±800 kV楚穗直流棒形悬式复合绝缘子运行性能研究

苏国磊，张建刚，曾彦珺，孙晓瑜，樊友平

（1.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修中心，广州510000；2.武汉大学电气工程学院，武汉430072）

0 引言

复合绝缘子目前以重量轻、体积小、耐污性能好、机械强度高以及绝缘强度大等优点，广泛地应用在交直流输电线路上[1-2]。因为它具有良好的耐污性能，这些绝缘子大多分布在污秽严重或者气候条件复杂的地区，比如工业区、火力发电厂、沿海等区域[3-5]。长时间的运行中，复合绝缘子不仅遭受强电场的作用，还受到长时间的日照、污秽和温差等因素的作用[6]，严重影响了复合绝缘子的机械强度、耐污能力和电气性能。因此，对高压输电线路上复合绝缘子运行性能的监测和研究十分有必要。

目前，南方电网110 kV及以上电压等级使用复合绝缘子的线路共4 693条，其中交流线路占绝大多数，超高压及以上的输电线路中交流500 kV共218条，直流±500 kV共3条，直流±800 kV线路1条，是本文复合绝缘子试品取样的来源：楚穗直流。文献[7]对楚穗直流线路耐张串复合绝缘子伞裙主要进行了FTIR红外光谱分析，对运行了5年的耐张串复合绝缘子的伞裙老化特性进行了综合评价；文献[8]和文献[9]对±800 kV特高压直流耐张串复合绝缘子进行了一系列的性能测试；文献[10]主要对一批220 kV复合绝缘子的机电性能进行了试验研究；文献[11]对高海拔区线路运行复合绝缘子的性能进行了评估和分析；文献[12]对浙江电网110 kV和220 kV线路复合绝缘子的电气及力学性能进行了研究；文献[13]和文献[14]分别对运行中的直流复合绝缘子的憎水性分布规律和机械性能进行了测试和研究。

本文主要针对运行了6年的±800 kV楚穗直流复合绝缘子进行了温升情况检测、憎水性测试、伞裙材料性能检测、水煮及陡波试验、运行电压和工频电压试验、密封性能试验以及机械破坏试验；对在±800 kV楚穗直流上运行了6年的复合绝缘子的性能进行了研究，为今后对复合绝缘子的设计和相关运行性能的研究提供了参考。

1 试品情况

选取中国南方电网超高压输电公司所管辖的±800 kV楚穗直流输电线路上使用的5支棒形悬式复合绝缘子，其连接方式和连接金具均为压接和头窝，抽检的复合绝缘子参数见表1。

通过对这5支复合绝缘子试品进行外观检查，发现该5支试品的端部金属附件和金具连接部位均未发现异常，而伞裙表面脏污严重，其中15E4号复合绝缘子的伞出现变形，其他4支试品的高压端均发黑严重。

表1 现场运行绝缘子试品编号表Table 1 Number table of site running insulator samples

2 复合绝缘子红外温升测试

复合绝缘子温度异常是指其局部表面不明原因的温度升高。根据统计数据可知，截止2012年，南方电网复合绝缘子发生温度异常的线路有4条，分别是交流110 kV、交流500 kV、直流±500 kV和直流±800 kV；其中在交流500 kV下产生温升异常的复合绝缘子数量最多达到99支，在直流±800 kV线路上有5支复合绝缘子产生异常温升现象。

复合绝缘子的温度异常可能是由绝缘子内部缺陷造成的，因此，通过检测温度异常可用于发现绝缘子内部缺陷、局部破损等故障。

根据试品吊装方式的不同，对5支试品按运行电压（800 kV）逐支分段，按长度施加相应工频电压进行试验，见图1。

图1 绝缘子红外温升测试Fig.1 Infrared temperature rise test of insulators

耐受30 min后进行红外测温，检测是否有发热、闪络和损坏现象。其中，1—5号试品分别分为2、2、12、12和8段进行试验，试验结果见图2。

由试验结果可看出：

1）分段数越少的复合绝缘子，所检测到的温升情况越严重。

2）分段数较多的3、4和5号绝缘子，每段温升大小相近，在0.5～1 k间，温升情况比较理想；而1和2号复合绝缘子温升较高，在1.9～3 k间，温升比较大。

图2 绝缘子红外温升测试结果Fig.2 The test results of infrared temperature rise test of insulators

3 复合绝缘子材料性能测试

3.1 憎水性（污秽度）试验

复合绝缘子具有很好的防污闪性能的主要原因是它伞裙良好的憎水迁移性，因此，对运行了6年的楚穗直流复合绝缘子进行憎水性试验，从而判断该复合绝缘子老化程度，是非常有必要的。

查阅相关文献可知，目前对复合绝缘子的憎水性能的判定的方法有两种，分别是喷水分级法（HC法）和静态接触角法（CA法）。本文选用的判定方法为喷水分级法（HC法），即利用喷壶向涂有RTV涂料的绝缘子喷水。憎水迁移性指标评估分级见表2。

表2 憎水迁移性指标评估分级表Table 2 INES of indicator assessment ofhydrophobic mobility

分别对5支试品的高压端、中间段和低压端伞裙各选取1片大伞的伞裙上表面进行憎水测试[15]，测试结果见图3。

由测试结果可看出：

1）15E3号的低压端和15E5号的高压端的憎水性等级明显高于其他试品，说明其绝缘子相应区域的憎水性减弱较严重。

2）试品中出现3支绝缘子的憎水性等级高于HC4，达到了预警或者退出的评估等级，应对该取样区域的复合绝缘子再进行抽样检测，并且及时更换不符合规范的复合绝缘子；对于憎水性等级处于HC2～HC3的复合绝缘子，则经过3年左右要对该憎水性能进行抽样检测。

图3 复合绝缘子试品伞裙表面憎水性等级Fig.3 The surface hydrophobicity grade of shed of composite insulators

3.2 伞裙材料试验

分别从15E1号、15E5号样品的高压端、中间段、低压端大伞伞裙中取样，磨片制作胶料试片，分别进行伞裙材料的硬度、拉伸强度、撕裂强度、耐漏电起痕等项目测试。

测试结果表明，试品15E1号和15E5号的撕裂强度分别为12 kN/m和10.5 kN/m，大于标准要求值7 kN/m；其拉伸强度分别为5.2 Mpa和6.3 Mpa，大于标准要求值3 Mpa；其表面硬度分别为74～77 A和73～76 A，大于标准要求值50 A；其磨片后硬度分别为69～71 A和65～67 A，也分别大于标准要求50 A。因此，该复合绝缘子的撕裂强度、拉伸强度、表面硬度和磨片后硬度均满足标准要求。

针对伞裙材料的耐漏电起痕试验，将规格为120 mm×50 mm×6 mm的试品浸在流速为0.6 ml/min和电阻率为395 Ω·cm的污染液中，持续施加大小为4.5 kV的电压6 h，然后对样品的最大蚀损深度进行测量。

试验结果表明，试品15E1号和15E5号的最大蚀损深度分别为0.3～0.9 mm和0.5～1mm，远小于标准所规定的2.5 mm。因此该复合绝缘子的伞裙材料耐漏电起痕实验结果是合格的。

4 复合绝缘子电气性能测试

4.1 水煮及陡波试验

水煮及陡波前冲击耐受试验是用于检测复合绝缘子的界面粘接是否良好以及复合绝缘子是否存在内部缺陷。

取15E3号和15E4号试品放入水煮试验槽中，加水至规定的水量，按规定加入0.1%NaCl，保持沸腾42 h，沸腾时间结束后，试品仍保留在水煮槽中，直到水冷却至大约50℃，然后取出试品进行外观观察[15]。

将水煮后的2支试品分别进行陡波前冲击电压试验。将电极牢固地紧绕在试品护套或金具附件上，绝缘子上、中、下各取1 m分2段，共6段。将陡度不小于1 000 kV/μs.且不大于1 500 kV/μs的冲击电压施加到金属附件与相邻的电极上，每个区段陡波应分别承受25次正极性冲击和25次负极性冲击，若试品未击穿、未损坏即为合格。水煮后陡波前冲击耐受试验波形见图4。

图4 水煮后陡波前冲击耐受试验波形Fig.4 Test waveforms of steep wave impulse withstand after boiled

经过水煮试验后，试品的外观未现异常；陡波试验后，试品均未出现伞裙和护套被击穿或者损坏的现象。

4.2 工频电压耐受试验

经过水煮试验后的工频电压耐受试验可以很好地反映复合绝缘子的老化程度以及发热情况。首先将陡波冲击试验后的2支试品，整支按运行电压分段（80 kV/m）干耐受30 min，其试验条件见表3，测其温升结果见图5。

表3 运行电压干耐受30min试验条件Table 3 Test conditions of 30min dry withstand of operating voltage

接着将上述试验后的2支试品分段施加电压，以1 m的绝缘距离施加300 kV×80%（240 kV）工频电压持续30 min，其试验条件见表4，测其温升见图6。

图5 运行电压干耐受30 min温升情况Fig.5 Temperature rise of 30 min of dry withstand operating voltage

表4 工频电压耐受30 min试验条件Table 4 Test conditions of 30 min dry withstand of frequency voltage

图6 工频电压耐受30 min温升情况Fig.6 Temperature rise of 30 min of dry withstand frequency voltage

从图6可看出：

1）无论是运行电压干耐受试验还是工频电压耐受试验，复合绝缘子试品的各段温升均小于20 K，故满足标准要求。

2）复合绝缘子15E3号的温升最高达14 K，远高于15E4号的最高温升3.4 K。

5 复合绝缘子机械破坏性能测试

复合绝缘子在运行中，不仅受到强电场的作用，风吹雨打和日晒的侵蚀，同样其也是连接线路和铁塔的主要受力负荷。实际运行经验表明，复合绝缘子掉串和其芯棒脆断的事故时有发生，因此关注复合绝缘子的机械性能对输电线路的安全运行具有重要的意义。尤其是线路上运行多年之后的复合绝缘子，该复合绝缘子的残余机械强度更是受到广泛关心。本文标准DL/T 864—2004，对试品进行了密封性能测试、额定机械负荷耐受以及机械负荷破坏试验。

5.1 密封性能测试

密封性能试验是检测绝缘子伞套和端部附件间界面的密封性能。如果密封出现开裂等问题，则会导致外部酸雨通过缝隙渗入到芯棒，从而造成对芯棒的腐蚀，进一步，则会造成绝缘子机械强度的下降，最后甚至可以引发芯棒断裂或者绝缘子掉串等事故，危机电网运行安全。

取试品15E1号和15E5号样品，分别施加70%额定机械负荷耐受1 min，两端金具包胶密封处浸染品红溶液20 min，然后用酒精清洗表面后剖检试品，进行相关的检查[15]。抽取的2支绝缘子样品的金属附件与绝缘套间未出现渗透现象，即该2支负荷绝缘子均通过了密封性能测试。试品密封性能测试见图7。

图7 绝缘子密封性能测试Fig.7 Seal performance test of insulators

5.2 机械耐受及破坏试验

在进行密封性能测试后，将样品15E1号和15E5号，分别施加额定机械负荷（大于70%额定机械负荷）1 min进行耐受试验，2支样品均未损坏。

经过上述额定机械负荷耐受1 min后，对该2支试品进行机械负荷破坏试验[15]，实验过程中，其破坏负荷分别为486 kN和341 kN，约为额定负荷300 kN和210 kN的1.6倍，且破坏形式为夹具拉断，试品完好。因此可见，该复合绝缘子的机械性能保持良好。试品机械破坏试验见图8。

图8 绝缘子机械破坏试验Fig.8 Mechanical failure test of insulators

6 结论

对抽取的5支±800 kV楚穗直流复合绝缘子进行了性能的研究，可以得到以下结论：

1）抽样的复合绝缘子有不同程度的温升现象发生，可能与其表面脏污严重有关，建议加强定期对抽样区域复合绝缘子进行红外温升巡检，预防和发现线路上的复合绝缘子出现发热情况。

2）试品复合绝缘子的伞裙材料性能保持良好，但是整体憎水性保持情况一般，有3支试品的憎水性能级别超过HC4，因此需对该样品复合绝缘子区域进行再抽样检测，发现憎水性能下降严重的需及时采取相关措施，以防复合绝缘子防污闪性能下降，从而影响线路运行安全。

3）经过检测，试品复合绝缘子的电气性能和机械性能均保持良好，这对确保楚穗直流的安全运行起到了关键作用。

4）试验检测结果表明，抽检的已运行6年的楚穗直流复合绝缘子的温升情况、憎水性能、电气性能和机械性能或有所下降或保持良好。这为日后对复合绝缘子相关运行性能的研究提供了参考，也为保证楚穗直流的安全稳定运行提供了有力的保障。

参考文献：

[1]关志成.绝缘子及输变电外绝缘[M].北京：清华大学出版社，2006．

[2]关志成，彭功茂，王黎明，等.复合绝缘子的应用及关键技术研究[J].高电压技术，2011，37（3）：513-519．GUAN Zhicheng，PENG Gongmao，WANG Liming，et al.Application and key technical study of composite insulators[J].High Voltage Engineering，2011，37（3）:513-519.

[3]巢亚锋，王成，黄福勇，等.中国输电线路复合绝缘子运行状况分析[J].高压电器，2015（8）:119-124.CHAO Yafeng，WANG Cheng，HUANG Fuyong，et al.Assessment on operation state of composite insulators used on chinese transmission lines[J].High Voltage Apparatus，2015（8）:119-124.

[4]吴光亚.我国绝缘子的发展现状及应考虑的问题[J]．电力技术，2010（5）：1-4．WU Guangya.Domestic development situation of insulator and problems needing consideration[J].Insulators and Surge Arresters，2010（5）:1-4.

[5]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．XU Jiying，LI Rilong.Analysis and discussion on compos⁃ite insulator in service[J].Insulators and Surge Arresters，2003（3）:14-16.

[6]贺博，万军，金海云，等.复合绝缘子的老化特征分析[J].高压电器，2009，45（1）：21-24．HE Bo，WAN Jun，JIN Haiyun，et al.Aging character analysis of composite insulators[J].High Voltage Appara⁃tus，2009，45（1）:21-24.

[7]谢从珍，袁超，胡长猛，等.±800 kV直流耐张串复合绝缘子伞裙材料的老化特性[J].中国电机工程学报，2015（3）:735-741.XIE Congzhen，YUAN Chao，HU Changmeng，et al.Ag⁃ing characteristics of shed materials of composite insula⁃tors in±800 kV DC tension strings[J].Proceedings of the CSEE，2015（3）:735-741.

[8]赵华忠，袁超，颜才升，等.±800kV特高压直流耐张串复合绝缘子运行性能研究[J].电瓷避雷器，2013（6）：15-19．ZHAO Huazhong，YUAN Chao，YAN Caisheng，et al.Analysis of operating performance of composite insulators in 800 kV UHV DC tension strings[J].Insulators and Surge Arresters，2013（6）:15-19.

[9]黎晓辰，袁超，张富春，等.超、特高压直流耐张串复合绝缘子运行性能研究[J].高压电器，2015（8）:24-28.LI Xiaochen，YUAN Chao，ZHANG Fuchun，et al.Anal⁃ysis of operating performance of composite insulators in±800 kV and±500 kV DC tension strings[J].High Voltage Apparatus，2015（8）:24-28.

[10]王建国，方春华，刘洋，等.220 kV复合绝缘子机电性能试验研究[J].高压电器，2008，44（4）：332-334．WANG Jianguo，FANG Chunhua，LIU Yang，et al.Ex⁃perimental study on electrical and mechanical properties of 220 kV composite insulators[J].High Voltage Appara⁃tus，2008，44（4）:332-334.

[11]高海峰，周军，马仪，等.高海拔区线路运行复合绝缘子的电气性能评估[J].电网技术，2010（10）:201-205.GAO Haifeng，ZHOU Jun，MA Yi，et al.Evaluation on electrical performance of composite insulators operated in high altitude areas for years[J].Power System Technology，2010（10）:201-205.

[12]姚莉娜，吴颖晖，王少华，等.挂网运行复合绝缘子的电气及力学性能研究[J].绝缘材料，2015（8）：23-27．YAO Lina，WU Yinghui，WANG Shaohua，et al.Electri⁃cal and mechanical properties of on-line composite insula⁃tors[J].Insulating Materials，2015（8）:23-27.

[13]杨朝翔，吴明雷，何菊，等.运行直流复合绝缘子的憎水性分布规律[J].电网技术，2014，38（6）：1650-1656．YANG Chaoxiang，WU Minglei，HE Ju，et al.Hydropho⁃bicity distribution of DC composite insulators in service[J].Power System Technology，2014，38（6）:1650-1656.

[14]王家福，梁曦东，沈庆河，等.运行中复合绝缘子的机械性能实验分析[J].高电压技术，2011，37（5）：1294-1300.WANG Jiafu，LIANG Xidong，SHEN Qinghe，et al.Me⁃chanical performance of in-service composite insulators[J].High Voltage Engineering，2011，37（5）:1294-1300.

[15]武汉高压研究所.标称电压高于1 000 V交流架空线路用复合绝缘子使用导则：DL/T 864—2004[S].北京：中国电力出版社，2004.