刍议电力输电线路500 kV绝缘子断裂机理

张家耀

中图分类号：V351.31 文献标识码： A 文章编号：

摘要：本文结合500 kV复合绝缘子断裂故障，分析了复合绝缘子断裂机理及原因，探讨了红外热像检测及紫外电晕检测技术在复合绝缘子检测中的应用效果。结果表明:在局部强电场和弱酸腐蚀综合作用下，芯棒机械性能降低是复合绝缘子断裂的重要原因；红外热像检测、紫外电晕检测等带电检测手段能有效发现复合绝缘子的缺陷，具有距离远、不接触、准确、实时、快速等优点；为避免复合绝缘子断裂事故，有必要优化复合绝缘子均压环的结构，选择最佳的均压环直径、管径及安装位置，改善复合绝缘子沿面场强及电压分布的不均匀性，抑制复合绝缘子局部区域的电晕放电现象。

关键词：电力500KV;红外热像检测;绝缘子检测;输电线路

Abstract: combining with 500 kV composite insulator fracture failure, analyzes the mechanism and reason of composite insulators fracture, discusses the infrared thermal imaging detection and uv corona detection technology in the detection of composite insulators application effect. The results showed that the local strong electric field and dilute acid corrosion comprehensive function, rods and mechanical properties of the composite insulator fracture reduce is the important reason; The infrared thermography, ultraviolet corona detection charged detection means can effectively composite insulator found defects, with the distance, not contact, accurate, real-time, fast; To avoid composite insulator fracture accident, it is necessary to optimize composite insulator pressure ring structure, selecting the best pressure pipe diameter and installation, circular diameter position, composite insulator to improve the surface of the field and the voltage distribution uniformity, restrain composite insulator local area of corona discharge phenomenon.

Key words: 500 KV power; The infrared thermography; Insulator detection; Transmission lines

0引言

与瓷、玻璃绝缘子相比较，复合绝缘子具有体积小、重量轻、耐污性能好、绝缘强度高、易安装、维护成本低等特点，已在电力系统中得到了大量应用，尤其是在重污区的线路上［1］。然而，随着运行时间的增加，运行线路上已发生多起复合绝缘子断裂甚至导线掉落的电网恶性事故［2-3］。究其原因，可能是复合绝缘子本身质量问题，如芯棒与金具连接处密封性能不好、不同芯棒材料的性能问题、护套质量缺陷；也有可能是安装问题，如没有安装均压环或均压环反装。为此了解复合绝缘子断裂机理，分析复合绝缘子的缺陷，带电检测与评价复合绝缘子的运行状态是十分必要的。

1断裂概况

2010年9月17日，巡线人员发现某500 kV线路31号塔B相复合绝缘子中的1支发生断裂，如图1所示。由于该线路采用的是双串挂点方式，未造成导线掉落的恶性事故。

断裂复合绝缘子为德国于1998年制造的重荷载非标准500 kV/300 kN复合绝缘子，其爬电距离为4 680 mm，机械强度为300 kN，玻璃纤维芯棒直径为37 mm，芯棒硅橡胶护套厚度为3 mm。断裂绝缘子运行时间为12 a。

2断裂特征及原因

2.1断裂基本特征

断裂复合绝缘子局部图片如图2—4所示。由图可知断裂复合绝缘子的基本特征。

（1）复合绝缘子断裂在导线侧高压端第2、3片伞裙之间的护套处，芯棒从护套内撕裂抽芯，芯棒呈现碳化现象（见图2）。

（2）断裂复合绝缘子护套、芯棒被电弧严重灼伤，在高压端附近的护套上存在许多电蚀损点（见图3）。

（3）断裂复合绝缘子伞裙表面无破损，但在靠近高压侧伞裙上有1处开裂，裂纹约4 cm。绝缘子表面积污严重，绝缘子外观由蓝色变成黑色；伞裙较硬（见图4）。

2.2断裂原因

（1）绝缘子沿面场强及电压分布不均匀。复合绝缘子与瓷（玻璃）绝缘子串有不同的结构。瓷（玻璃）绝缘子串的单片绝缘子之间间隔有钢帽和球头等金属件；复合绝缘子仅两端存在尺寸较小的连接金具，芯棒、伞裙的直径比盘形绝缘子的盘径小。这种结构差异导致复合绝缘子自身的电容相对盘形的瓷（玻璃）绝缘子小，杂散电容的影响相对较大，因此复合绝缘子沿面场强和分布电压十分不均匀，在超高压长串复合绝缘子上体现更加明显。在复合绝缘子两端必须安装合适的均压环。

早期对复合绝缘子均压环的设计、选型缺乏统一认识，未制定均压环的有关技术标准。有关计算表明：当均压环的抬高距离接近0时，均压环平面处的芯棒、金具连接处将承受最大场强；在该处附近，约6%的复合绝缘子结构高度承受了25%~30%的运行电压［4］。

该断裂复合绝缘子的均压环直径较大，环平面偏低，其均压效果较差。沿面场强及电压分布的不均匀性致使在复合绝缘子高压端的护套表面产生了不应有的电晕放电；且复合绝缘子表面污秽较为严重，一定程度上加剧了电蚀损的发展；护套厚度较薄（3 mm），容易被彻底蚀损。

（2）芯棒弱酸腐蚀。长时间酸蚀是造成复合绝缘子芯棒断裂的重要原因之一。酸的来源主要有2种：一是复合绝缘子高压端部局部电场较强，电晕放电严重，空气在强电场作用下发生电离，产生氮离子与空气中的水结合生成弱硝酸；二是酸雨，尤其在重污染区。

断裂复合绝缘子芯棒使用的纤维是无硼无碱耐化学腐蚀纤维（ECR，Electrical grade corrosion resistant）。ECR纤维环氧树脂芯棒虽然具有优良的耐应力腐蚀性能，但是其电气性能相对较差。绝缘子护套、伞裙上的裂纹，在局部强电场作用下护套易发生电蚀损，弱酸沿着裂纹慢慢渗透，与芯棒中的纤维直接接触，产生腐蚀现象。

3带电检测技术

红外检测和紫外检测技术可以在不停电、不取样情况下快速、实时地在线检测，诊断电力设备的众多内、外部缺陷［5-8］。为防止运行复合绝缘子再次发生断裂事故，对未及时更换的31号塔B相另一支复合绝缘子进行了红外和紫外检测。

3.1红外检测技术

利用PM595红外热像仪对31号塔B相另一支复合绝缘子进行红外热像检测，如图5所示。选择辐射系数为0.92，目标距离为40.0 m。

由图5可知，AR01点温度为16.0℃，AR02点温度为14.5℃，温差为1.5℃。温差已超过（0.5~1.0）℃的允许值［9］，绝缘子发热異常。

3.2紫外检测技术

利用CC504P紫外仪对31号塔B相另一支复合绝缘子进行紫外电晕检测，如图6所示。可知复合绝缘子高压端附近出现了强电晕放电现象，强电晕放电区域与图5中的高温区域相吻合。

4防止断裂的应对措施

为防止复合绝缘子发生断裂事故，可从绝缘子性能、运行维护等角度采取措施。

（1）采用仿真和试验相结合的手段，优化复合绝缘子均压环的结构，选择最佳的均压环直径、管径及安装位置，改善复合绝缘子沿面场强及电压分布的不均匀性，抑制复合绝缘子局部区域的电晕放电现象，防止芯棒、护套电蚀损而导致的断裂事故。

（2）复合绝缘子断裂大多出现在高压端附近的强电场区域，此部位护套和芯棒易损坏，建议复合绝缘子厂家对合成绝缘子高压端部附近区域增加护套厚度。

（3）线路运行维护部门应加强对复合绝缘子（尤其是早期生产、工艺尚不成熟的产品）的抽检和状态评估工作，充分利用带电检测技术进行复合绝缘子检测，及时发现各种内、外部缺陷，消除输电线路隐患，保证输电线路安全可靠运行。

5 结语

复合绝缘子断裂是局部强电场和弱酸腐蚀对芯棒中玻璃纤维综合作用的结果。芯棒酸蚀会导致机械强度严重降低，当受腐蚀芯棒的机械强度低于运行所承受的荷载时会发生断裂。为避免复合绝缘子断裂事故，一方面应改善复合绝缘子本身材质，优化绝缘子及均压环的结构；另一方面，应加强复合绝缘子的抽检工作，充分利用红外热像检测、紫外电晕检测等带电检测手段。

参考文献：

［1］包建强，余长水，周立波，等．进口500 kV复合绝缘子断裂的原因分析［J］．绝缘材料，2009，42（5）：71-76．

［2］刘洋，刘贞瑶，周志成，等．500 kV合成绝缘子芯棒脆断的分析及对策［J］．华东电力，2011，39（3）：495-497．

［3］谢利英，周羽生．红外监测特高压输电线路绝缘子技术的探讨［J］．绝缘材料，2009，42（3）：56-59．

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。