喀斯特山地埡口處直流棒形懸式復(fù)合絕緣子運(yùn)行性能研究

趙 偉， 董 軍， 陳 睿， 李言武， 覃思翔， 江 渺

(1.中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局，貴州 興義 562400; 2.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430074)

0 引言

復(fù)合絕緣子以其體積小、重量輕、易安裝、免維護(hù)、耐污性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。由于目前我國(guó)超、特高壓輸電線路多為長(zhǎng)距離架設(shè)，線路走廊跨越多種自然地形、氣候區(qū)域，部分復(fù)合絕緣子不可避免地工作于自然條件復(fù)雜的環(huán)境。長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，復(fù)合絕緣子除了承受線路的強(qiáng)電場(chǎng)，還受到現(xiàn)場(chǎng)日照、降雨、風(fēng)速、污穢等環(huán)境因素的綜合作用，對(duì)其材料特性、機(jī)械強(qiáng)度和電氣性能造成差異化影響[4-6]。因此，對(duì)運(yùn)行于特殊環(huán)境的復(fù)合絕緣子的運(yùn)行性能進(jìn)行監(jiān)測(cè)和研究具有重要意義。

喀斯特是指由地下水對(duì)碳酸鹽類巖石進(jìn)行化學(xué)溶蝕、沖蝕和潛蝕等地質(zhì)作用所造成的一類自然地貌，在地表以千溝萬(wàn)壑的巖層、峰叢和峰林為標(biāo)志特征?？λ固氐孛策B續(xù)峰叢的連接處相對(duì)平坦較低的位置稱為山地埡口，也即山脊上呈馬鞍狀的凹陷處。山地埡口處地形復(fù)雜，氣候多變，屬于典型的微地形、微氣象區(qū)域[7-9]。我國(guó)喀斯特地貌主要分布于廣西、貴州和云南東部，南方電網(wǎng)多條直流輸電線路穿過喀斯特地貌區(qū)，根據(jù)運(yùn)維人員長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行于喀斯特山地埡口處的棒形懸式復(fù)合絕緣子運(yùn)行性能相較其它一般地區(qū)存在一定的特殊性，具體表現(xiàn)為部分絕緣子老化程度偏重，傘裙硬度、憎水性等性能下降更快，芯棒界面粘接失效、發(fā)熱等缺陷發(fā)生頻次更高等。然而，目前國(guó)內(nèi)外幾乎未見針對(duì)喀斯特山地埡口處復(fù)合絕緣子運(yùn)行性能特殊性的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，因此亟需開展運(yùn)行于該地區(qū)復(fù)合絕緣子的綜合性能評(píng)估工作。

本研究主要針對(duì)運(yùn)行了8年的±500 kV直流棒形懸式復(fù)合絕緣子進(jìn)行了污穢度測(cè)量、憎水性測(cè)試、傘裙性能測(cè)試、水煮及陡波試驗(yàn)、工頻電壓試驗(yàn)、帶護(hù)套芯棒水?dāng)U散試驗(yàn)、密封性能試驗(yàn)及機(jī)械破壞負(fù)荷試驗(yàn)；對(duì)運(yùn)行于喀斯特山地埡口處復(fù)合絕緣子的性能進(jìn)行了綜合研究評(píng)估，為日后喀斯特山地埡口復(fù)合絕緣子的運(yùn)維工作提供經(jīng)驗(yàn)和參考。

1 試品信息

選取中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司天生橋局所管轄的±500 kV天廣直流輸電線路上，運(yùn)行于喀斯特山地埡口處的4支棒形懸式復(fù)合絕緣子，試品外觀和參數(shù)分別見圖1和表1。

表1 復(fù)合絕緣子試品參數(shù)Table 1 Parameters of the composite insulator samples

圖1 復(fù)合絕緣子試品外觀Fig.1 Appearance of the composite insulator samples

在絕緣子取樣過程中，同時(shí)調(diào)研了取樣點(diǎn)附近長(zhǎng)期運(yùn)行環(huán)境參數(shù)，如年平均氣溫、濕度、降水、風(fēng)速等，見表2?？梢钥闯?，絕緣子運(yùn)行環(huán)境參數(shù)的差異主要體現(xiàn)在運(yùn)行風(fēng)速，這是由喀斯特地區(qū)山地埡口處的復(fù)雜地形所造成的。

表2 復(fù)合絕緣子試品運(yùn)行環(huán)境情況

2 復(fù)合絕緣子材料性能試驗(yàn)

2.1 污穢度測(cè)量

對(duì)4支絕緣子高壓端、中部、低壓端傘裙上、下表面分別進(jìn)行等值鹽密和等值灰密測(cè)量，每個(gè)位置分別取相鄰的3個(gè)傘裙單元進(jìn)行測(cè)量，然后取平均值。測(cè)量結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 絕緣子試品不同位置的等值鹽密Fig.2 ESDD at different positions of the insulator samples

圖3 絕緣子試品不同位置的等值灰密

從圖2、圖3中可以看出，對(duì)于每一只絕緣子，傘裙上、下表面的鹽密和灰密數(shù)值均相差不大，表明運(yùn)行于喀斯特山地埡口處的復(fù)合絕緣子，上、下表面具有相似的積污特性；絕緣子不同位置的鹽密相差較小，而灰密的差值比較明顯，高壓端和低壓端灰密數(shù)值大于中部，沿軸線呈現(xiàn)出“U”型積污分布規(guī)律。這主要是由于直流線路絕緣子積污存在極化效應(yīng)，電場(chǎng)強(qiáng)度高的地方更容易吸附污穢顆粒，而復(fù)合絕緣子軸向電場(chǎng)大致為“U”型分布，因此積污量近似與電場(chǎng)的分布特征相一致。

另外，對(duì)比4支絕緣子的積污情況，可以發(fā)現(xiàn)B絕緣子積污量較少，推測(cè)是由于B處降雨較豐富，雨水對(duì)傘裙表面污穢的沖刷效果顯著；而D絕緣子積污略微嚴(yán)重，可能表明D絕緣子存在老化現(xiàn)象，絕緣性能下降，導(dǎo)致電場(chǎng)強(qiáng)度增加，對(duì)污穢物的吸附作用更加明顯。

2.2 憎水性測(cè)試

采用噴水分級(jí)法測(cè)試復(fù)合絕緣子傘裙材料憎水性。對(duì)4支絕緣子高壓端、中部、低壓端傘裙上、下表面分別進(jìn)行憎水性測(cè)試，結(jié)果見圖4。

圖4 絕緣子試品不同位置的憎水性

由圖4看出，4支絕緣子的憎水性分級(jí)都在HC4級(jí)及以下，上表面和下表面憎水性差異不大。其中，B絕緣子的憎水性分級(jí)在HC2～HC3之間，可以認(rèn)為在運(yùn)行8年后仍然具有良好的憎水性。而D絕緣子憎水性分級(jí)基本處于HC4級(jí)，憎水性開始逐步喪失?？偟膩?lái)看，試品的憎水性變化情況與運(yùn)行于普通地區(qū)的絕緣子變化規(guī)律無(wú)異，表明運(yùn)行于喀斯特山地埡口地區(qū)對(duì)復(fù)合絕緣子傘裙憎水性無(wú)明顯的特殊影響。

2.3 傘裙性能測(cè)試

從4支絕緣子高壓端、中部、低壓端區(qū)域的大傘裙中取樣，磨片制成一定厚度的硅橡膠試片，分別測(cè)量其硬度、拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度等參數(shù)，結(jié)果見圖5。圖中虛線所示為滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的最小值。

圖5 絕緣子試品的傘裙性能參數(shù)Fig.5 Performance parameters of the umbrella sheds of the insulator samples

從圖5可以看出，4支絕緣子試品傘裙硅橡膠的硬度和拉伸強(qiáng)度區(qū)別不大，撕裂強(qiáng)度有一定差異，D絕緣子傘裙撕裂強(qiáng)度下降明顯。傘裙撕裂強(qiáng)度主要反映絕緣子防風(fēng)性能，風(fēng)速過大會(huì)造成傘裙高頻振動(dòng)，導(dǎo)致傘裙根部發(fā)生應(yīng)力集中，長(zhǎng)期處于應(yīng)力疲勞狀態(tài)，損害傘裙抗撕裂強(qiáng)度[10-13]。由于D絕緣子運(yùn)行埡口地處強(qiáng)風(fēng)區(qū)，長(zhǎng)期承受高速橫風(fēng)作用，導(dǎo)致傘裙撕裂強(qiáng)度下降。

此外，對(duì)4支絕緣子進(jìn)行了傘裙耐漏電起痕試驗(yàn)，試驗(yàn)采用GB/T 6553-2014規(guī)定的恒定電痕化電壓法進(jìn)行[14]。將絕緣子裝設(shè)于試驗(yàn)裝置斜面，污染液從兩電極間的試品表面均勻注入，污染液流速為0.6 mL/min，電阻率為395 Ω·cm，待流速穩(wěn)定后施加4.5 kV直流電壓，加壓時(shí)間6 h。試驗(yàn)結(jié)束后，4支絕緣子表面未出現(xiàn)電痕，且最大蝕損深度在0.5 mm～1.2 mm范圍內(nèi)，小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的2.5 mm，認(rèn)為絕緣子試品的傘裙耐漏電起痕性能良好。

3 復(fù)合絕緣子電氣性能試驗(yàn)

3.1 水煮及陡波試驗(yàn)

水煮試驗(yàn)用以模擬環(huán)境水汽侵蝕運(yùn)行復(fù)合絕緣子并破壞內(nèi)絕緣的過程。通過水煮及后續(xù)的陡波前耐受、工頻耐受試驗(yàn)，可以加速絕緣子內(nèi)部缺陷的老化，發(fā)現(xiàn)絕緣子日常運(yùn)維中不易發(fā)現(xiàn)的隱蔽性缺陷[15]。

將4支絕緣子試品放入水煮試驗(yàn)槽中，加入0.1%質(zhì)量NaCl的去離子水持續(xù)沸騰42 h。沸騰時(shí)間結(jié)束后，待水自然冷卻至50 ℃左右，將試品取出并進(jìn)行外觀檢查。4支絕緣子均未出現(xiàn)開裂、破損、脫落、斷裂等現(xiàn)象。

對(duì)水煮后的絕緣子進(jìn)行陡波前沖擊電壓耐受試驗(yàn)。絕緣子高壓端、中部、低壓端各取1 m分兩段，共分6段施加陡度為1 000 kV/μs～1 500 kV/μs的沖擊電壓，每個(gè)區(qū)段分別承受正、負(fù)極性沖擊各25次。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見圖6。試驗(yàn)結(jié)束后，4支絕緣子均未出現(xiàn)傘裙擊穿或護(hù)套損壞現(xiàn)象。水煮及陡波試驗(yàn)結(jié)果表明，試品絕緣子內(nèi)絕緣性能保持良好，不存在明顯的內(nèi)部缺陷及劣化情況。

3.2 工頻電壓試驗(yàn)

水煮后的工頻電壓試驗(yàn)主要用于反映絕緣子發(fā)熱情況和老化程度。對(duì)4支絕緣子按前述同樣的方法分段，并以1 m的絕緣距離施加260 kV工頻電壓，耐受時(shí)間30 min，測(cè)量試品各段溫升。水煮后的工頻電壓試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見圖7。試驗(yàn)大氣條件及校正參數(shù)為：b=101.6 kPa，td=27.5 ℃，tw=22 ℃，RH=48%，Kt=1.002。4支絕緣子試品的溫升情況見圖8。

圖7 水煮后工頻電壓試驗(yàn)Fig.7 Power frequency voltage test after boiling

圖8 工頻電壓試驗(yàn)絕緣子溫升情況Fig.8 Temperature rise of insulators in the power frequency voltage test

由圖8可知，4支絕緣子水煮后的各段溫升全部小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大允許溫升20 K，工頻電壓試驗(yàn)通過。但D絕緣子試品高壓端分段最高溫升達(dá)到18.2 ℃，已非常接近臨界值，且D絕緣子所有分段溫升均明顯高于其它3支試品。該現(xiàn)象表明D絕緣子護(hù)套和傘裙老化程度較為嚴(yán)重，硅橡膠對(duì)小分子的滲透性上升，在高溫、高壓條件下，加劇水汽和鹽分侵入硅橡膠內(nèi)部，提高護(hù)套和傘裙的電導(dǎo)率，流過表面的泄漏電流增大，致使試品發(fā)熱量增加。

3.3 帶護(hù)套芯棒水?dāng)U散試驗(yàn)

相比水煮試驗(yàn)，帶護(hù)套芯棒水?dāng)U散實(shí)驗(yàn)條件更加嚴(yán)酷，它直接將芯棒、芯棒護(hù)套粘接界面放置于0.1%質(zhì)量NaCl的去離子水中，因此可以同時(shí)檢測(cè)芯棒及界面粘接質(zhì)量，檢測(cè)效果更加顯著。

對(duì)絕緣子試品A、B進(jìn)行帶護(hù)套芯棒水?dāng)U散實(shí)驗(yàn)。在護(hù)套與芯棒完好部位，每支絕緣子分別截取6段約30 mm長(zhǎng)的帶護(hù)套芯棒短樣品，放入0.1%質(zhì)量NaCl的去離子水中煮沸100 h，隨后在芯棒上施加12 kV工頻電壓，持續(xù)1 min，并測(cè)量試品泄漏電流。兩支絕緣子試品的泄漏電流測(cè)量結(jié)果見表3。根據(jù)DL/T 257-2012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，水?dāng)U散試驗(yàn)全過程中不應(yīng)出現(xiàn)擊穿和表面閃絡(luò)，且泄漏電流不超過0.2 mA[16]。從表3可以看出，A、B絕緣子試品每段泄漏電流均在0.2 mA范圍內(nèi)，且未發(fā)生擊穿或表面閃絡(luò)，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，故認(rèn)為絕緣子界面粘接性能保持良好。

表3 絕緣子試品泄漏電流測(cè)量結(jié)果Table 3 Test results of leakage current of the insulators

4 復(fù)合絕緣子機(jī)械性能試驗(yàn)

4.1 密封性能試驗(yàn)

復(fù)合絕緣子端部金具密封性能會(huì)直接影響絕緣子的運(yùn)行狀態(tài)。若端部密封性差，空氣、酸液容易進(jìn)入護(hù)套內(nèi)部，在絕緣子端部高場(chǎng)強(qiáng)作用下，對(duì)芯棒不斷產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，最終可能導(dǎo)致芯棒斷裂[17-18]。端部密封性能與金具與芯棒連接方式、金具密封工藝、密封膠材質(zhì)等因素有關(guān)，早期受工藝水平影響，密封性能不足導(dǎo)致的絕緣子故障時(shí)有發(fā)生。本批次抽樣的運(yùn)行復(fù)合絕緣子均采用壓接式端部密封結(jié)構(gòu)，極大提升了絕緣子防水性能，能夠有效降低由密封不良造成的各類故障概率。

取C、D絕緣子試品進(jìn)行密封性能試驗(yàn)。對(duì)試品端部表面進(jìn)行預(yù)清洗，再將兩端金具包膠密封處浸染于1%的品紅溶液。在試品上施加70%的額定機(jī)械負(fù)荷(即210 kN×0.7=147 kN)，保持1 min，隨后卸去負(fù)荷，施荷及卸荷的全過程中，絕緣子端部始終完全被滲透劑浸沒，卸荷后繼續(xù)維持20 min，以保證滲透劑充分作用。隨后用酒精清洗表面，除去多余滲透劑，待表面干燥后進(jìn)行相關(guān)檢查。抽取的2支絕緣子高壓端與低壓端的端部附件與絕緣傘套間均未見滲透現(xiàn)象，表明絕緣子端部界面密封性能良好。

4.2 機(jī)械破壞性試驗(yàn)

按照DL/T 810-2012標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)C、D絕緣子試品進(jìn)行機(jī)械破壞性試驗(yàn)[19]，試驗(yàn)裝置見圖9。對(duì)試品施加拉伸負(fù)荷，此拉伸負(fù)荷滿足的條件為：首先在短時(shí)間內(nèi)平穩(wěn)地從零升至芯棒預(yù)期機(jī)械破壞負(fù)荷的75%附近，然后在30 s～90 s的時(shí)間內(nèi)逐漸升高至試品破壞。2支絕緣子的破壞負(fù)荷和破壞狀態(tài)見表4。

圖9 機(jī)械破壞性試驗(yàn)Fig.9 Mechanical destructive test of the insulators

表4 絕緣子試品機(jī)械破壞性試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of the mechanical destructive test of the insulators

進(jìn)一步分析絕緣子試品的機(jī)械強(qiáng)度裕度，即機(jī)械破壞負(fù)荷與額定機(jī)械負(fù)荷的比值。C、D絕緣子的機(jī)械強(qiáng)度裕度分別為1.45、1.28，D絕緣子裕度相對(duì)較低，表明掛網(wǎng)運(yùn)行過程中，D絕緣子機(jī)械強(qiáng)度出現(xiàn)一定下降，可能與其長(zhǎng)期承受山地埡口處強(qiáng)勁風(fēng)荷有關(guān)。在埡口處由于氣流的狹管效應(yīng)，通常會(huì)導(dǎo)致風(fēng)速大幅度增加，而D絕緣子所在桿塔恰好位于埡口地貌相鄰山谷中軸線上，根據(jù)文獻(xiàn)研究結(jié)果，山谷中軸線上最大風(fēng)速比平地風(fēng)速高出33%[20]。強(qiáng)風(fēng)作用于輸電線路導(dǎo)線時(shí)，導(dǎo)線將承受水平風(fēng)荷載和振動(dòng)風(fēng)荷載，相應(yīng)地復(fù)合絕緣子芯棒、護(hù)套及端部金具將承受額外的拉伸、彎曲荷載，若芯棒玻璃纖維的抗彎強(qiáng)度不夠，長(zhǎng)期處于應(yīng)力疲勞狀態(tài)，可能導(dǎo)致部分玻璃纖維斷裂，使得絕緣子機(jī)械強(qiáng)度永久下降[21]。因此，在喀斯特山地埡口處運(yùn)行復(fù)合絕緣子的日常運(yùn)行維護(hù)中，應(yīng)著重關(guān)注絕緣子機(jī)械性能變化情況。

5 結(jié)論

本研究對(duì)運(yùn)行于喀斯特山地埡口地區(qū)的直流復(fù)合絕緣子進(jìn)行了綜合性能研究，可以得到以下結(jié)論：

1)抽檢的已運(yùn)行8年的4支復(fù)合絕緣子試品，其整體運(yùn)行性能保持良好，所有檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果均通過，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)絕緣子試品傘裙憎水性均在HC4以下，傘裙硬度、拉伸強(qiáng)度、耐漏電起痕性能均保持在正常范圍內(nèi)，但傘裙抗撕裂強(qiáng)度存在下降現(xiàn)象。

3)絕緣子試品D傘裙老化嚴(yán)重的原因是長(zhǎng)期承受埡口強(qiáng)風(fēng)，傘裙發(fā)生高頻振動(dòng)，導(dǎo)致應(yīng)力疲勞。傘裙的加劇老化同時(shí)導(dǎo)致其電氣性能下降，工頻電壓試驗(yàn)溫升增加。

4)埡口的高風(fēng)速對(duì)復(fù)合絕緣子機(jī)械強(qiáng)度有較大影響，建議加強(qiáng)對(duì)運(yùn)行于喀斯特山地埡口處復(fù)合絕緣子長(zhǎng)期機(jī)械性能的跟蹤檢測(cè)。