內(nèi)蒙古電網(wǎng)復(fù)合絕緣子運(yùn)行老化性能分析

趙建坤，車傳強(qiáng)，燕寶峰，趙建利，趙 雷，謝明佐

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)高電壓與絕緣技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010020）

0 引言

二十世紀(jì)80年代國內(nèi)開始研制復(fù)合絕緣子，因其質(zhì)量輕、憎水性和憎水遷移性強(qiáng)、防污閃性能優(yōu)異等特點(diǎn)，在電網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。內(nèi)蒙古電網(wǎng)從二十世紀(jì)90年代起，開始大批量應(yīng)用復(fù)合絕緣子，是國內(nèi)最早應(yīng)用復(fù)合絕緣子的電網(wǎng)之一[3]。

復(fù)合絕緣子在長(zhǎng)期戶外運(yùn)行過程中受雷擊、污染、光照、高寒、電暈等影響不可避免地出現(xiàn)不同程度老化，機(jī)械、電氣性能下降，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)閃絡(luò)、掉串等故障[4-7]。內(nèi)蒙古電網(wǎng)復(fù)合絕緣子應(yīng)用規(guī)模大，目前各單位主要依據(jù)運(yùn)行年限、外觀情況對(duì)運(yùn)行復(fù)合絕緣子進(jìn)行更換，運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估工作有待深入開展。因此，對(duì)網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行復(fù)合絕緣子進(jìn)行抽樣檢測(cè)，研究其老化性能，對(duì)指導(dǎo)復(fù)合絕緣子運(yùn)行維護(hù)工作具有重要意義。

本文選取一批內(nèi)蒙古電網(wǎng)運(yùn)行復(fù)合絕緣子，開展外觀、電氣、機(jī)械及材料性能試驗(yàn)檢測(cè)，分析復(fù)合絕緣子運(yùn)行老化性能，并提出運(yùn)維建議。

1 復(fù)合絕緣子應(yīng)用及抽檢情況

1.1 應(yīng)用情況

內(nèi)蒙古電網(wǎng)絕緣子應(yīng)用規(guī)模大，且電壓等級(jí)越低，復(fù)合化率越高（見圖1）。截至2019年底，內(nèi)蒙古電網(wǎng)110 kV及以上架空輸電線路在運(yùn)復(fù)合絕緣子達(dá)40余萬支，110 kV、220 kV、500 kV線路絕緣子復(fù)合化率分別達(dá)79%、61%、40%。

圖1 內(nèi)蒙古電網(wǎng)絕緣子應(yīng)用情況

1.2 抽檢情況

復(fù)合絕緣子老化與運(yùn)行環(huán)境密切相關(guān)。為研究?jī)?nèi)蒙古地區(qū)（內(nèi)蒙古電網(wǎng)所轄供電范圍，下同）自然環(huán)境下復(fù)合絕緣子運(yùn)行老化性能，在內(nèi)蒙古電網(wǎng)不同地區(qū)抽取不同電壓等級(jí)、運(yùn)行年限、生產(chǎn)廠家在運(yùn)復(fù)合絕緣子77支（分布情況如圖2所示）。抽檢樣本覆蓋了110 kV、220 kV、500 kV 3個(gè)電壓等級(jí)（110 kV 13支，占比17%；220 kV 49支，占比64%；500 kV 15支，占比19%），運(yùn)行年限6~21年，涵蓋了國內(nèi)市場(chǎng)占有率較高的復(fù)合絕緣子生產(chǎn)廠家，抽檢樣本具有較好的覆蓋性、均布性。

圖2 抽檢復(fù)合絕緣子分布情況

2 檢測(cè)項(xiàng)目及方法

2.1 檢測(cè)項(xiàng)目

從預(yù)備項(xiàng)目、電氣性能、機(jī)械性能、材料性能四方面（見圖3），對(duì)抽檢復(fù)合絕緣子開展檢測(cè)，分析其運(yùn)行老化性能。

圖3 檢測(cè)項(xiàng)目

為避免各項(xiàng)試驗(yàn)之間相互影響，按照先非破壞性試驗(yàn)后破壞性試驗(yàn)、同支絕緣子不開展互相干擾試驗(yàn)的原則進(jìn)行。非破壞性試驗(yàn)逐支進(jìn)行，破壞性試驗(yàn)每批次抽取1—3支。

2.2 檢測(cè)方法

2.2.1 外觀檢查

主要檢查端部金屬附件臟污、銹蝕情況，傘裙護(hù)套臟污、硬化、粉化、破損、燒灼等情況，傘裙與芯棒黏接密封情況。

2.2.2 護(hù)套厚度檢查

機(jī)械破壞負(fù)荷試驗(yàn)后，從每支復(fù)合絕緣子的完好部分抽取3個(gè)剖面，測(cè)量剖面芯棒護(hù)套的最小厚度，以最小值表示抽檢絕緣子的護(hù)套最小厚度。最小護(hù)套厚度應(yīng)滿足DL/T 1000.3—2015《標(biāo)稱電壓高于1000 V架空線路用絕緣子使用導(dǎo)則第3部分：交流系統(tǒng)用棒形懸式復(fù)合絕緣子》的規(guī)定[8]。

2.2.3 憎水性試驗(yàn)

采用噴水分級(jí)法（HC法）和靜態(tài)接觸角法，對(duì)比兩種方法對(duì)運(yùn)行復(fù)合絕緣子憎水性檢測(cè)的適用性[9-10]。

2.2.4 交流耐壓試驗(yàn)

根據(jù)GB 311.1—2012《絕緣配合 第1部分：定義、原則和規(guī)則》確定需施加的試驗(yàn)電壓[11]，對(duì)復(fù)合絕緣子施加75%規(guī)定電壓值，然后以每秒約2%的速率上升至規(guī)定的耐受電壓，保持1 min，不應(yīng)發(fā)生閃絡(luò)或擊穿。

2.2.5 陡波前沖擊耐受電壓試驗(yàn)

試樣水煮后，將電極固定在試樣傘裙間的護(hù)套上。試驗(yàn)分段進(jìn)行，在每支產(chǎn)品兩端和中間的1 m范圍內(nèi)，取16 cm施加Upk/L≥30 kV/cm、Upk≥480 kV的沖擊電壓，沖擊次數(shù)為正負(fù)極性各25次。每次沖擊是電極間外部閃絡(luò)，不產(chǎn)生擊穿。

2.2.6 帶護(hù)套芯棒水?dāng)U散試驗(yàn)

用金剛石鋸片將芯棒沿與軸線成90°的方向切下6支試樣，并進(jìn)行標(biāo)記。每支試樣長(zhǎng)度為30 mm±0.5 mm。試驗(yàn)前將試樣放置于裝有質(zhì)量濃度為0.1g/ml NaCl去離子水的玻璃容器內(nèi)，加熱使溶液沸騰并持續(xù)100 h。水煮結(jié)束后，從容器中取出試樣，進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。試驗(yàn)電壓從0按1 kV/s速率升到12 kV，在此電壓下維持1 min，并記錄泄漏電流值。

2.2.7 耐應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)

在絕緣子中間部位剝除至少150 mm的傘套以露出芯棒，芯棒裸露部分安裝一個(gè)盛酸容器，容器壁厚≥1 cm，高度≥4 cm，蒸發(fā)量<5%，施加67%額定機(jī)械負(fù)荷（SML）的拉伸負(fù)荷，耐受96 h。

2.2.8 密封性試驗(yàn)

用清潔劑將表面預(yù)清理干凈，在清潔的表面用滲透劑（質(zhì)量濃度為0.01 g/ml的品紅溶液）作用20 min，除去多余滲透劑，使表面清潔干燥，噴涂顯影劑檢查表面是否有裂紋；清洗端部附件與絕緣子傘套間界面，將清洗后的試驗(yàn)部位外表面的傘裙割去，觀察是否有染色劑滲透。

2.2.9 護(hù)套黏接強(qiáng)度試驗(yàn)

解剖樣品絕緣子的傘裙和護(hù)套，檢查護(hù)套和芯棒黏接情況。

2.2.10 機(jī)械破壞負(fù)荷試驗(yàn)

先將機(jī)械負(fù)荷快速平穩(wěn)升高至70%SML，然后在30~90 s將機(jī)械負(fù)荷升高至100%SML，保持1 min。額定機(jī)械負(fù)荷試驗(yàn)通過后，繼續(xù)升高機(jī)械負(fù)荷直至樣品絕緣子被拉斷。

2.2.11 熱重分析

甲基乙烯基硅橡膠（PDMS）、白炭黑（SiO2）、氫氧化鋁（ATH）是復(fù)合絕緣子硅橡膠的3種主組分。復(fù)合絕緣子長(zhǎng)期運(yùn)行過程中3種主組分含量會(huì)發(fā)生變化。熱重分析可以測(cè)量硅橡膠主組分含量，通過測(cè)量不同深度位置硅橡膠主組分變化情況，表征復(fù)合絕緣子老化程度[10]。

2.2.12 紅外光譜分析

紅外光譜分析可用于研究分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵。硅橡膠老化的主要表現(xiàn)之一是硅橡膠中的Si-C鍵和C-H鍵發(fā)生斷裂，通過紅外光譜分析這些化學(xué)基團(tuán)譜峰強(qiáng)度的變化，定性和定量分析絕緣子表面的老化狀態(tài)[12]。

3 結(jié)果分析

3.1 外觀檢查

對(duì)全部77支樣品絕緣子進(jìn)行外觀檢查，如表1所示。

表1 外觀檢查結(jié)果 個(gè)

由表1可知，運(yùn)行5年以上復(fù)合絕緣子受電場(chǎng)、日曬雨淋、污穢、紫外線等環(huán)境因素影響，都出現(xiàn)不同程度老化或劣化，主要表現(xiàn)為傘裙破損、臟污、硬化、粉化，金具銹蝕等。傘裙臟污比例達(dá)90%，傘裙硬化比例＞40%，傘裙破損、粉化比例接近20%，且隨著運(yùn)行年限的增加，硬化、粉化比例基本呈上升趨勢(shì)。

3.2 護(hù)套厚度檢查

對(duì)26支樣品絕緣子護(hù)套厚度進(jìn)行檢查，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。但需要注意的是，如皋電力設(shè)備廠2002年生產(chǎn)的復(fù)合絕緣子護(hù)套厚度僅滿足標(biāo)準(zhǔn)最低要求，遠(yuǎn)低于同時(shí)期其他廠家產(chǎn)品。

3.3 憎水性試驗(yàn)

對(duì)全部77支復(fù)合絕緣子利用噴水分級(jí)法進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 憎水性測(cè)試結(jié)果（HC法）

圖5 復(fù)合絕緣子憎水性分級(jí)典型狀態(tài)

由圖4可知，96%的樣品絕緣子憎水性為HC2—HC4等級(jí)，4%達(dá)到HC5等級(jí)，無HC6等級(jí)；同時(shí)復(fù)合絕緣子憎水性下降與運(yùn)行年限無明顯正相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，運(yùn)行多年后復(fù)合絕緣子仍具有良好的憎水性，憎水性主要受原料配方、積污狀況等因素影響，與運(yùn)行年限無明顯相關(guān)性。

按照DL/T 1474—2015《標(biāo)稱電壓高于1000 V交、直流系統(tǒng)用復(fù)合絕緣子憎水性測(cè)量方法》要求，對(duì)運(yùn)行復(fù)合絕緣子保留傘裙表面的污穢層，采用HC法測(cè)量其憎水性。為了對(duì)比分析接觸角法對(duì)運(yùn)行復(fù)合絕緣子憎水性的適用性，在HC2—HC5等級(jí)中各選取3支復(fù)合絕緣子，利用靜態(tài)接觸角法測(cè)量其憎水性。結(jié)果表明僅1支HC4等級(jí)絕緣子不滿足DL/T 376—2019《聚合物絕緣子傘裙和護(hù)套用絕緣材料通用技術(shù)條件》對(duì)絕緣子硅橡膠表面的憎水性要求（平均接觸角≥100°、最小接觸角≥90°）。靜態(tài)接觸角測(cè)試結(jié)果與噴水分級(jí)法憎水性判定結(jié)果不一致，反映出靜態(tài)接觸角法用于運(yùn)行積污絕緣子傘裙憎水性評(píng)價(jià)具有一定的局限性，不能僅依靠靜態(tài)接觸角法判定運(yùn)行復(fù)合絕緣子傘裙的憎水性能。

3.4 交流耐壓試驗(yàn)

對(duì)13支樣品開展試驗(yàn)，全部通過。

3.5 陡波前沖擊耐受電壓試驗(yàn)

對(duì)26支樣品開展水煮后陡波前沖擊耐受電壓試驗(yàn)，每次沖擊只引起電極間的外部閃絡(luò)，未產(chǎn)生內(nèi)部擊穿現(xiàn)象，所有樣品均通過試驗(yàn)。

3.6 帶護(hù)套芯棒水?dāng)U散試驗(yàn)

對(duì)13支樣品開展試驗(yàn)，4支發(fā)生擊穿，2支泄漏電流超過0.1 mA，試驗(yàn)合格率為54%。

3.7 耐應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)

對(duì)9支樣品開展試驗(yàn)，1支樣品在96 h內(nèi)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，試驗(yàn)合格率為89%。

3.8 密封性試驗(yàn)

對(duì)13支樣品開展試驗(yàn)，即進(jìn)行端部金屬附件與傘套間界面的滲透試驗(yàn)，對(duì)其兩端面用染色材料滲透檢查裂痕情況，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，所有樣品均未發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖6 密封性試驗(yàn)結(jié)果

3.9 護(hù)套黏接強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)13支樣品開展試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)4支樣品芯棒與硅橡膠的界面存在不黏現(xiàn)象，1支樣品護(hù)套中有氣泡存在，試驗(yàn)合格率為62%。典型試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 護(hù)套黏接強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3.10 機(jī)械破壞負(fù)荷試驗(yàn)

對(duì)26支樣品開展試驗(yàn)，額定機(jī)械負(fù)荷試驗(yàn)全部通過，機(jī)械破壞負(fù)荷形式主要為帽窩抽出、球頭變形或斷裂、球頭抽出、芯棒酥?jǐn)嗟?，如圖8所示。

圖8 機(jī)械破壞負(fù)荷形式

選取保定電力修造廠、廣州邁克林廠、淄博泰光廠、任丘新華廠等4家產(chǎn)品，計(jì)算機(jī)械破壞負(fù)荷與額定機(jī)械負(fù)荷比值，同型號(hào)同廠家樣品取均值，分析不同廠家產(chǎn)品端部壓接工藝控制情況，計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

由表2可知，機(jī)械破壞負(fù)荷與額定機(jī)械負(fù)荷比值均超過1，平均值為1.5左右，表明運(yùn)行復(fù)合絕緣子機(jī)械性能良好，主流廠家端部壓接工藝控制良好。對(duì)內(nèi)蒙古電網(wǎng)20世紀(jì)90年代掛網(wǎng)運(yùn)行合成絕緣子的電氣及機(jī)械性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)早期掛網(wǎng)運(yùn)行的合成絕緣子機(jī)械性能下降較為普遍[3]。本文試驗(yàn)結(jié)果表明，內(nèi)蒙古電網(wǎng)早期應(yīng)用復(fù)合絕緣子出現(xiàn)的機(jī)械強(qiáng)度下降等問題已經(jīng)基本解決。

表2 機(jī)械破壞負(fù)荷與額定機(jī)械負(fù)荷比值

3.11 熱重分析

對(duì)13支樣品絕緣子傘裙表層及內(nèi)部分別取樣，內(nèi)部作為新樣參照，進(jìn)行熱重分析（TGA）。某典型樣品傘裙表層及內(nèi)部試樣的TGA曲線如圖9所示，其中第一段主要為ATH的熱分解，第二段主要為PDMS的熱分解。

由圖9可知，表層及內(nèi)部試樣在第一階段失重率分別為17.82%與14.32%，第二階段失重率分別為30.68%與35.00%。表層試樣第一階段失重率高、第二階段失重率低，表明相較于內(nèi)部，表層ATH含量高，PDMS含量低，說明傘裙在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中發(fā)生老化，表層PDMS主側(cè)鏈發(fā)生不同程度損失，使得表面憎水性減弱，復(fù)合絕緣子壽命降低。

圖9 表層及內(nèi)部試樣TGA曲線

3.12 紅外光譜分析

以某HC4、HC2等級(jí)樣品為例，分別對(duì)樣品絕緣子傘裙表層、內(nèi)部（作為新樣參照）取樣測(cè)試，紅外光譜如圖10所示。光譜圖中兩條曲線分別代表傘裙表層、內(nèi)部試樣的紅外光譜特征，788 cm-1附近為Si-C的伸縮振動(dòng)峰，1009 cm-1附近為Si-O-Si的伸縮振動(dòng)峰，1259 cm-1附近為Si-CH3中CH3的對(duì)稱變形振動(dòng)峰，2960 cm-1附近為-CH3中C-H的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，3431 cm-1附近為-OH的伸縮振動(dòng)峰。

圖10 復(fù)合絕緣子紅外光譜測(cè)試結(jié)果

對(duì)比HC4樣品傘裙表層、內(nèi)部紅外光譜發(fā)現(xiàn)，各主要官能團(tuán)的吸收峰差別較大，表層1009 cm-1處Si-O-Si吸收峰明顯減弱，說明傘裙表層硅橡膠的主鏈大量斷裂，2960 cm-1、1259 cm-1和788 cm-1處的-CH3吸收峰明顯減弱，說明硅橡膠的側(cè)鏈也損失較多。HC2等級(jí)樣品傘裙表層、內(nèi)部紅外光譜對(duì)比發(fā)現(xiàn)，各主要官能團(tuán)的吸收峰具有一定差別，表層1009 cm-1處Si-O-Si吸收峰減弱，說明傘裙表層硅橡膠的主鏈部分?jǐn)嗔眩?88 cm-1處的-CH3吸收峰減弱，說明硅橡膠的側(cè)鏈存在部分損失。

從紅外光譜分析結(jié)果看，HC2等級(jí)樣品比HC4等級(jí)樣品表層老化程度低，與憎水性測(cè)試結(jié)果一致，說明紅外光譜分析可用于硅橡膠材料老化程度分析。

4 結(jié)論

選取內(nèi)蒙古地區(qū)運(yùn)行復(fù)合絕緣子，開展外觀、電氣、機(jī)械及材料性能檢測(cè)，綜合各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果，得出內(nèi)蒙古電網(wǎng)復(fù)合絕緣子運(yùn)行老化性能及運(yùn)維建議如下。

（1）交流耐壓試驗(yàn)、陡波前沖擊耐受電壓試驗(yàn)、機(jī)械破壞負(fù)荷試驗(yàn)合格率達(dá)到100%，說明復(fù)合絕緣子界面、機(jī)械性能管控良好，長(zhǎng)期運(yùn)行性能仍滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，表明早期應(yīng)用復(fù)合絕緣子出現(xiàn)的機(jī)械強(qiáng)度下降等問題已經(jīng)基本解決。

（2）憎水性試驗(yàn)、帶護(hù)套芯棒水?dāng)U散試驗(yàn)、護(hù)套粘接強(qiáng)度試驗(yàn)合格率較低，反映這3項(xiàng)試驗(yàn)對(duì)運(yùn)行復(fù)合絕緣子老化特征較為靈敏，建議將上述試驗(yàn)項(xiàng)目用于網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行復(fù)合絕緣子抽檢。

（3）噴水分級(jí)法用于運(yùn)行復(fù)合絕緣子憎水性測(cè)試效果較好，靜態(tài)接觸角法憎水性測(cè)試結(jié)果與噴水分級(jí)法不一致，靜態(tài)接觸角法應(yīng)用于運(yùn)行復(fù)合絕緣子憎水性判定的適用性需進(jìn)一步研究。

（4）老化復(fù)合絕緣子主要表現(xiàn)為傘裙硬化、粉化、破損、憎水性下降，但采用電氣、機(jī)械試驗(yàn)等方法對(duì)復(fù)合絕緣子老化性能進(jìn)行檢測(cè)，通常在其性能發(fā)生較為明顯的劣化后才能顯示區(qū)別。而復(fù)合絕緣子老化是逐漸發(fā)展的，試驗(yàn)結(jié)果表明，熱重分析、紅外光譜分析等方法判定絕緣子傘裙早期老化程度效果良好。材料老化程度對(duì)復(fù)合絕緣子長(zhǎng)期運(yùn)行的影響仍需進(jìn)一步研究。