直流特高压支柱绝缘子失效原因及检测方法研究

钟黎明，白耀鹏，王鹏宇

（1.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001；2.国网山西省电力公司，山西 太原 030001）

0 引言

支柱绝缘子主要用于变电站交直流系统中各种高压电器设备（如隔离开关）和母线的绝缘支持及机械固定。支柱绝缘子一旦发生断裂，会造成变电站、供电线路部分停电或全部停电，致使人员伤亡、设备损害、电量损失，严重影响社会的稳定和国民经济建设。据各单位的反馈信息，1984年至2005年4月，国家电网公司系统计共有140支瓷绝缘子发生断裂故障，其中折断115支，开裂故障11支，伞裙炸裂故障7支，此外还有7支故障类型不详。统计结果难以反应全部情况。

1 特高压站支柱绝缘子种类及结构

1.1 交流场区常用支柱绝缘子

交流场区常用的支柱瓷绝缘子比较单一，为传统的瓷质支柱绝缘子。

瓷质支柱绝缘子结构一般由瓷体、金属附件和胶装水泥3部分组成。其中，瓷体作用主要是绝缘和支撑；金属附件的作用为机械连接、固定，使用材料有铝合金、铸铁、低碳钢等；胶装水泥用来胶合金属附件和绝缘体，一般使用高标号的水泥。为了增加水泥胶合强度，一般在瓷体的两端即金属附件连接部位进行滚花或上砂处理。由于水泥膨胀系数和金属附件膨胀系数不一样，为了缓冲很大的应力，在法兰口内涂有一定厚度的沥青缓冲防护层。

目前，国内特高压站在停电检修时，也有可能会采用室温硫化型硅橡胶RTV（room temperature vulcanized silicone rubber）涂料来整体喷涂支柱绝缘子瓷体表面，用来增加支柱瓷绝缘子表面憎水性和防污闪性能，如图1所示。

1.2 直流场区常用支柱绝缘子

图1 支柱瓷绝缘子现场喷涂RTV

随着直流输电技术的发展和电压等级不断提高，对支柱绝缘子提出了新的要求，主要是电压不过零点和静电吸尘效应引起的爬电距离要求增加的问题。为获得好的爬电距离，同时不增加支柱绝缘子高度，各种复合绝缘子的发明和应用推广，在降低设备的结构高度上起到了积极作用。目前，直流场区使用的支柱绝缘子有纯瓷支柱绝缘子、纯瓷外涂RTV涂料支柱绝缘子、瓷芯支柱复合绝缘子、瓷芯支柱复合绝缘子、玻璃钢芯支柱复合绝缘子。

1.2.1 纯瓷支柱绝缘子

直流场的纯瓷支柱绝缘子与交流场区常用的支柱瓷绝缘子一样，都是传统的瓷质支柱绝缘子。目前，直流场区应用较少，主要使用的是改进后的纯瓷外涂RTV涂料支柱绝缘子。

1.2.2 纯瓷外涂RTV涂料支柱绝缘子

直流场区采用较多的为纯瓷外涂RTV涂料支柱绝缘子。这种支柱绝缘子表面在出厂前就已经喷涂上RTV涂料，相较于现场后期喷涂的工艺质量来说，工厂内喷涂的施工环境好，原料可控，喷涂厚度和质量更高，使用寿命更长。

表面喷涂RTV涂料后相较于纯瓷支柱瓷绝缘子能大大提高耐污闪性能，且具有较好的憎水性。表面喷涂过RTV涂料后，爬电比距与复合绝缘子的爬电比距相当，设计支柱绝缘子高度时可以比纯瓷的高度减少。RTV涂料各项性能保持时间较短，大约5 a后需要再次涂刷。

理论和经验表明，瓷绝缘子涂RTV涂刷简单，成本低，防污闪能力强，机械强度高，维护简单，其技术经济性较优，因此为推荐设计方案。

1.2.3 瓷芯支柱复合绝缘子

由瓷芯、带有伞裙的的冷缩硅橡胶套和连接金具组成的支柱绝缘子。瓷芯棒采用铝质高强度配方材料经等静压工艺烧制而成；硅橡胶绝缘护套伞裙是在满足一系列技术条件的前提下，通过注射高温硫化实现与瓷芯棒的粘合。

相对于传统的瓷质支柱绝缘子，提高了原有设备的抗污性能，便于用户清洗维护，降低了维护成本，同时又保留了瓷质设备的机械性能稳定的优点。由于瓷芯与外表面的硅橡胶套粘接容易出现缺陷，导致耐高压绝缘性能下降；同时生产成本和生产难度较大，使用范围较小。

1.2.4 玻璃钢芯支柱复合绝缘子

以环氧树脂浸渍的玻璃钢纤维组成的实心圆柱体为绝缘芯体、伞套（位于实心绝缘芯体的外部）和端部装配件构成的支柱绝缘子。

机械方面，玻璃钢芯棒相比瓷材料，具有强度高、抗冲击的特点；在外绝缘方面，硅橡胶有机绝缘保证了良好的绝缘性能。复合绝缘子抗弯破坏负荷和抗扭破坏负荷强度要好于纯瓷支柱绝缘子。相同参数要求下相比纯瓷支柱绝缘子可以降低装配的整支支柱绝缘子高度。

造价贵，相比瓷材料的支柱绝缘子贵3～5倍。表面憎水性及防污能力下降时只能整支更换。

2 支柱绝缘子失效原因

造成支柱绝缘子失效的原因很多，主要分为制造缺陷，设计缺陷，安装缺陷，调试缺陷以及运行环境原因[1]。

支柱瓷绝缘子主要失效形式为断裂，且95%断裂位置在瓷柱与铸铁法兰连接处，其余断裂在伞裙和其他部位。支柱复合绝缘子芯棒韧性相对瓷体要好，主要失效形式为折弯、拉断，外部伞裙性能降低时会造成老化失效。

2.1 制造质量不良

瓷体存在变形、开裂、夹杂物、气孔、生烧和过烧、黑芯和黄芯等；胶装水泥偏心、有空隙空洞、不严实；胶合部位胶装比偏低，有堆砂、缺砂等缺陷。

支柱复合绝缘子制造阶段会产生芯棒与硅橡胶结合不紧密缺陷，导致高压通过内部击穿。

2.2 设备选型不当

隔离开关中，厂家依据接线端静拉力的数值，再考虑一定的安全系数（一般为3.5）选用绝缘子；其中接线端静拉力考虑风力、覆冰、雪和导线的重量、张力等产生的最大静拉力。当设计选型不当，没有充分考虑到设备所处环境的实际情况，如非常规力（暂时的暴风骤雨引起的共振）或使用了机械强度偏低型号，使得天气恶劣情况下支柱绝缘子的机械强度低于要求运行，导致支柱瓷绝缘子折断或支柱复合绝缘子弯曲变形。

2.3 隔离开关的结构设计缺陷

由于部分型号隔离开关的结构设计不合理，元件抗锈蚀能力差，机构传动卡滞，支柱绝缘子承受异常弯矩或扭矩。

2.4 安装和调试不到位

如母线安装过程中，引线支柱瓷绝缘子安装过紧或固定点多于1个，安装硬母线时两端都紧。

2.5 运行和检修维护存在薄弱环节

由于隔离开关、母线等出现抱死、锈蚀、卡等情况时没有得到及时维护；刀闸操作未按正确步骤执行，导致支柱绝缘子断裂。

2.6 自然环境因素影响

气候温差变化大和恶劣的气象条件（暴风暴雨、雷击）是诱发断裂产生的因素。高纬度气温低的地区支柱瓷绝缘子，胶装部位的水泥冰结膨胀应力和来自金属附件体积缩聚时的剪切力叠加，也是瓷件开裂的重要原因。

支柱复合绝缘子在长期温差较大和恶劣气候条件下运行时，硅橡胶伞裙会提前老化，需要定期跟踪监测伞裙老化情况。

2.7 其他方面的影响

绝缘子表面受到污染，流经表面的泄漏电流因电蚀使瓷绝缘子金属附近产生电腐蚀，降低其机械强度，使复合绝缘子伞裙老化，憎水性和耐污闪性能降低，导致绝缘子破坏。此外还有支柱绝缘子服役年限较长老化失效、合闸瞬间点动力的冲击以及技术管理不当等问题。

3 支柱绝缘子检测方法

3.1 复合支柱绝缘子检测方法

3.1.1 直接观测法

直接观测可以检测到复合绝缘子一些外部物理缺陷，是基础而又有效的检测方法，主要形式是用望远镜或肉眼直接在塔下观察，主要检测：金具、护套和伞裙等一些部位缺陷；金属附件电蚀情况或连接处滑移情况；电蚀损、粉化、漏电痕迹等。在雨、雾、露等湿度较大的气象条件下还可以重点观察复合绝缘子伞裙表面局部放电的情况。

该方法检测局限性较大，一是单从地面观察范围难以全面，还需配合登塔观测；二是难以发现树技状通道等内部缺陷。

3.1.2 紫外成像法

该方法原理是局部放电过程中带电粒子会辐射出紫外线，并且随着表面缺陷引起的外形不连续造成放电产生或者增强，通过检测放电变化达到发现设备的绝缘缺陷；尤其是损害严重时导电性碳化通道在复合绝缘子表面产生，缺陷处放电会更加剧烈。

目前使用该检测方法效果一般，应用较少。不足原因有：要求温度处在零度以上，而且是夜间操作时间，同时要求检测时正在放电；检测设备价格较高。

3.1.3 红外成像法

主要原理是通过检测由泄漏电流和局部放电电流流经绝缘物质时引起的介电损耗或者电阻损耗等产生的绝缘子表面局部温升，该方法用于在线带电检测。当复合绝缘子高压端硅橡胶表面检测出明显温度升高时，可以发现显著发黑、粉化、变脆、许多细小裂纹，甚至出现严重破损，且取样进行陡波冲击耐受实验无法通过。

目前效果一般，检测结果易受阳光、大风、潮气、环境温度及引起绝缘子表面温度快速变化因素的影响；只对表面温度变化敏感，无法发现早期内部裂纹。

3.1.4 电场分布法

该方法原理是复合绝缘子表面电场分布随着导通性缺陷产生和分布而发生畸变，将无缺陷的复合绝缘子电场分布图与检测出来的电场分布图进行比较，可以判断复合绝缘子是否存在缺陷。

复合绝缘子存在着多种界面，当前认为芯棒与护套的界面结合不良缺陷是复合绝缘子最容易产生，同时也是危害最大的缺陷。复合绝缘子的电气试验有陡波冲击试验这一项，主要用来检测内绝缘缺陷，但是无法应用于在线检测；而电场分布法不仅可以在线检测，还能同时检测外绝缘缺陷和内绝缘缺陷，而使用的仪器相对简单且价格合适，对天气环境要求相对较低，适合低成本开展复合绝缘子状态检修。华北电网在采用“电场法”检测复合绝缘子的使用经验和推广范围较多；南方电网公司也在使用“电场法”检测复合绝缘子，积累了经验。

3.1.5 憎水性检测方法

憎水性测量法又叫分级法，适用于现场检测。该方法的提出单位瑞典输电研究所依据复合绝缘子表面的憎水性健康情况，由HC-1级到HC-7级将憎水性从高到底依次分为7级。最高为HC-1级最强，完全亲水的是HC-7级最差，检测时使用普通喷壶对试品表面喷洒水雾，查看试品表面的水珠分布情况，同时与相应级别图片和分级标准比较来进行分级。

喷水分级法的缺陷是主观性较大，容易误判。近年来，随着数码摄像技术和计算机数字图像处理技术的发展，结合人工智能技术与机器视觉技术进行评价变得可行。目前，评价复合绝缘子表面憎水性的计算机图像处理技术在瑞典开展起来，已经取得了阶段的成果。

3.1.6 泄漏电流测量法

泄漏电流测量方法的原理：使用引流卡后者电流传感器在支柱绝缘子接地端，在线测量沿表面的泄漏电流，利用处理单元统计的设定时间内统计值（包括大电流脉冲数、平均值、峰值），传输到数据中心。利用软件进行比对标准库进行综合分析，对绝缘子的积污状况作出评价，为状态检修提供实验依据。

由于泄露电流受到电压等级、伞裙型号和数量、环境温湿度等因素影响较多，目前该方法还处于论证阶段，没有大范围推广开。

3.2 瓷支柱绝缘子检测方法

3.2.1 超声波检测法

超声检测仪器包括主机、探头、校准试块、对比试块，如图2所示。

图2 超声检测仪器、探头、校准试块、对比试块

电网支柱瓷绝缘子超声波检测依据标准有：DL/T 303—2014《电网在役支柱瓷绝缘子及瓷套超声波检测》，内容为超声波检测技术规范；Q/GDW 279—2009《±800 kV直流支柱绝缘子技术规范》，内容为支柱瓷绝缘子技术要求和试验要求；Q/GDW 279—2009±800 kV《直流支柱绝缘子技术规范》，内容为现场的超声、机械、外观等检测导则；Q/GDW 11083—2013《高压支柱瓷绝缘子技术监督导则》，内容为支柱绝缘子全过程技术监督。

抽检条款依据Q/GDW 407—2010《高压支柱瓷绝缘子现场检测导则》中3.1.1条要求交接试验逐个超声波探伤；依据4.2条要求预防性试验每批次6 a进行抽样检测1次，抽样率不得低于该批次总量的15%～20%；并保证每次抽检覆盖一个完整间隔[2]。

根据使用的波形种类、和检测发现缺陷的位置，超声波检测方法分为爬波检测法和小角度纵波法[3-4]。

3.2.1.1 爬波法检测技术[5]

爬波大部分能量集中于界面下的近表面（约2～3 mm内），在该深度范围内有比较好的缺陷检测灵敏度。爬波还有一个特点：表面的状态不影响爬波在试件内传播。例如，胶装水泥和瓷砂以及其他外表面附着物都不影响对支柱瓷绝缘子铸铁法兰内的瓷体检测[6]，如图3所示。

图6 爬波检测绝缘子内裂纹原理图

支柱瓷绝缘子及瓷套爬波检测部位是上法兰和下法兰内用水泥胶装的瓷件近表面缺陷，长度为深入法兰内10 mm的范围。

3.2.1.2 小角度纵波法检测技术

采用小角度纵波斜入射法检测支柱瓷绝缘子内部和对侧近表面及表面缺陷，如图4所示。

3.2.2 振动声学检测法

振动声学检测法可以带电检测，选择不同电压等级的绝缘杆可以在相应电压等级下带电操作，检测设备如图5所示。该方法可以在不停电情况下带电检测，速度相比超声波检测法要快，效率高；缺点是定位缺陷较困难，并且检测时易受到大风、低温影响。

通过检测瓷支柱绝缘子固有频率，根据物体固有频率不变的特性，来判断该瓷支柱绝缘子的机械状况是否发生变化。机械性能良好的绝缘子其固有频率具有稳定性，当绝缘子发生损伤或机械性能降低时，其固有频率将发生改变。

图4 小角度纵波检测支柱瓷绝缘子内部点状缺陷反射波

图5 振动声学检测仪器及现场检测图

当对支柱瓷绝缘子底部法兰施加一个振动载荷时，返回的振动信号包含绝缘子频率完整信息。支柱瓷绝缘子下法兰连接处有缺陷或者裂纹时，会在低于基本振动频率的位置大概1 000～3 000 Hz处出现1个缺陷频率；当缺陷或者裂纹出现在上部法兰连接处时，会在高于进本振动频率的位置大概大于8 000 Hz处出现1个缺陷频率。

振动声学检测的理论依据[7]，柱状装置1端固定而另1端为自由状态，其本身自有振动频率用如式（1）表达所确定。

式中：wi——柱装置（绝缘子）本身自有振动频率；

ki——克雷洛夫方程式根；L——柱装置长度；

I——材质弹性模量；

μ——柱装置危险断面的惯性静力矩；E·I——柱装置的单位长度质量；

i——柱装置绝缘子振动的的固有形状

用损坏和未损坏的支柱绝缘子极限载荷比值来表达支柱绝缘子的承载能力。通过一系列的转换可以得出关系式（2）。

式中：P0——未损坏绝缘子极限载荷；

P1——损坏绝缘子极限载荷；

I0——未损坏绝缘子危险断面的惯性静力矩；

I1——损坏绝缘子危险断面的惯性静力矩；wi1——未损坏绝缘子自有振动频率；

wi0——损坏绝缘子自有振动频率；

i——绝缘子振动的的固有形状(i=1，2，…)。

分析关系式（2）可见，绝缘子的任何一种振动形式中的损伤都可以通过关系式（2）来表达。可得出结论，使用振动声方法来确定绝缘瓷柱的技术状态是正确可行的。

因此，解决测定支柱式绝缘子技术状态的算法可以通过测定其固有频率的性能状态来表达。绝缘子底部法兰区域有缺陷（裂纹）时，会导致低于基础频率的频率分量出现，如图6 a所示；当上部法兰区域有缺陷（裂纹）时，会导致高于基础频率的频率分量出现，如图6 b所示。

图6 振动声学检测支柱绝缘子频谱图

4 结束语

支柱绝缘子是电网变电设备的重要部件，其一端刚性地固定在构支架上，另一端起着支撑母线、隔离开关和绝缘的作用。运行中支柱绝缘子突然断裂会造成设备损坏和非停事故，带来重大经济损失；检修时支柱绝缘子断裂，并且还有几率导致人身伤亡事故，其影响后果非常严重。因此，高度重视并加强监督支柱绝缘子状态是建设坚强电网的重要技术措施[8]。

目前，各种检测支柱绝缘子的方法都有自己的优缺点，需要结合带电情况，运行情况来选择适合的检测手段[9]。正在研究中的激光超声检测方法具有无需耦合剂、速度快和可以在线检测等优点，是未来的前沿技术[10]。可以相信，激光超声等新技术将在未来支柱绝缘子检测中发挥更为重要的作用[11]。