复合绝缘子在油田电网的运行和故障特征分析

孙进　郑春生　时振堂　董翠翠　王哲　谢诗琪

摘      要： 基于硅橡胶复合绝缘子在我国某油田企业应用20年的运行经验，阐述了复合绝缘子的应用发展历程，考虑该油田电网的地形地貌、气象条件、污秽分布等自然因素，结合绝缘子事故规律统计和典型故障案例，分析了复合绝缘子的运行现状和故障特征，该电网发生的绝缘子故障主要分布于闪络、雷击和鸟害，其中雷电发生时刻基本与事故分布一致说明绝缘子闪络事故大部分与雷电活动或雷雨造成的气象有关。对一起绝缘子芯棒脆断典型故障进行了分析。最后，结合油田电网运行实际经验和未来智能电网的建设需求，提出了复合绝缘子运行维护与管理、性能优化研究的前景展望。

关  键  词：复合绝缘子;油田电网;故障特征;污秽影响

中图分类号：TM 757      文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）07-1523-04

Study on the Operation and Fault Characteristics of

Composite Insulators in the Oilfield Power Grid

SUN Jin1， ZHENG Chun-sheng2， SHI Zhen-tang1， DONG Cui-cui1， WANG Zhe2， XIE Shi-qi1

（1. Sinopec Dalian Research Institute of Petroleum and Petrochemicals， Dalian Liaoning 116045， China;

2. Sinopec Shengli Oilfield Branch， Dongying Shandong 257001， China;

3. School of Chemical Engineering， Dalian University of Technology， Dalian Liaoning 116024， China）

Abstract： Based on 20-year operating experience of silicon rubber composite insulators in an oil field in China， the application and development of composite insulator were described. Considering the natural factors such as topographical and geomorphic conditions， meteorological conditions and pollution distribution of the oil field grid， combined with insulator accident law statistics and typical fault cases， the operating status and fault characteristics of composite insulator were analyzed. The insulator faults were mainly distributed in flashover， lightning strike and bird damage. Further on， the occurrence time of lightning was basically consistent with the accident distribution， which indicated that the majority of insulator flashover accidents were related to lightning activity or weather caused by thunderstorm. A typical fault of insulator mandrel fracture was analyzed. Finally，combined the actual operation experience of oilfield power grid and the future construction demand of smart power grid， the prospect of composite insulator operation， maintenance and management， performance optimization was put forward.

Key words： Composite insulator; Oil field power grid; Fault characteristics; Filthy influence

自20世紀60年代起，美、英、德、法、日等发达国家开始研究利用高分子材料制造户外复合绝缘子，高温硫化硅橡胶复合绝缘子于20世纪70年代首先问世于德国。高温硫化硅橡胶以其优异的憎水性和憎水迁移性赋予了复合绝缘子耐污闪性能，同时兼具机械强度高、运行维护方便等特点，综合性能优异的复合绝缘子的应用大大地降低了输变电设备的跳闸率，明显地提高了输变电设备安全运行可靠性。

在世界范围内，已有超过27个国家和地区投入使用复合绝缘子，尤其是在北美、德国、瑞士等地区，其使用量总体呈持续稳定增长态势^[1]。

我国于1990年开始应用硅橡胶复合绝缘子，发展至今在其结构和制备材料方面都不断地完善和改进，生产成本不断降低，为其在电力线路中不断增大的使用规模奠定了技术基础和经济基础。但不可避免地在其运行使用过程中会出现老化、闪络、鸟害、雷击等故障，导致不同程度的事故。本文基于我国某油田企业电力电网复合绝缘子的运行经验，阐述了复合绝缘子的应用发展历程，探讨分析了复合绝缘子的故障特征和运行现状，并展望了其应用前景和未来的技术需求。

1  我国某油田电网简介

1.1  电网概况

电网始建于1965年3月，伴随油田油气勘探滚动开发50余年发展历程，电网逐步覆盖东营、滨州、淄博、德州等6个地市、22个县区。

电网共有变电站185座，电压等级涵盖35～220 kV，共有线路1627条，电压等级涵盖6～220 kV，线路总长约15 400 km，转供电量达70亿kW·h·a^-1。该电网以220 kV网络为主构架，110 kV网络为主干网，35 kV网络遍布油区，6～10 kV线路星罗棋布、直达油井和生产生活终端用户。

1.2  电网所处地形地貌及气象条件

电网整体处于黄河三角洲湿地中心，地势沿黄河走向自西南向东北倾斜。黄河以北区域39%的面积处于灘涂或沼泽地带，河流、沟渠纵横，盐场密布，土壤为盐碱地，含盐量在0.3%～0.5%之间。

据该电网所处省市雷暴日统计，该地区年雷暴日约32.2 d·a^-1，属于中雷区近高雷区。该油田区域已知雷区有滩涂沿海地区、莱州湾广利港地区、永安地区、垦东地区等。

该省国网电力研究院绘制的该省污区分布图（2014版）表明，该电网大部分处于d级污秽区，其中滩海地区处于最严重的e级污秽区，等值盐密介于0.124～0.254 mg·cm^-2。污染物主要为海洋盐雾、盐碱尘土以及周边石油炼化衍生物等，沿海地区尤为严重^[2]。

2  油田复合绝缘子的应用发展历程

该电网于1992年首次在110 kV八一线投入应用复合绝缘子，47基杆塔挂网使用FXB-110/100型复合绝缘子177串，运行18年未发生绝缘子事故，2010年对其换新。

由于该电网处在污秽区域，输电线路建设时即使用了防污型产品，并采取了一些抗污闪措施，但在1998年前后110 kV和220 kV线路频繁发生XWP型瓷绝缘子污闪事故。因此，从2000年开始，陆续将220 kV线路直线杆塔绝缘子和耐张杆塔跳线瓷绝缘子更换为FXB型复合绝缘子，随后更换了所有110 kV线路直线杆塔绝缘子。由于缺乏复合绝缘子运行经验，复合绝缘子产品质量问题频发，陆续发生了击穿、闪络等绝缘子事故，综合考虑后又将2条110 kV输电线路盐三线、盐五线挂网运行一年多的复合绝缘子换回瓷绝缘子，运行至今。

随着复合绝缘子制造工艺的发展、产品质量的稳定及运行经验的增加，目前该电网新建110、220 kV输电线路除耐张绝缘子串外，均采用了复合绝缘子。

该电网使用复合绝缘子的历程见证了国内复合绝缘子关键制造技术的发展，界面连接整体注射、整体模压、挤包护套后单伞裙套装3种成型工艺的产品均有挂网运行;金属附件的连接工艺早期采用内锲式结构，后使用压接式结构;既使用了标准型产品，也定制过1 314 mm结构高度的110 kV绝缘子等非标产品。复合绝缘子在该电网运行中也曾发生过绝缘子界面内击穿、脆断等恶性事故，但随着制造水平的提高及运维经验的逐步丰富，绝缘子事故率处于稳定范围，复合绝缘子数量随着该电网的发展壮大而不断增加。

截至目前，复合绝缘子在该电网110、220 kV线路中应用规模已超过2万只。复合绝缘子在该油田110、220 kV线路的应用规模见表1。

3  油田复合绝缘子故障特征分析

3.1  绝缘子事故规律统计

统计该油田电网2007-2018年发生的110、220 kV线路绝缘子事故次数，结果如表2所示，可以看出绝缘子事故总数呈下降趋势，说明随着绝缘子制造水平及运维管理水平的提升，对绝缘子的安全稳定运行有显著地提升作用。

2007-2018年110、220 kV绝缘子事故年度分布和事故趋势分别见图1和图2。从图中可知，近年来绝缘子的运行故障次数总体呈下降趋势。进一步对事故原因进行统计，分布规律如表3所示。通过分析可知，该电网发生的绝缘子故障主要分布于闪络、雷击和鸟害，占比分别为51.25%、32.5%和11.25%，与我国合成绝缘子发生事故比例中闪络29.4%、雷击47.2%和鸟粪16.6%相比，闪络比例明显高于全国平均水平^[3]。

绝缘子故障在110 kV线路发生居多，特别是芯棒脆断、界面击穿等恶性故障在110 kV线路绝缘子均发生过，这与该电网使用110 kV线路绝缘子选择的产品厂家密切相关。

3.2  雷电对复合绝缘子事故的影响

对该油田电网2007-2018年绝缘子事故发生的月份分布进行统计，结果如图3所示。由图3可以看出，绝缘子事故从6月份起逐渐增加，于7月份达到峰值，9月份出现回落。该省雷电分布相关研究统计的地闪月度分布如图4所示，可以看出，该省地闪主要发生在6-8月，地闪次数占全年的95.37%。

绝缘子事故时刻分布和雷电时刻分布分别如图5和图6所示，从事故发生的时刻分布来看，绝缘子事故有3个高峰，第一个是3-5时区间，第二个是8-9时区间，第三个是17-19时区间，根据该省雷电时刻分布，雷电在每日18-21时为最高峰，次高峰为每日2-3时，事故发生的次高峰与雷电分布最高峰吻合，事故发生高峰与雷电分布次高峰吻合，综合考虑凌晨为鸟类排便时间，可以看出雷电发生时刻曲线与事故分布曲线基本一致，说明绝缘子闪络事故大部分与雷电活动或雷雨造成的气象有关。

3.3  110 kV复合绝缘子芯棒脆断典型故障分析

该油田电网在运行维护中进行月度线路巡视，发现海洋甲乙线（双回）2^#耐张杆塔的C相复合绝缘子出现故障，其近导线端端部脆断，次日停电更换后，对该绝缘子进行了试验分析。

该故障绝缘子型号为FXB-110/70，其结构高度为1 440 mm，绝缘距离为1 230 mm，爬电距离为   3 400 mm， 芯棒直径为16 mm，内楔式连接结构，采用灌胶工艺制作，于1997年8月出厂，同年12月投入运行。

同时拆除了两只同批次绝缘子进行了拉力试验，测试结果均合格。对该故障绝缘子进行初步检查发现：脆断断面不规则;脆断部位位于端部金具锥腔内引拔棒与金属结构结合面上; 硅橡胶护套表面粗糙，护套与锥腔之间有空气间隙;脆断部位的2片伞裙呈黑色，出现轻微斑白点，锥腔边缘有明显烧伤痕迹;结合界面的密封胶可轻松撕裂，而残存的密封胶部分开裂;解剖锥腔时芯棒出现轻微滑移，芯棒上有一条轴向细微条纹，芯棒局部有“咬伤”痕迹。因此，初步判断该故障绝缘子故障与端部金具连接方式、芯棒的蠕变破坏及均压环配置有关。                                                                                 

该故障绝缘子的端部金具采用内楔式连接，界面利用内楔斜面结构摩擦角自锁紧原理，当端部金具承受拉伸负荷时，自锁紧功能使其表面正压力加大，随拉伸负荷的增加，芯棒端部内外压力大于芯棒的抗压破坏应力时发生断裂。另一方面，由于内楔式结构芯棒与连接锥腔、楔子之间自由滑动，受力时各部件间存在应力集中现象，出现纤维断裂时，其则邻近纤维将承担更大应力，断裂纤维进而逐渐增多，导致芯棒无法承受荷载而断裂^[4]。

按照DLT 864《标称电压高于1 000 V 交流架空线路用复合绝缘子》规程要求，110 kV及以下电压等级的绝缘子可仅在高压端安装一个均压装置。故障绝缘子并未按要求配置均压环，其高压端长期受电晕作用影响，端部密封胶的开裂导致绝缘和机械强度下降，在潮湿空气中电晕放电产生的酸侵入芯棒玻璃纤维，损坏芯棒。

该线路地处沿海滩涂区，污秽严重，且季风频繁，绝缘子在运行中不可避免地承受着微风震动、导线舞动等动态交变负荷，绝缘子界面承受着动静负荷，这些机械性能影响因素和大气恶劣环境的共同影响，加之未合理配置均压环，导致了事故的发生。

4  应用前景展望

复合绝缘子作为成熟的绝缘子产品在我国已进入全面工业应用阶段，进一步加强复合绝缘子性能的优化研究，包括引入新材料、新生产工艺，都将提高产品质量和适用性。

在运行维护管理方面，不应认为复合绝缘子可“免维护”，绝缘子积污和缺乏有效的检测评价仍然是事故高发的主因，应结合绝缘子运行环境，合理制定绝缘子清扫计划和措施。此外，开发实用的检测技术和在线监测装置，利用红外、紫外、X光检测设备等对在运复合绝缘子进行预知检测，结合智能电网的建设，综合运用先进的技术手段与管理手段，将有效降低绝缘子故障率，提升线路安全稳定运行水平，也是未来电网发展的需求所在^[5，6]。

参考文献：

[1]郑春生.运用110 kV复合横担绝缘子优化杆塔结构[J]. 电世界，2016，57（10）：5-8.

[2]刘建军. 东南亚沿海区域绝缘子防污闪措施[J]. 企业技术开发，2017（12）：42-50.

[3]杜正旺，郑春生. 复合绝缘子在沿海重盐污区电网的应用[J]. 电瓷避雷器，2000（5）：22-23.

[4]张志劲，朱俊宇，武剑，等. 不同型式110 kV支柱绝缘子自然积污特性分析[J]. 高电压技术，2019，45（7）：2203-2211.

[5]刘轩东，胡鈺骁，李亚伟，等. 凝露状态对硅橡胶绝缘表面闪络特性影响的实验研究[J]. 电网技术，2019（8）：3047-3054.

[6]陈文浩，姚利娜，李丰哲.无人机电网巡检中的绝缘子缺陷检测与定位[J]. 计算机应用，2019，39（z1）：210-214.

基金项目： 中国石化集团公司资助项目（项目编号：319019）。

收稿日期： 2020-03-17

作者简介： 孙进（1989-），女，辽宁省灯塔市人，助理研究员，硕士，2013年毕业于北京化工大学材料工程专业，研究方向：绝缘材料。

E-mail：sunj.fshy@sinopec.com。