復(fù)合絕緣子在油田電網(wǎng)的運行和故障特征分析

孫進　鄭春生　時振堂　董翠翠　王哲　謝詩琪

摘????? 要： 基于硅橡膠復(fù)合絕緣子在我國某油田企業(yè)應(yīng)用20年的運行經(jīng)驗，闡述了復(fù)合絕緣子的應(yīng)用發(fā)展歷程，考慮該油田電網(wǎng)的地形地貌、氣象條件、污穢分布等自然因素，結(jié)合絕緣子事故規(guī)律統(tǒng)計和典型故障案例，分析了復(fù)合絕緣子的運行現(xiàn)狀和故障特征，該電網(wǎng)發(fā)生的絕緣子故障主要分布于閃絡(luò)、雷擊和鳥害，其中雷電發(fā)生時刻基本與事故分布一致說明絕緣子閃絡(luò)事故大部分與雷電活動或雷雨造成的氣象有關(guān)。對一起絕緣子芯棒脆斷典型故障進行了分析。最后，結(jié)合油田電網(wǎng)運行實際經(jīng)驗和未來智能電網(wǎng)的建設(shè)需求，提出了復(fù)合絕緣子運行維護與管理、性能優(yōu)化研究的前景展望。

關(guān)? 鍵? 詞：復(fù)合絕緣子;油田電網(wǎng);故障特征;污穢影響

中圖分類號：TM 757?? ???文獻標識碼： A?? ????文章編號： 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、日等發(fā)達國家開始研究利用高分子材料制造戶外復(fù)合絕緣子，高溫硫化硅橡膠復(fù)合絕緣子于20世紀70年代首先問世于德國。高溫硫化硅橡膠以其優(yōu)異的憎水性和憎水遷移性賦予了復(fù)合絕緣子耐污閃性能，同時兼具機械強度高、運行維護方便等特點，綜合性能優(yōu)異的復(fù)合絕緣子的應(yīng)用大大地降低了輸變電設(shè)備的跳閘率，明顯地提高了輸變電設(shè)備安全運行可靠性。

在世界范圍內(nèi)，已有超過27個國家和地區(qū)投入使用復(fù)合絕緣子，尤其是在北美、德國、瑞士等地區(qū)，其使用量總體呈持續(xù)穩(wěn)定增長態(tài)勢^[1]。

我國于1990年開始應(yīng)用硅橡膠復(fù)合絕緣子，發(fā)展至今在其結(jié)構(gòu)和制備材料方面都不斷地完善和改進，生產(chǎn)成本不斷降低，為其在電力線路中不斷增大的使用規(guī)模奠定了技術(shù)基礎(chǔ)和經(jīng)濟基礎(chǔ)。但不可避免地在其運行使用過程中會出現(xiàn)老化、閃絡(luò)、鳥害、雷擊等故障，導(dǎo)致不同程度的事故。本文基于我國某油田企業(yè)電力電網(wǎng)復(fù)合絕緣子的運行經(jīng)驗，闡述了復(fù)合絕緣子的應(yīng)用發(fā)展歷程，探討分析了復(fù)合絕緣子的故障特征和運行現(xiàn)狀，并展望了其應(yīng)用前景和未來的技術(shù)需求。

1? 我國某油田電網(wǎng)簡介

1.1? 電網(wǎng)概況

電網(wǎng)始建于1965年3月，伴隨油田油氣勘探滾動開發(fā)50余年發(fā)展歷程，電網(wǎng)逐步覆蓋東營、濱州、淄博、德州等6個地市、22個縣區(qū)。

電網(wǎng)共有變電站185座，電壓等級涵蓋35～220 kV，共有線路1627條，電壓等級涵蓋6～220 kV，線路總長約15 400 km，轉(zhuǎn)供電量達70億kW·h·a^-1。該電網(wǎng)以220 kV網(wǎng)絡(luò)為主構(gòu)架，110 kV網(wǎng)絡(luò)為主干網(wǎng)，35 kV網(wǎng)絡(luò)遍布油區(qū)，6～10 kV線路星羅棋布、直達油井和生產(chǎn)生活終端用戶。

1.2? 電網(wǎng)所處地形地貌及氣象條件

電網(wǎng)整體處于黃河三角洲濕地中心，地勢沿黃河走向自西南向東北傾斜。黃河以北區(qū)域39%的面積處于灘涂或沼澤地帶，河流、溝渠縱橫，鹽場密布，土壤為鹽堿地，含鹽量在0.3%～0.5%之間。

據(jù)該電網(wǎng)所處省市雷暴日統(tǒng)計，該地區(qū)年雷暴日約32.2 d·a^-1，屬于中雷區(qū)近高雷區(qū)。該油田區(qū)域已知雷區(qū)有灘涂沿海地區(qū)、萊州灣廣利港地區(qū)、永安地區(qū)、墾東地區(qū)等。

該省國網(wǎng)電力研究院繪制的該省污區(qū)分布圖（2014版）表明，該電網(wǎng)大部分處于d級污穢區(qū)，其中灘海地區(qū)處于最嚴重的e級污穢區(qū)，等值鹽密介于0.124～0.254 mg·cm^-2。污染物主要為海洋鹽霧、鹽堿塵土以及周邊石油煉化衍生物等，沿海地區(qū)尤為嚴重^[2]。

2? 油田復(fù)合絕緣子的應(yīng)用發(fā)展歷程

該電網(wǎng)于1992年首次在110 kV八一線投入應(yīng)用復(fù)合絕緣子，47基桿塔掛網(wǎng)使用FXB-110/100型復(fù)合絕緣子177串，運行18年未發(fā)生絕緣子事故，2010年對其換新。

由于該電網(wǎng)處在污穢區(qū)域，輸電線路建設(shè)時即使用了防污型產(chǎn)品，并采取了一些抗污閃措施，但在1998年前后110 kV和220 kV線路頻繁發(fā)生XWP型瓷絕緣子污閃事故。因此，從2000年開始，陸續(xù)將220 kV線路直線桿塔絕緣子和耐張桿塔跳線瓷絕緣子更換為FXB型復(fù)合絕緣子，隨后更換了所有110 kV線路直線桿塔絕緣子。由于缺乏復(fù)合絕緣子運行經(jīng)驗，復(fù)合絕緣子產(chǎn)品質(zhì)量問題頻發(fā)，陸續(xù)發(fā)生了擊穿、閃絡(luò)等絕緣子事故，綜合考慮后又將2條110 kV輸電線路鹽三線、鹽五線掛網(wǎng)運行一年多的復(fù)合絕緣子換回瓷絕緣子，運行至今。

隨著復(fù)合絕緣子制造工藝的發(fā)展、產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定及運行經(jīng)驗的增加，目前該電網(wǎng)新建110、220 kV輸電線路除耐張絕緣子串外，均采用了復(fù)合絕緣子。

該電網(wǎng)使用復(fù)合絕緣子的歷程見證了國內(nèi)復(fù)合絕緣子關(guān)鍵制造技術(shù)的發(fā)展，界面連接整體注射、整體模壓、擠包護套后單傘裙套裝3種成型工藝的產(chǎn)品均有掛網(wǎng)運行;金屬附件的連接工藝早期采用內(nèi)鍥式結(jié)構(gòu)，后使用壓接式結(jié)構(gòu);既使用了標準型產(chǎn)品，也定制過1 314 mm結(jié)構(gòu)高度的110 kV絕緣子等非標產(chǎn)品。復(fù)合絕緣子在該電網(wǎng)運行中也曾發(fā)生過絕緣子界面內(nèi)擊穿、脆斷等惡性事故，但隨著制造水平的提高及運維經(jīng)驗的逐步豐富，絕緣子事故率處于穩(wěn)定范圍，復(fù)合絕緣子數(shù)量隨著該電網(wǎng)的發(fā)展壯大而不斷增加。

截至目前，復(fù)合絕緣子在該電網(wǎng)110、220 kV線路中應(yīng)用規(guī)模已超過2萬只。復(fù)合絕緣子在該油田110、220 kV線路的應(yīng)用規(guī)模見表1。

3? 油田復(fù)合絕緣子故障特征分析

3.1? 絕緣子事故規(guī)律統(tǒng)計

統(tǒng)計該油田電網(wǎng)2007-2018年發(fā)生的110、220 kV線路絕緣子事故次數(shù)，結(jié)果如表2所示，可以看出絕緣子事故總數(shù)呈下降趨勢，說明隨著絕緣子制造水平及運維管理水平的提升，對絕緣子的安全穩(wěn)定運行有顯著地提升作用。

2007-2018年110、220 kV絕緣子事故年度分布和事故趨勢分別見圖1和圖2。從圖中可知，近年來絕緣子的運行故障次數(shù)總體呈下降趨勢。進一步對事故原因進行統(tǒng)計，分布規(guī)律如表3所示。通過分析可知，該電網(wǎng)發(fā)生的絕緣子故障主要分布于閃絡(luò)、雷擊和鳥害，占比分別為51.25%、32.5%和11.25%，與我國合成絕緣子發(fā)生事故比例中閃絡(luò)29.4%、雷擊47.2%和鳥糞16.6%相比，閃絡(luò)比例明顯高于全國平均水平^[3]。

絕緣子故障在110 kV線路發(fā)生居多，特別是芯棒脆斷、界面擊穿等惡性故障在110 kV線路絕緣子均發(fā)生過，這與該電網(wǎng)使用110 kV線路絕緣子選擇的產(chǎn)品廠家密切相關(guān)。

3.2? 雷電對復(fù)合絕緣子事故的影響

對該油田電網(wǎng)2007-2018年絕緣子事故發(fā)生的月份分布進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，絕緣子事故從6月份起逐漸增加，于7月份達到峰值，9月份出現(xiàn)回落。該省雷電分布相關(guān)研究統(tǒng)計的地閃月度分布如圖4所示，可以看出，該省地閃主要發(fā)生在6-8月，地閃次數(shù)占全年的95.37%。

絕緣子事故時刻分布和雷電時刻分布分別如圖5和圖6所示，從事故發(fā)生的時刻分布來看，絕緣子事故有3個高峰，第一個是3-5時區(qū)間，第二個是8-9時區(qū)間，第三個是17-19時區(qū)間，根據(jù)該省雷電時刻分布，雷電在每日18-21時為最高峰，次高峰為每日2-3時，事故發(fā)生的次高峰與雷電分布最高峰吻合，事故發(fā)生高峰與雷電分布次高峰吻合，綜合考慮凌晨為鳥類排便時間，可以看出雷電發(fā)生時刻曲線與事故分布曲線基本一致，說明絕緣子閃絡(luò)事故大部分與雷電活動或雷雨造成的氣象有關(guān)。

3.3? 110 kV復(fù)合絕緣子芯棒脆斷典型故障分析

該油田電網(wǎng)在運行維護中進行月度線路巡視，發(fā)現(xiàn)海洋甲乙線（雙回）2^#耐張桿塔的C相復(fù)合絕緣子出現(xiàn)故障，其近導(dǎo)線端端部脆斷，次日停電更換后，對該絕緣子進行了試驗分析。

該故障絕緣子型號為FXB-110/70，其結(jié)構(gòu)高度為1 440 mm，絕緣距離為1 230 mm，爬電距離為?? 3 400 mm， 芯棒直徑為16 mm，內(nèi)楔式連接結(jié)構(gòu)，采用灌膠工藝制作，于1997年8月出廠，同年12月投入運行。

同時拆除了兩只同批次絕緣子進行了拉力試驗，測試結(jié)果均合格。對該故障絕緣子進行初步檢查發(fā)現(xiàn)：脆斷斷面不規(guī)則;脆斷部位位于端部金具錐腔內(nèi)引拔棒與金屬結(jié)構(gòu)結(jié)合面上; 硅橡膠護套表面粗糙，護套與錐腔之間有空氣間隙;脆斷部位的2片傘裙呈黑色，出現(xiàn)輕微斑白點，錐腔邊緣有明顯燒傷痕跡;結(jié)合界面的密封膠可輕松撕裂，而殘存的密封膠部分開裂;解剖錐腔時芯棒出現(xiàn)輕微滑移，芯棒上有一條軸向細微條紋，芯棒局部有“咬傷”痕跡。因此，初步判斷該故障絕緣子故障與端部金具連接方式、芯棒的蠕變破壞及均壓環(huán)配置有關(guān)。????????????? ???????????????????????????????????????????????????????????????????

該故障絕緣子的端部金具采用內(nèi)楔式連接，界面利用內(nèi)楔斜面結(jié)構(gòu)摩擦角自鎖緊原理，當(dāng)端部金具承受拉伸負荷時，自鎖緊功能使其表面正壓力加大，隨拉伸負荷的增加，芯棒端部內(nèi)外壓力大于芯棒的抗壓破壞應(yīng)力時發(fā)生斷裂。另一方面，由于內(nèi)楔式結(jié)構(gòu)芯棒與連接錐腔、楔子之間自由滑動，受力時各部件間存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，出現(xiàn)纖維斷裂時，其則鄰近纖維將承擔(dān)更大應(yīng)力，斷裂纖維進而逐漸增多，導(dǎo)致芯棒無法承受荷載而斷裂^[4]。

按照DLT 864《標稱電壓高于1 000 V 交流架空線路用復(fù)合絕緣子》規(guī)程要求，110 kV及以下電壓等級的絕緣子可僅在高壓端安裝一個均壓裝置。故障絕緣子并未按要求配置均壓環(huán)，其高壓端長期受電暈作用影響，端部密封膠的開裂導(dǎo)致絕緣和機械強度下降，在潮濕空氣中電暈放電產(chǎn)生的酸侵入芯棒玻璃纖維，損壞芯棒。

該線路地處沿海灘涂區(qū)，污穢嚴重，且季風(fēng)頻繁，絕緣子在運行中不可避免地承受著微風(fēng)震動、導(dǎo)線舞動等動態(tài)交變負荷，絕緣子界面承受著動靜負荷，這些機械性能影響因素和大氣惡劣環(huán)境的共同影響，加之未合理配置均壓環(huán)，導(dǎo)致了事故的發(fā)生。

4? 應(yīng)用前景展望

復(fù)合絕緣子作為成熟的絕緣子產(chǎn)品在我國已進入全面工業(yè)應(yīng)用階段，進一步加強復(fù)合絕緣子性能的優(yōu)化研究，包括引入新材料、新生產(chǎn)工藝，都將提高產(chǎn)品質(zhì)量和適用性。

在運行維護管理方面，不應(yīng)認為復(fù)合絕緣子可“免維護”，絕緣子積污和缺乏有效的檢測評價仍然是事故高發(fā)的主因，應(yīng)結(jié)合絕緣子運行環(huán)境，合理制定絕緣子清掃計劃和措施。此外，開發(fā)實用的檢測技術(shù)和在線監(jiān)測裝置，利用紅外、紫外、X光檢測設(shè)備等對在運復(fù)合絕緣子進行預(yù)知檢測，結(jié)合智能電網(wǎng)的建設(shè)，綜合運用先進的技術(shù)手段與管理手段，將有效降低絕緣子故障率，提升線路安全穩(wěn)定運行水平，也是未來電網(wǎng)發(fā)展的需求所在^[5，6]。

參考文獻：

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基金項目： 中國石化集團公司資助項目（項目編號：319019）。

收稿日期： 2020-03-17

作者簡介： 孫進（1989-），女，遼寧省燈塔市人，助理研究員，碩士，2013年畢業(yè)于北京化工大學(xué)材料工程專業(yè)，研究方向：絕緣材料。

E-mail：sunj.fshy@sinopec.com。