，需对绝缘子进行多次重复涂污，工作量较大，该方法可操作性较差。

4)采用喷水法进行模拟试验时，需对试品绝缘子进行铜片电极固定预处理。对于铁帽腐蚀试品，铜片电极端部距离铁帽帽檐5 cm；对于钢脚腐蚀试品，电极端部距离钢脚侧绝缘件边缘1 cm。

5)采用喷水法进行铁帽腐蚀试验时，盐溶液的电导率宜取8～10 mS/cm(20℃)，喷水流量应控制在8～10 L/h范围内；进行钢脚腐蚀试验时，溶液电导率取2～3 mS/cm(20℃)，喷水流量为2～3 L/h。

6)采用盐雾法进行铁帽、钢脚电解腐蚀模拟试验时，盐溶液的电导率宜取10～12 mS/cm，单个盐雾喷嘴的溶液流量为0.25～0.4 L/h。

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Test Methods for Hardware Electrolytic Corrosion of Porcelain and Glass Insulators on HVDC Transmission Lines

LuoLing1ZhangFuzeng2WangLiming1MeiHongwei1GuanZhicheng1LiLicheng1

(1.Graduate School at Shenzhen Tsinghua University Shenzhen 518055 China 2.Electric Power Research Institute China Southern Power Grid Guangzhou 510080 China)

In recent years，lots of porcelain and glass insulators on several HVDC transmission lines appeared hardware corrosion phenomena in China.The spray water method，the salt fog method，the electrolytic method，and the solid dirt layer method are used to carry out the corrosion tests for iron caps and pins of the insulators in this paper.Also，the equivalence and feasibility of those test methods are compared and analyzed.The spray water method and the salt fog method are proposed to research the electrolytic corrosion problem of hardware based on the comparison between the test results and the field corrosion.The conductivity and flow velocity of the solution are 8～10 mS/cm(20℃) and 8～10 L/h respectively while carrying on iron cap corrosion test with spray water method.For pin corrosion，these parameters are set as 2～3 mS/cm(20℃) and 2～3 L/h.The conductivity and flow velocity of the solution are 10～12 mS/cm(20℃) and 0.25～0.4 L/h per sprinkler for both iron cap and pin with salt fog method.

DC porcelain and glass insulator，hardware，electrolytic corrosion，test method，spray water method，salt fog method

国家重点基础研究发展计划(973计划)(2011CB209406)，特高压工程技术(昆明、广州)国家工程实验室开放基金重点项目(NEL201203、NEL201301)和南方电网公司基础性、前瞻性科技项目(SEPRI-K133003)资助。

2015-01-08 改稿日期2015-02-12

TM85

罗 凌 男，1987年生，博士研究生，研究方向为特高压直流绝缘子金属附件电解腐蚀机理及其抑制措施。(通信作者)

王黎明 男，1963年生，博士，教授，博士生导师，研究方向为高压外绝缘和电工电能新技术等。