运行复合绝缘子界面问题分析

运行复合绝缘子界面问题分析王康;朱亚洲;周辛南;吴照国;胡远翔【摘要】为研究运行复合绝缘子界面问题，抽检了广东、广西和河北地区37、68和48支不同运行年限的复合绝缘子，检测其芯棒与护套界面、金具与芯棒及护套材料结合处界面及伞裙与护套界面的性能.采用统计分析法，发现大约有50%早期运行的复合绝缘子存在护套与芯棒间粘接不良;端部金具及密封胶出现不同形式的失效；广东地区83.8%的样品金具内腔和芯棒端头密封失效，河北及广西地区78%的样品劣化.采用挤包穿伞工艺的复合绝缘子伞裙与护套之间粘接均不牢靠,用手可轻易剥离粘合胶没有弹性、较脆.针对目前标准中检测复合绝缘子界面性能方法不够灵敏的缺陷，根据实际检测需要，提出了测量水煮前后试品泄漏电流，通过泄漏电流变化来判断界面性能的方法.％Inordertostudytheinterfaceproblemsofrunningcompositeinsulator,37,68and38compositeinsulatorswithdifferentoperatingyearsareselectedrespectivelyfromGuangdong,GuangxiandHebeiareastotesttheperformanceoftheinterfacesbetweenthecoreandsheds,betweenfittings,coresandshedsmaterial,andbetweenthehousingandsheds.Itisdiscoveredbyusingthestatisticalanalysismethodthat50%oftheearlycompositeinsulatorshavepoorbondingsbetweenthehousingandthecore;theendfittingsandsealantsbecomeinvalidinvariousextents;83.8%ofsamplesfromGuangdongareabecomeinvalidinthesealbetweentheinsideoffittingsandtopeofthecore;78%ofthesamplesfromHebeiandGuangxiareasaredegraded.Thecompositeinsulatorsmadebycompressiontechnologyispoorinbondingbetweenthehousingsandshedsandcanbestrippedeasilybyhand.Aimedatthepoorsensitivityofthemethoddefinedinthestandardtodetecttheinterfaceperformance,anewmethodisproposedtotesttheinterfaceperformancethroughdetectingthevariationofDCleakagecurrentofsamplesbeforeandafterboiling.【期刊名称】《中国电力》【年(卷)，期】2018(051)004【总页数】8页(P45-52)【关键词】复合绝缘子;界面性能;水煮试验;泄漏电流;检测方法【作者】王康;朱亚洲;周辛南;吴照国;胡远翔【作者单位】国网冀北电力有限公司电力科学研究院,北京100045;国网冀北电力有限公司张家口供电公司，河北张家口075000;国网冀北电力有限公司电力科学研究院,北京100045;国网重庆市电力公司电力科学研究院，重庆401123;国网冀北电力有限公司电力科学研究院，北京100045【正文语种】中文【中图分类】TM8530引言复合绝缘子在中国应用已有近40年的历史［1-4］，目前挂网运行的复合绝缘子使用量占各类绝缘子使用总量的31%左右［5-7］。随着复合绝缘子在全国范围的大量使用，挂网运行一段时间后，各地均有关于复合绝缘子发生闪络和损坏的报道。1998年全国范围内挂网运行的复合绝缘子总数达46万多支，统计到的闪络与损坏事故为282例，事故率为0.061%，其中界面击穿15例［8］。根据国家电网公司生输配［2007］27号的统计，复合绝缘子的年损坏率约为0.005%。，全国范围内闪络及损坏事故共773例，其中界面击穿31例［6］。GIGRE在2000年的调查表明，在统计的70万支复合绝缘子中，发生故障仅243例，故障率为0.035%，其中沿面闪络33例、界面击穿69例［9-11］。河南省截至2005年有14万多支复合绝缘子挂网运行，1994—2004年期间复合绝缘子的事故统计中界面击穿占13%［12］。截至2006年10月，江苏省挂网运行复合绝缘子达26.5万支，在2001—2006年的复合绝缘子统计中，总事故73例，产品质量所致1例［13］。从复合绝缘子事故统计来看，发生故障的复合绝缘子多为早期复合绝缘子，其故障原因多是由产品材质及加工工艺等产品质量问题引起的，主要表现在外护套老化、机械强度下降、界面击穿和芯棒脆断4个方面［14］。复合绝缘子的内绝缘击穿事故是较常见的复合绝缘子事故之一，复合绝缘子由于加工工艺的缺陷、密封失效导致潮气入侵等原因使得复合绝缘子内部存在隐蔽性缺陷，内绝缘缺陷的存在会使复合绝缘子发生局部放电，加速护套芯棒材料老化，并最终诱发伞裙烧蚀、界面击穿、芯棒脆断等恶性事故。国内外在对运行复合绝缘子进行抽检时，最常采用的检测方法是陡波冲击。但是从抽检试验的结果来看，对运行复合绝缘子的陡波冲击试验很少发现复合绝缘子存在内部缺陷问题［5,15-16］。文献［17］认为现有标准GB/T19519—2004规定的复合绝缘子陡波试验中，1000-1500kV/ps的陡度偏低，这将导致陡波冲击试验对复合绝缘子内绝缘缺陷的检测有效性降低。华北电力大学的研究表明陡波冲击试验对于复合绝缘子内较长的通道性故障不论发生于何部位，不论属于导性故障、半导性故障还是长气泡性故障均有很高的检出能力［18-21］,而对复合绝缘子中较小的气泡及杂质颗粒缺陷检出能力将视其与高压电极或空气闪络路径的距离而定，距离较近时才易于发现。有关复合绝缘子内部缺陷，国内夕卜也有一些其他的检测方法，如紫外成像法、红外测温法、声波检测法、电场法等，各种方法的有效性有待进一步研究和经验积累。自20世纪90年代初，不同厂家、不同配方、不同加工工艺的复合绝缘子在全国范围内均有使用，目前全国各电网挂网运行的复合绝缘子中仍有大量早期复合绝缘子在使用。由于这部分复合绝缘子大多数已经挂网运行10年左右，如何判断哪些复合绝缘子存在安全隐患，对存在隐患的早期复合绝缘子提出行之有效的检测方法是供电部门亟待解决的问题。本文对抽检的广东地区37支运行试样、广西地区68支运行试样和河北地区48支运行试样进行了界面性能研究，针对整支复合绝缘子的界面性能检测，提出了水煮前后测量绝缘子泄漏电流，通过泄漏电流变化来判断界面状况的方法。1试品概况抽取1994—2006年在广东地区挂网运行的37支绝缘子，其中110kV32支，220kV5支。注射工艺15支，穿伞工艺22支。运行年限分布如图1所示。图1广东地区抽检运行复合绝缘子运行年限分布Fig.1TheoperatingyearsdistributionofthesampledcompositeinsulatorsfromGuangdong在广西地区抽取不同运行环境、不同运行年限的复合绝缘子68支，其中运行时间最长的为22年，最短的为6年。取样绝缘子运行年限分布情况如图2所示。在河北地区抽取不同运行环境、不同运行年限的复合绝缘子48支，220kV8支，110kV40支。取样绝缘子运行年限分布情况如图3所示。图2广西地区抽检运行复合绝缘子运行年限分布Fig.2TheoperatingyearsdistributionofthesampledcompositeinsulatorsfromGuangxi图3河北地区抽样运行复合绝缘子运行年限分布Fig.3TheoperatingyearsdistributionofthesampledcompositeinsulatorsfromHebei2复合绝缘子界面问题复合绝缘子是由芯棒、伞裙护套和金具3部分构成，如图4所示，不同材料之间存在接触面，通常称之为界面。复合绝缘子伞裙与护套之间（早期挤包穿伞工艺的产品）、护套与芯棒之间、金具与芯棒及护套材料结合处的界面如果出现粘接不良等缺陷，将导致复合绝缘子内部场强畸变，引发局部放电，并可能最终导致复合绝缘子的内绝缘击穿等问题，佛山等地曾发现由于界面缺陷引起的复合绝缘子发热、击穿等事故。早期运行的复合绝缘子大多采用挤包穿伞工艺，伞裙和护套分别硫化成型然后组装而成，存在伞裙和护套的界面问题。图4复合绝缘子结构示意Fig.4Structurediagramofacompositeinsulator2.1芯棒与护套的界面性能复合绝缘子的芯棒在制造过程中，芯棒通过将浸渍过树脂的玻璃纤维从金属磨具中拉拔出来成型。为了减小拉拔过程中的摩擦力，一般采用脱模剂提高芯棒表面光洁度。但是脱模剂的使用对芯棒的性能有不良影响。脱模剂在芯棒的制造过程中会迁移至芯棒的表面，而芯棒在与护套结合时需要打磨以增大护套与芯棒的结合强度。若在打磨过程中不够彻底，或者脱模剂厚度不均，或是未打磨完，脱模剂都会在绝缘子硅橡胶高温整体注射、挤包护套、平板模压硫化过程中受热析出而引起护套不粘棒等问题。复合绝缘子的护套和芯棒的界面贯穿整支复合绝缘子，界面的粘接性能直接关系到复合绝缘子的电气机械性能。对河北（48支）及广西（68支）地区抽检复合绝缘子的检查来看，约有50%的早期运行复合绝缘子存在护套与芯棒之间粘接不良的现象，如图5所示。图5护套与芯棒之间粘接不良Fig.5Poorbondingbetweenshedsandcore2.2金具与芯棒及护套材料结合处的界面性能金具与护套及伞裙材料结合处是复合绝缘子性能最薄弱、最危险的地方，结合面多而复杂，运行中所处的电场强度也最高，容易导致放电，而且该处的密封效果对复合绝缘子的机械电气性能的长期稳定性有决定性作用。早期复合绝缘子采用楔式连接方式，端部结构较现在的压接式更为复杂，而且金具与护套的结合处采用人工室温硫化密封工艺，其密封效果在长期运行过程逐渐丧失，出现密封胶起皮、脱落、金具内腔受潮、生锈以致金具内腔的芯棒端部密封胶失效，引发芯棒受潮，从而导致芯棒的性能下降，并最终导致芯棒脆断等严重的事故发生。早期复合绝缘子端部金具均采用2部分组成（见图6）。一部分以锥形内楔的形式与芯棒结合，另一部分为不同的附件形式，用于连接导线、杆塔等电力设施，2部分之间以螺纹方式连接。图6早期复合绝缘子金具组成Fig.6Thecompositionoffittingsinearlycompositeinsulators这种楔式结构使得端部出现两处密封，金具与护套之间的密封，如图6左侧所示;另一个密封点是2部分金具之间的螺纹，如图6右侧所示。螺纹处的密封效果直接关系到芯棒端部的密封效果，该部分密封失效会直接导致金具内腔受潮、锈蚀，致使芯棒材料性能老化。对抽检复合绝缘子进行端部密封效果检查，发现端部密封胶表现出不同形式的失效现象，如图7所示。具体表现为变硬粉化如图7a）所示、发粘如图7b）所示、螺纹锈蚀如图7c）所示、金具内腔锈蚀如图7d）所示、芯棒端部密封胶失效如图7e）所示、芯棒渗油如图7f）所示等。抽样检查的37支复合绝缘子中有31支金具内腔和芯棒端头出现了密封失效现象，比例达到了83.8%，抽样检查河北（48支）及广西（68支）地区的运行复合绝缘子中有78%的试样出现上述劣化现象，由此可见早期复合绝缘子的端部密封存在较严重的问题。2.3伞裙与护套的界面性能图7金具及密封胶失效现象Fig.7Failureimageoffittingsandsealant采用挤包穿伞工艺的复合绝缘子，伞裙和护套分别硫化成型然后组装而成，故采用这类工艺的复合绝缘子存在伞裙和护套的界面问题。伞裙与护套粘接部位表面经工艺处理后使其各自表面层材质结构与部件内部材质构成相同，都是存在随机分布的各种填充剂颗粒的硅橡胶分子结构，这些分子与粘合剂起化学反应粘接而成，其伞裙护套界面结构如图8所示。伞裙与护套之间的界面和护套与芯棒之间的界面贯穿整支复合绝缘子，若伞裙护套之间的粘接不良，将直接减小复合绝缘子的爬电距离、降低复合绝缘子的电气强度，甚至发生击穿等问题。对抽检的广东、河北及广西地区的运行复合绝缘子进行检查，可以发现采用挤包穿伞工艺加工的复合绝缘子伞裙与护套之间的粘接均不牢靠，用手可以轻易剥离，粘合胶没有弹性，较脆，如图9所示。3复合绝缘子界面性能试验检测图8挤包穿伞工艺复合绝缘子的护套与芯棒界面Fig.8Theinterfaceoftheshedsandcoreofcompositeinsulatorsmanufacturedbycompressiontechnology图9复合绝缘子的伞裙与护套粘接情况Fig.9Thebondingconditionbetweentheshedsandcoreofcompositeinsulators为检查护套与芯棒、伞裙与护套之间的界面缺陷，抽取广西地区9支运行复合绝缘子，按照标准IEC61109:1992对该批抽检复合绝缘子进行水煮试验、陡波冲击耐受电压试验，并在水煮前后分别测量复合绝缘子的直流泄漏电流。3.1试品和试验方法试品为广西地区运行7~13年的9支110kV复合绝缘子，详细资料如表1所示。试验程序为先对试品进行直流泄漏电流试验，再进行42h水煮试验，水煮试验之后48h内进行陡波试验，并重复直流泄漏电流试验。直流泄漏电流试验时，直流高压加在复合绝缘子高压端，低压侧经微安表接地，缓慢逐渐升压，每10kV左右记录电压值及相应泄漏电流值，至200kV左右后降压至0。水煮试验时，将试品绝缘子放入按标准配好的溶液（0.1%重量百分浓度NaCl溶液）中沸腾42h。沸腾结束后试品仍保留在溶液中，待溶液冷却至约50^时取出试品，并在48h内进行陡波冲击试验和重复直流泄漏电流测量。陡波冲击试验需将复合绝缘子人为分为上中下3段，每段不超过500mm,两端用电极固定在绝缘子杆径上，利用2400kV冲击电压发生器，结合陡波发生器，产生陡度大于1000kV/ps的冲击电压加在每段上，正负极性各25次。图10为水煮试验前和水煮后的现场照片。表1水煮试样信息总汇Table1Informationofexperimentalmaterial注：A为丘陵地带；B为平原地带，农耕区，靠近二级公路，沿线污秽一般；C为平原地带，非工业区，距离市区街道公路200m;D为丘陵地带，靠近村庄，沿线污秽一般；E为丘陵地带、靠近海滨，无重工业区、沿线污秽情况一般。图10水煮试验Fig.10Boilingtest3.2试验结果与分析伞裙与护套、护套与芯棒之间的界面如果出现问题，在42h的水煮试验后、测量其直流泄漏电流会出现明显的增大。因此陡波试验后立即进行直流泄漏电流的试验。直流泄漏电流会随着直流电压的增大而迅速增大，直流泄漏电流的测试结果如图11所示。将各取样复合绝缘子水煮前后的泄漏电流与直流电压以幕函数I=aUb的关系进行曲线拟合，各复合绝缘子水煮前的a0和b0值，水煮后的a1和b1值如表2所示。从表2中的结果来看，在水煮后泄漏电流有不同程度的增大，a1/a0越大，水煮后泄漏电流增大越明显。其中G4、G21、G22和G23四支复合绝缘子，a1/a0值明显偏大，分别达到了220、482、358和572,G4和G21两支复合绝缘子水煮前外观检查为伞裙护套出现破损，而G22和G23两支复合绝缘子在水煮后发现表面粉化严重。除去这4支绝缘子，其余抽样复合绝缘子水煮前后直流泄漏电流并无明显变化，并且外观检查也无明显变化。在50kV、100kV、150kV和200kV直流电压作用下，水煮前后各抽检试样直流泄漏电流大小如图12所示。从图12a）可以看出，在50kV、100kV、150kV和200kV直流电压作用下，水煮前试品直流泄漏电流平均值分别为26.8pA.208.3pA.542.7pA和1106.8pA,水煮后试品直流泄漏电流平均值分别为27.9pA、227.9pA、648.5pA（G21和G23号试品在直流电压为150kV时就已击穿，所以图12b）中未画出200kV电压下的泄漏电流值）。从试验结果来看，G21与G23水煮后的泄漏电流增大异常明显，在试验过程中，这2支试品未加到预定直流电压200kV就已被击穿。而其他几支试品泄漏电流值相对水煮前基本没有变化。试验后检查发现G21与G23两支绝缘子发热严重。在直流泄漏电流测量后，对9支试验的复合绝缘子伞裙与护套、护套与芯棒界面间的检查发现，G21号和G23号绝缘子存在护套与芯棒界面大面积脱离现象，其余抽检试样仅发现粘接不良等现象，没有出现界面严重脱离，不存在明显的气泡等现象。这与水煮前后泄漏电流对比结果基本一致。图11部分复合绝缘子水煮前后的直流泄漏电流Fig.11TheDCleakagecurrentofsomecompositeinsulatorsbeforeandafterboiling表2水煮试验前后直流泄漏电流随直流电压曲线拟合参数Table2ThecurvefittingparametersoftheDCleakagecurrentvs.DCvoltagebeforeandafterboilingtest将复合绝缘子在做完直流泄漏电流试验之后再进行陡波冲击耐受试验，9支试品均通过陡波耐受试验。4结论通过本文的分析，得出结论：(1)在抽检的153支试品中，约有50%早期运行的复合绝缘子存在护套与芯棒之间粘接不良的现象。(2)早期复合绝缘子的端部密封存在较严重问题，复合绝缘子金具及端部密封胶表现出不同形式的失效现象。具体表现为变硬粉化、发粘、螺纹锈蚀、金具内腔锈蚀、芯棒端部密封胶失效、芯棒渗油等劣化现象。抽样检查的37支复合绝缘子中有31支金具内腔和芯棒端头出现了密封失效现象，比例达到了83.8%，抽样检查河北及广西地区运行复合绝缘子中有78%的试样出现上述劣化现象。(3)采用挤包穿伞工艺加工的复合绝缘子伞裙与护套之间的粘接均不牢靠，用手可以轻易剥离，粘合胶没有弹性，较脆。(4)提出了在水煮前后测量复合绝缘子泄漏电流，通过比较水煮前后泄漏电流变化的方法来判断复合绝缘子界面性能的试样方法，实际检验证明该方法比陡波冲击法更灵敏。图12水煮前后各电压下试品的泄漏电流Fig.12TheleakagecurrentofsamplesunderdifferentDCvoltagebeforeandafterboiling参考文献：汪涛,吴光亚，张锐，等.运行中复合绝缘子的状态评价及试验研究[J].电网技术，2008,32(1):146-149.WANGTao,WUGuangya,ZHANGRui,etal.Stateevaluationforthecompositeinsulators'statusinoperationalmodeanditsexperimentalstudy[J].PowerSystemTechnology,2008,32(1):146-149.FERNANDOMARM,GUBANSKISM.Ageingofsiliconerubberinsulatorsincoastalandinlandtropicalenvironment[J].IEEETransactionsonDielectricsandElectricalInsulation,2010,17(2):326-333.XIONGY,ROWLANDSM,ROBERTSONJ,etal.Surfaceanalysisofasymmetricallyaged400kVsiliconerubbercompositeinsulators[J].IEEETransactionsonDielectricsandElectricalInsulation,2008,15(3):763-770.ROWLANDSM,ROBERTSONJ,XIONGY,etal.Electricalandmaterialcharacterizationoffield-aged400kVsiliconerubbercompositeinsulators[J].IEEETransactionsonDielectricsandElectricalInsulation,2010,17(2):375-383.范建斌,殷禹,张锦秀，等.复合绝缘子运行状况评估方法[J].电网技术,2006,30(12):24-28.FANJianbin,YINYu,ZHANGJinxiu,etal.Evaluationmethodsforoperationalstatusofcompositeinsulators[J].PowerSystemTechnology,2006,30(12):24-28.阎东、卢明、张柯，等.输电线路用复合绝缘子运行及实例分析[M].北京:中国电力出版社,2008.张锐,吴光亚，袁田，等.中国复合绝缘子关键制造技术的发展与展望[J].高电压技术,2007,33(1):106-110.ZHANGRui,WUGuangya,YUANTian,etal.Developmenthistoryanddirectionofcompositeinsulatorsonimportantmanufacturetechnique[J].HighVoltageEngineering,2007,33(1):106-110.崔江流，宿志一,易辉.中国硅橡胶合成绝缘子的应用与展望[J].中国电力，1999,32(1):38-41.CUIJiangliu,SUZhiyi,YIHui.TheapplicationanditsprospectofsiliconrubbercompositeinsulatorsinChina[J].ElectricPower,1999,32(1):38-41.CIGREWG22.03.Electric:worldwideserviceexperiencewithHVcompositeinsulators[R],1999.徐其迎，李日隆.复合绝缘子的运行性能及问题探讨[J].电瓷避雷器,2003(3):14-16,19.XUQiying,LIRilong.Analysisanddiscussiononcompositeinsulatorinservice[J].InsulatorsandSurgeArresters,2003(3):14-16,19.关志成,王黎明,周远翔，等.复合绝缘子用于高海拔区750kV线路的可行性[J].高电压技术,2002,28(2):34-36.GUANZhicheng,WANGLiming,ZHOUYuanxiang,etal.Thefeasibilityofapplicationofcompositeinsulatorin750kVlinesinhighaltitudearea[J].HighVoltageEngineering,2002,28(2):34-36.阎东，卢明，张柯，等.河南省线路用复合绝缘子运行情况分析[J].电网技术，2006,30(12):79-82.YANDong,LUMing,ZHANGKe,etal.AssessmentonoperationcharacteristicsofcompositeinsulatorsusedfortransmissionlineinHenanprovincialpowernetwork[J].PowerSystemTechnology,2006,30(12):79-82.刘贞瑶,梁家鹏.江苏电网2006年复合绝缘子运行及故障情况分析[J].江苏电机工程,2007,26(3):50-53.LIUZhenya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