喀斯特山地垭口处直流棒形悬式复合绝缘子运行性能研究

赵 伟， 董 军， 陈 睿， 李言武， 覃思翔， 江 渺

(1.中国南方电网超高压输电公司天生桥局，贵州 兴义 562400; 2.华中科技大学电气与电子工程学院，武汉 430074)

0 引言

复合绝缘子以其体积小、重量轻、易安装、免维护、耐污性能好等一系列优点，在我国电力系统中得到了广泛应用[1-3]。由于目前我国超、特高压输电线路多为长距离架设，线路走廊跨越多种自然地形、气候区域，部分复合绝缘子不可避免地工作于自然条件复杂的环境。长期运行过程中，复合绝缘子除了承受线路的强电场，还受到现场日照、降雨、风速、污秽等环境因素的综合作用，对其材料特性、机械强度和电气性能造成差异化影响[4-6]。因此，对运行于特殊环境的复合绝缘子的运行性能进行监测和研究具有重要意义。

喀斯特是指由地下水对碳酸盐类岩石进行化学溶蚀、冲蚀和潜蚀等地质作用所造成的一类自然地貌，在地表以千沟万壑的岩层、峰丛和峰林为标志特征。喀斯特地貌连续峰丛的连接处相对平坦较低的位置称为山地垭口，也即山脊上呈马鞍状的凹陷处。山地垭口处地形复杂，气候多变，属于典型的微地形、微气象区域[7-9]。我国喀斯特地貌主要分布于广西、贵州和云南东部，南方电网多条直流输电线路穿过喀斯特地貌区，根据运维人员长期统计结果，发现运行于喀斯特山地垭口处的棒形悬式复合绝缘子运行性能相较其它一般地区存在一定的特殊性，具体表现为部分绝缘子老化程度偏重，伞裙硬度、憎水性等性能下降更快，芯棒界面粘接失效、发热等缺陷发生频次更高等。然而，目前国内外几乎未见针对喀斯特山地垭口处复合绝缘子运行性能特殊性的相关文献报道，因此亟需开展运行于该地区复合绝缘子的综合性能评估工作。

本研究主要针对运行了8年的±500 kV直流棒形悬式复合绝缘子进行了污秽度测量、憎水性测试、伞裙性能测试、水煮及陡波试验、工频电压试验、带护套芯棒水扩散试验、密封性能试验及机械破坏负荷试验；对运行于喀斯特山地垭口处复合绝缘子的性能进行了综合研究评估，为日后喀斯特山地垭口复合绝缘子的运维工作提供经验和参考。

1 试品信息

选取中国南方电网超高压输电公司天生桥局所管辖的±500 kV天广直流输电线路上，运行于喀斯特山地垭口处的4支棒形悬式复合绝缘子，试品外观和参数分别见图1和表1。

表1 复合绝缘子试品参数Table 1 Parameters of the composite insulator samples

图1 复合绝缘子试品外观Fig.1 Appearance of the composite insulator samples

在绝缘子取样过程中，同时调研了取样点附近长期运行环境参数，如年平均气温、湿度、降水、风速等，见表2。可以看出，绝缘子运行环境参数的差异主要体现在运行风速，这是由喀斯特地区山地垭口处的复杂地形所造成的。

表2 复合绝缘子试品运行环境情况

2 复合绝缘子材料性能试验

2.1 污秽度测量

对4支绝缘子高压端、中部、低压端伞裙上、下表面分别进行等值盐密和等值灰密测量，每个位置分别取相邻的3个伞裙单元进行测量，然后取平均值。测量结果见图2、图3。

图2 绝缘子试品不同位置的等值盐密Fig.2 ESDD at different positions of the insulator samples

图3 绝缘子试品不同位置的等值灰密

从图2、图3中可以看出，对于每一只绝缘子，伞裙上、下表面的盐密和灰密数值均相差不大，表明运行于喀斯特山地垭口处的复合绝缘子，上、下表面具有相似的积污特性；绝缘子不同位置的盐密相差较小，而灰密的差值比较明显，高压端和低压端灰密数值大于中部，沿轴线呈现出“U”型积污分布规律。这主要是由于直流线路绝缘子积污存在极化效应，电场强度高的地方更容易吸附污秽颗粒，而复合绝缘子轴向电场大致为“U”型分布，因此积污量近似与电场的分布特征相一致。

另外，对比4支绝缘子的积污情况，可以发现B绝缘子积污量较少，推测是由于B处降雨较丰富，雨水对伞裙表面污秽的冲刷效果显著；而D绝缘子积污略微严重，可能表明D绝缘子存在老化现象，绝缘性能下降，导致电场强度增加，对污秽物的吸附作用更加明显。

2.2 憎水性测试

采用喷水分级法测试复合绝缘子伞裙材料憎水性。对4支绝缘子高压端、中部、低压端伞裙上、下表面分别进行憎水性测试，结果见图4。

图4 绝缘子试品不同位置的憎水性

由图4看出，4支绝缘子的憎水性分级都在HC4级及以下，上表面和下表面憎水性差异不大。其中，B绝缘子的憎水性分级在HC2～HC3之间，可以认为在运行8年后仍然具有良好的憎水性。而D绝缘子憎水性分级基本处于HC4级，憎水性开始逐步丧失。总的来看，试品的憎水性变化情况与运行于普通地区的绝缘子变化规律无异，表明运行于喀斯特山地垭口地区对复合绝缘子伞裙憎水性无明显的特殊影响。

2.3 伞裙性能测试

从4支绝缘子高压端、中部、低压端区域的大伞裙中取样，磨片制成一定厚度的硅橡胶试片，分别测量其硬度、拉伸强度、撕裂强度等参数，结果见图5。图中虚线所示为满足相关标准要求的最小值。

图5 绝缘子试品的伞裙性能参数Fig.5 Performance parameters of the umbrella sheds of the insulator samples

从图5可以看出，4支绝缘子试品伞裙硅橡胶的硬度和拉伸强度区别不大，撕裂强度有一定差异，D绝缘子伞裙撕裂强度下降明显。伞裙撕裂强度主要反映绝缘子防风性能，风速过大会造成伞裙高频振动，导致伞裙根部发生应力集中，长期处于应力疲劳状态，损害伞裙抗撕裂强度[10-13]。由于D绝缘子运行垭口地处强风区，长期承受高速横风作用，导致伞裙撕裂强度下降。

此外，对4支绝缘子进行了伞裙耐漏电起痕试验，试验采用GB/T 6553-2014规定的恒定电痕化电压法进行[14]。将绝缘子装设于试验装置斜面，污染液从两电极间的试品表面均匀注入，污染液流速为0.6 mL/min，电阻率为395 Ω·cm，待流速稳定后施加4.5 kV直流电压，加压时间6 h。试验结束后，4支绝缘子表面未出现电痕，且最大蚀损深度在0.5 mm～1.2 mm范围内，小于标准规定的2.5 mm，认为绝缘子试品的伞裙耐漏电起痕性能良好。

3 复合绝缘子电气性能试验

3.1 水煮及陡波试验

水煮试验用以模拟环境水汽侵蚀运行复合绝缘子并破坏内绝缘的过程。通过水煮及后续的陡波前耐受、工频耐受试验，可以加速绝缘子内部缺陷的老化，发现绝缘子日常运维中不易发现的隐蔽性缺陷[15]。

将4支绝缘子试品放入水煮试验槽中，加入0.1%质量NaCl的去离子水持续沸腾42 h。沸腾时间结束后，待水自然冷却至50 ℃左右，将试品取出并进行外观检查。4支绝缘子均未出现开裂、破损、脱落、断裂等现象。

对水煮后的绝缘子进行陡波前冲击电压耐受试验。绝缘子高压端、中部、低压端各取1 m分两段，共分6段施加陡度为1 000 kV/μs～1 500 kV/μs的冲击电压，每个区段分别承受正、负极性冲击各25次。试验现场见图6。试验结束后，4支绝缘子均未出现伞裙击穿或护套损坏现象。水煮及陡波试验结果表明，试品绝缘子内绝缘性能保持良好，不存在明显的内部缺陷及劣化情况。

3.2 工频电压试验

水煮后的工频电压试验主要用于反映绝缘子发热情况和老化程度。对4支绝缘子按前述同样的方法分段，并以1 m的绝缘距离施加260 kV工频电压，耐受时间30 min，测量试品各段温升。水煮后的工频电压试验现场见图7。试验大气条件及校正参数为：b=101.6 kPa，td=27.5 ℃，tw=22 ℃，RH=48%，Kt=1.002。4支绝缘子试品的温升情况见图8。

图7 水煮后工频电压试验Fig.7 Power frequency voltage test after boiling

图8 工频电压试验绝缘子温升情况Fig.8 Temperature rise of insulators in the power frequency voltage test

由图8可知，4支绝缘子水煮后的各段温升全部小于标准规定的最大允许温升20 K，工频电压试验通过。但D绝缘子试品高压端分段最高温升达到18.2 ℃，已非常接近临界值，且D绝缘子所有分段温升均明显高于其它3支试品。该现象表明D绝缘子护套和伞裙老化程度较为严重，硅橡胶对小分子的渗透性上升，在高温、高压条件下，加剧水汽和盐分侵入硅橡胶内部，提高护套和伞裙的电导率，流过表面的泄漏电流增大，致使试品发热量增加。

3.3 带护套芯棒水扩散试验

相比水煮试验，带护套芯棒水扩散实验条件更加严酷，它直接将芯棒、芯棒护套粘接界面放置于0.1%质量NaCl的去离子水中，因此可以同时检测芯棒及界面粘接质量，检测效果更加显著。

对绝缘子试品A、B进行带护套芯棒水扩散实验。在护套与芯棒完好部位，每支绝缘子分别截取6段约30 mm长的带护套芯棒短样品，放入0.1%质量NaCl的去离子水中煮沸100 h，随后在芯棒上施加12 kV工频电压，持续1 min，并测量试品泄漏电流。两支绝缘子试品的泄漏电流测量结果见表3。根据DL/T 257-2012标准规定，水扩散试验全过程中不应出现击穿和表面闪络，且泄漏电流不超过0.2 mA[16]。从表3可以看出，A、B绝缘子试品每段泄漏电流均在0.2 mA范围内，且未发生击穿或表面闪络，满足标准要求，故认为绝缘子界面粘接性能保持良好。

表3 绝缘子试品泄漏电流测量结果Table 3 Test results of leakage current of the insulators

4 复合绝缘子机械性能试验

4.1 密封性能试验

复合绝缘子端部金具密封性能会直接影响绝缘子的运行状态。若端部密封性差，空气、酸液容易进入护套内部，在绝缘子端部高场强作用下，对芯棒不断产生应力腐蚀，最终可能导致芯棒断裂[17-18]。端部密封性能与金具与芯棒连接方式、金具密封工艺、密封胶材质等因素有关，早期受工艺水平影响，密封性能不足导致的绝缘子故障时有发生。本批次抽样的运行复合绝缘子均采用压接式端部密封结构，极大提升了绝缘子防水性能，能够有效降低由密封不良造成的各类故障概率。

取C、D绝缘子试品进行密封性能试验。对试品端部表面进行预清洗，再将两端金具包胶密封处浸染于1%的品红溶液。在试品上施加70%的额定机械负荷(即210 kN×0.7=147 kN)，保持1 min，随后卸去负荷，施荷及卸荷的全过程中，绝缘子端部始终完全被渗透剂浸没，卸荷后继续维持20 min，以保证渗透剂充分作用。随后用酒精清洗表面，除去多余渗透剂，待表面干燥后进行相关检查。抽取的2支绝缘子高压端与低压端的端部附件与绝缘伞套间均未见渗透现象，表明绝缘子端部界面密封性能良好。

4.2 机械破坏性试验

按照DL/T 810-2012标准要求，对C、D绝缘子试品进行机械破坏性试验[19]，试验装置见图9。对试品施加拉伸负荷，此拉伸负荷满足的条件为：首先在短时间内平稳地从零升至芯棒预期机械破坏负荷的75%附近，然后在30 s～90 s的时间内逐渐升高至试品破坏。2支绝缘子的破坏负荷和破坏状态见表4。

图9 机械破坏性试验Fig.9 Mechanical destructive test of the insulators

表4 绝缘子试品机械破坏性试验结果Table 4 Results of the mechanical destructive test of the insulators

进一步分析绝缘子试品的机械强度裕度，即机械破坏负荷与额定机械负荷的比值。C、D绝缘子的机械强度裕度分别为1.45、1.28，D绝缘子裕度相对较低，表明挂网运行过程中，D绝缘子机械强度出现一定下降，可能与其长期承受山地垭口处强劲风荷有关。在垭口处由于气流的狭管效应，通常会导致风速大幅度增加，而D绝缘子所在杆塔恰好位于垭口地貌相邻山谷中轴线上，根据文献研究结果，山谷中轴线上最大风速比平地风速高出33%[20]。强风作用于输电线路导线时，导线将承受水平风荷载和振动风荷载，相应地复合绝缘子芯棒、护套及端部金具将承受额外的拉伸、弯曲荷载，若芯棒玻璃纤维的抗弯强度不够，长期处于应力疲劳状态，可能导致部分玻璃纤维断裂，使得绝缘子机械强度永久下降[21]。因此，在喀斯特山地垭口处运行复合绝缘子的日常运行维护中，应着重关注绝缘子机械性能变化情况。

5 结论

本研究对运行于喀斯特山地垭口地区的直流复合绝缘子进行了综合性能研究，可以得到以下结论：

1)抽检的已运行8年的4支复合绝缘子试品，其整体运行性能保持良好，所有检测试验结果均通过，满足相关标准要求。

2)绝缘子试品伞裙憎水性均在HC4以下，伞裙硬度、拉伸强度、耐漏电起痕性能均保持在正常范围内，但伞裙抗撕裂强度存在下降现象。

3)绝缘子试品D伞裙老化严重的原因是长期承受垭口强风，伞裙发生高频振动，导致应力疲劳。伞裙的加剧老化同时导致其电气性能下降，工频电压试验温升增加。

4)垭口的高风速对复合绝缘子机械强度有较大影响，建议加强对运行于喀斯特山地垭口处复合绝缘子长期机械性能的跟踪检测。