喀斯特山地垭口地貌影响下直流线路复合绝缘子伞裙老化特性分析*

2021-11-19陈荣盛邱子针樊柄宏

电气工程学报 2021年3期

赵伟陈荣盛江渺吴昊邱子针樊柄宏李黎

(1. 中国南方电网超高压输电公司天生桥局贵州 562400；2. 华中科技大学电气与电子工程学院武汉 430074)

1 引言①

复合绝缘子以其体积小、重量轻、易安装、免维护、耐污性能好等一系列优点，在我国电力系统中得到了广泛应用[1-3]。随着南方电网超、特高压直流输电的快速发展，复合绝缘子在直流输电线路上的应用也越来越广。南网多条直流输电线路穿越喀斯特地貌区，在长期运维统计中发现，运行于喀斯特山地垭口处的复合绝缘子，其伞裙老化程度相较其他一般地区相同运行年限的绝缘子更严重，具体表现为伞裙积污更重、表面存在粉化现象、根部出现裂纹等[4-8]。因此，有必要对这一特殊现象开展相应的研究。

喀斯特是指由地下水对碳酸盐类岩石进行化学溶蚀、冲蚀和潜蚀等地质作用所造成的一类自然地貌。我国喀斯特地貌主要分布于广西、贵州和云南东部，基本属于南方电网管辖区域，大量直流输电线路不可避免地经过喀斯特地貌区，其中又以运行于两山之间垭口部位的绝缘子伞裙老化最为严重。目前有少量文献研究垭口地貌对绝缘子运行性能的影响情况，张宏杰等[9]研究了垭口处的输电线路风偏事故，指出山谷中轴线上最大风速比平地风速高出33%，容易造成垭口区域内线路风偏闪络或倒塔；王希林等[10]研究了强风区复合绝缘子伞裙撕裂问题，发现风速达到30 m/s 时，复合绝缘子会发生高频大幅振动，撕裂硅橡胶材料，最终扩展导致伞裙的断裂。以上研究仅针对垭口地貌和风速因素对绝缘子伞裙的影响进行了分析，然而关于喀斯特山地垭口处绝缘子伞裙老化性能的特殊性，以及造成此种特殊性的综合影响因素和影响规律，目前未见文献开展相应研究。

本文分别对运行于喀斯特山地垭口与平原开阔地带的直流复合绝缘子进行了憎水性测试、污秽度测量、污秽成分分析等试验，对比研究了绝缘子伞裙的老化特性；并结合喀斯特山地垭口的区位特征，分析了复合绝缘子伞裙老化特性的特殊影响因素。本文工作可为南方电网喀斯特山地垭口处直流复合绝缘子运维提供经验和参考。

2 试品情况

复合绝缘子样品来自中国南方电网超高压输电公司天生桥局所管辖的±500 kV 超高压直流输电线路。本次抽样从天广直流和兴安直流两条线路中随机抽取了共30 支复合绝缘子样本，其中20 支绝缘子样本取自喀斯特山地垭口地区，另外10 支绝缘子取自平原地区以作为对照。所有绝缘子运行区域均为亚热带季风气候区，运行环境如下：年平均气温16～24 ℃，年平均湿度70%～85%RH，年平均风速2.5～4.0 m/s，以排除由于环境因素差异对绝缘子老化特性产生的影响。

本文对30 支绝缘子样品均进行了基本性能测试，结果发现，绝缘子在相同环境和运行寿命情形下的老化特性较为相似，而在不同地形条件下则表现出一定的差异。因此，为了重点研究这种差异，本文没有列出所有样品的检测结果及老化状态，而是选取了6 支最具代表性的复合绝缘子样品开展讨论。按照绝缘子运行位置的地形特点将这6 支绝缘子样品分为A 组(喀斯特山地垭口处)和B 组(平原地区)，每组3 支。复合绝缘子样品信息如表1 所示。

表1 复合绝缘子样品信息

3 伞裙老化特性研究

3.1 憎水性测试

采用喷水分级法测试复合绝缘子伞裙材料憎水性。对6 支绝缘子样品高压端、中部、低压端3 个位置的伞裙分别进行憎水性测试，结果如表2所示。

表2 样品绝缘子伞裙的憎水性

由表2 可以看出，6 支绝缘子的憎水性分级都在HC4 级及以下，可以认为在运行8 年后仍然具有良好的憎水性。具体来看，A 组绝缘子样品的憎水性均处于HC3～HC4，而B 组绝缘子样品的绝大部分伞裙憎水性处于HC2～HC3，表明运行于喀斯特山地垭口地区的复合绝缘子，其伞裙憎水性整体下降更快，老化更严重。同时，样品A-1 和B-2 出现高压端伞裙憎水性比中部和低压端更差的现象，可能是由于高压端电场更强，对伞裙憎水性产生一定影响。此外，A-2 和B-2 的憎水性相对本组3 支绝缘子最差，注意到这两只绝缘子串型均为双I 型，表明伞裙憎水性与串型可能存在一定关联性，双I型串挂网绝缘子伞裙憎水性丧失更严重，对伞裙老化特性更为不利。

3.2 污秽度测量

对6 支绝缘子伞裙进行等值盐密和等值灰密测量。将绝缘子分为高压端、中部、低压端三段，每段取相邻的3 片大伞裙作为测量点，共9 个测量点。测量结果如图1 和图2 所示。

图1 绝缘子样品等值盐密测量结果

图2 绝缘子样品等值灰密测量结果

从图1 中可以看出，A 组绝缘子样品的等值盐密整体高于B 组绝缘子样品，A-2 样品的盐密值最高，6 支绝缘子样品的伞裙等值盐密沿串分布未表现出明显规律；由图2 可以看出A 组绝缘子样品的等值灰密同样高于B 组样品，A-2 样品的灰密值最高。此外不同于盐密的是，灰密值沿串分布呈现出两端高、中间低的规律。这是由于直流线路绝缘子积污过程中存在极化效应[11-12]，电场强度高的地方更容易吸附难溶污秽颗粒，因此积污量与电场沿串分布特征保持一致，即近似为一条“U”型曲线。

综合对比两组绝缘子的积污情况，可以发现运行于喀斯特山地垭口处的复合绝缘子伞裙整体污秽值高于运行于平原地区的绝缘子，表明山地垭口环境对绝缘子积污有一定的不利影响。

3.3 污秽成分分析

进一步对绝缘子样品污秽的组成成分及含量进行检测。污秽包括可溶性离子和难溶颗粒物，分别采用离子色谱仪和红外光谱仪进行检测分析。检测方法如下：首先将从绝缘子表面收集的污秽样品放置于80 ℃烘箱中烘干24 h，然后将污秽溶解于适量蒸馏水中，静置30 min 后取定量滤纸过滤，分离出只含可溶性组分的污液及不溶的残留颗粒物，以便分别进行检测[13-14]。为了对比运行于喀斯特山地垭口与平原地区的绝缘子在积污成分上是否存在差异，本文选取积污量最多的A-2 和B-2 绝缘子样品进行污秽成分分析，结果如图3 和图4 所示。

图3 绝缘子污秽中可溶性离子成分及含量

图4 绝缘子污秽中难溶物成分及含量

图4 为两支绝缘子样品污秽中不溶物的成分及含量对比。可以明显发现运行于喀斯特山地垭口的绝缘子伞裙上存在CaCO3沉积，而平原地区的绝缘子表面并无相应成分，据此很自然地推断该成分来自喀斯特地貌特有的石灰岩的风化颗粒。由于CaCO3化学性质不如CaSO4稳定，在积污过程中会逐渐向CaSO4转化，这也是不溶污秽中CaSO4含量偏高的原因。除去含钙化合物，两支样品的其他难溶物成分组成基本一致，绝大部分为来自土壤和沙尘的SiO2，另外有少量的Al2O3、Fe2O3，以及微量的CaO 等金属氧化物。

4 影响因素分析

从上述试验结果可以发现，运行于喀斯特山地垭口处的直流复合绝缘子相较于平原地区的绝缘子，在相同运行年限下，憎水性和积污特性均表现出更为不利的状态，对其伞裙老化特性可能造成更为严重的影响。为了探讨喀斯特山地垭口处复合绝缘子伞裙性能表现出特异性的原因，对可能的影响因素进行了分析。

4.1 微地形因素

喀斯特地貌以地表沟壑纵横的岩层和连绵起伏的山峰谷地为标志性特征，属于典型的自然微地形区[16]，其中又以两山相接的垭口处地形最为复杂。垭口是连续山峰间一块相对平坦且地势较低的谷地，输电线路走廊从垭口处穿过可以避免直接翻过山梁，从线路整体布局上来说是十分合理的。然而单对运行于垭口处的杆塔及绝缘子来说，其长期运行特性势必受到这一特殊地形位置的不利影响。根据对天广、兴安直流线路的现场考察经验，发现线路走廊在经过垭口时，主要有两种杆塔布置方式：平地-垭口-山顶和平地-垭口-平地。两种布局的示意图如图5 所示。可以发现，无论采取何种布局方式，垭口处杆塔总会与相邻两基杆塔之间存在海拔差，这会使垂直档距和导线弧垂加大，导线两端杆塔受力不均，绝缘子承受额外的水平方向拉伸负荷。该负荷的作用效果为弯矩，由于悬垂复合绝缘子承受弯矩能力不佳，从而绝缘子的长期力学性能势必受到一定程度的不利影响。

图5 输电线路走廊在垭口处的布置方式

4.2 微气象因素

喀斯特山地微气象区域的特殊性主要体现在垭口处的异常高风速。根据狭管效应[17]，当气流从开阔地带流入垭口等地形狭窄的区域时，由于空气质量不能大量堆积，气流将加速通过该隘口，引起风速的显著增大。文献[9]表明，山地垭口处中轴线上风速最大值相比平地风速最高可高出33%，远超输电线路设计规范中在平地风速基础上提高10%的规定。强风对复合绝缘子伞裙运行特性将产生显著的不利影响。由于伞型结构复杂，流体经过伞裙时受其阻挡作用发生剧烈变化，伞裙迎风面受到较大风压，在边缘引起扰流的分离和涡脱落，导致伞裙边沿出现一定程度的振动。随着风速的提高，伞裙振动频率逐渐升高，即发生高频大幅振动，在伞裙根部产生周期性的应力集中。长期承受周期循环载荷，伞裙根部将发生应力疲劳损伤，致使硅橡胶材料表面出现裂纹[18-19]。在A 组绝缘子样品的伞裙根部均能或多或少找到裂纹，如图6 所示，表明垭口处高风速的确对伞裙表面产生影响。