国内输电线路复合绝缘子典型故障情况调查及原因分析

2022-08-30刘泽辉郭浚安

电瓷避雷器 2022年4期

卢明，刘泽辉，高超，伍川，郭浚安，李黎

(1.河南省电力线路舞动防治技术重点实验室，国网河南省电力公司电力科学研究院，郑州，450052 2.电气与电子工程学院，强电磁工程与新技术国家重点实验室，华中科技大学，武汉 430074)

0 引言

复合绝缘子由于机械性能优异、重量轻、体积小、易安装、耐污性能好[1-3]，自20世纪80年代在在我国的输电线路中得到了广泛应用，尤其在防污闪方面发挥了重要作用。截至2014年，我国复合绝缘子已有710万支运行于110 kV及以上电压等级的输电线路中[4]。随着复合绝缘子的使用数量与运行时长的增加，复合绝缘子的性能下降与故障问题也不断出现。多年的运行经验表明，复合绝缘子出现缺陷与故障，引发输电线路事故将会严重影响电力系统的安全稳定运行[5-15]。因此开展对于复合绝缘子的故障调查及原因分析，对于我国输电线路建设与复合绝缘子保护具有重要意义。

本研究收集了自2010年1月1日至2020年7月30日，近10年全国范围内的复合绝缘子故障报告，进行了调研汇总，共计收集到复合绝缘子故障缺陷有效信息59条。所谓“有效”信息特指这些故障报告较为完整全面，并不是说10年来只发生了59次复合绝缘子故障。然后本研究分别对故障复合绝缘子所在线路电压等级、故障和缺陷类型、周边环境、故障点气候及复合绝缘子运行时长进行了调查，主要从故障点气候、电压等级、运行时长3个方面进行数据整理与原因分析，为进一步的线路运行与复合绝缘子保护等分析、试验提供依据。

1 复合绝缘子典型故障基本情况

本研究将复合绝缘子严重故障主要按故障表现形式分为内击穿故障与断裂故障，其中断裂故障按断裂机理又可分为脆断、酥断(即酥朽断裂)与大屈曲断裂。不同故障典型故障现场情况如图1所示。

图1 典型故障现场情况Fig.1 Typical fault scene

在59条复合绝缘子击穿及断裂严重故障信息中，内击穿故障12次，占比约20%，断裂47次，占比约80%。47次复合绝缘子断裂故障中，脆断23次，占断裂故障比48.9%；酥断22次，占断裂故障比46.8%；大屈曲断裂2次，占断裂故障比4.3%。如图2所示。

图2 故障占比分析(总计59次)Fig.2 Analysis of the proportion of faults

2 复合绝缘子典型故障分析

2.1 故障点气候

近年来的研究表明，环境因素会影响复合绝缘子的使用寿命，复合绝缘子的故障与故障点气候特征具有明显的相关性。文献[16]指出复合绝缘子受外部的酸或水的侵蚀会加速绝缘子芯棒的老化，使芯棒在载重正常的情况也会发生脆断，另外在文献[17]中说明污秽严重的地方使复合绝缘子的等值附盐密度增加，会加速复合绝缘子硅橡胶老化。

根据中国干湿分布图，将收集到的复合绝缘子故障点的气候主要分为干燥和潮湿两类，其中干燥地区包括干旱区和半干旱区，潮湿地区包括湿润区和半湿润区。干燥地区和潮湿地区定义如下：

干燥地区指半干旱及干旱地区，其年降水量400 mm以下，气候比较干燥的地区，主要包括新疆、内蒙古高原西部、青藏高原西北部、内蒙古高原东部、黄土高原和青藏高原大部份。

潮湿地区指半湿润、湿润地区及沿海地区，其年降水量大于400 mm，主要包括东北平原大部、华北平原及秦岭淮河一线以南的广大地区。

根据故障发生地点的气候条件，复合绝缘子内击穿和断裂次数统计如图3所示。干燥地区仅发生复合绝缘子严重故障2次占比3.4%；潮湿地区共发生严重故障次数为57次，占比96.6%。潮湿地区相对于干燥地区更易发生复合绝缘子断裂和内击穿故障。

图3 不同气候条件下故障次数Fig.3 Number of faults under different climatic conditions

干燥地区2次严重故障信息如表1所示。

表1 干燥地区严重故障信息Table 1 Serious fault information in dry areas

潮湿地区内击穿及断裂故障占比如图4所示。其中共发生故障57次，内击穿故障12次，断裂故障45次。断裂故障中脆断、酥断和大屈曲分别为21、22和2次。

图4 潮湿地区各故障占比(总计57次)Fig.4 Proportion of faults in wet areas(57 times in total)

在潮湿地区中发生脆断与酥断故障的次数相当，在干燥地区基本不会发生酥断故障，大屈曲断裂故障很少见。

2.2 故障线路电压等级

线路的电压等级越高，对绝缘子的电气、机械、热性能要求也越高。调研中发生故障的电压等级主要为110～500 kV。不同电压等级情况下的故障次数如图5所示。

图5 各电压等级发生故障次数分布Fig.5 Distribution of fault times of each voltage level

由图5可以看出，在500 kV电压等级下复合绝缘子发生内击穿和断裂故障的次数最多，为29次，占比49.2%。

在110 kV下的9次故障中，内击穿4次；复合绝缘子断裂故障全部为脆断，共发生5次。

在220 kV下的18次故障中，同样只出现内击穿与脆断故障，其中内击穿7次；脆断11次。

在500(330)kV的32次故障中，内击穿1次，断裂故障31次。断裂故障中脆断、酥断和大屈曲分别为7、22和2次。内击穿及断裂故障占比如图6所示。

图6 500(330)kV电压等级故障次数Fig.6 Fault times at 500(330)kV voltage level

由图6可以看出，500(330)kV电压等级下复合绝缘子严重故障中，内击穿故障较少，占比3%，断裂故障占比97%。导致断裂故障的原因依次为酥断、脆断和大屈曲断裂，占断裂故障比例分别为71%、23%和6%，其中酥断故障全部发生在500 kV线路，所以500 kV等级线路应重点关注酥断问题。

对220～500 kV各电压等级下的脆断故障占比分析可以看出，在220 kV脆断故障占总故障次数的62.5%，断裂故障全为脆断；在500(330)kV脆断故障占总故障次数的23%，占断裂故障的24%，脆断故障随着电压等级的提高而减小，而酥断故障只有在500 kV出现，说明酥断故障随着电压等级的提高才逐渐开始出现。

对500(330)kV内击穿和酥断绝缘子悬挂类型统计如图7所示。

图7 500(330)kV内击穿和酥断绝缘子悬挂类型Fig.7 Suspension type of internal breakdown and decay-like fault insulators at 500(330)kV voltage level

500(330)kV电压等级下内击穿和酥断故障共发生23次，其中注明了悬挂类型的故障21次。从图7中可以发现，故障绝缘子串悬挂类型主要为双I串和V串(分别为6次和10次)，共发生16次，占比76%，单I串发生故障5次，仅占比24%。此次统计显示双I串和V串复合绝缘子更易发生内击穿和酥断，可能的原因为双I串和V串结构下复合绝缘子高压端场强畸变较大导致更易发生电老化。

2.3 故障绝缘子的运行时长

本次调研共包含59个复合绝缘子内击穿和断裂故障，其中注明绝缘子运行年限共有54个(内击穿11次，脆断22次，酥断20次，大屈曲断裂1次)，运行时长范围1～19年。对复合绝缘子发生严重故障的运行时长进行统计，其故障发生次数随运行时长变化规律如下图8所示，运行时长在7～13年中复合绝缘子更易发生故障，共发生37次，占比68.5%。另外，复合绝缘子内击穿和断裂故障发生次数随运行时长呈现以下规律：故障上升及高发阶段是在复合绝缘子挂网运行1～13年期间，其出现内击穿和断裂故障的次数明显上升，共计故障次数45次，占比83%；并在7～13年达到高峰期。故障下降阶段是在复合绝缘子挂网运行14～19年，出现内击穿和断裂故障的次数明显下降，共计故障次数9次，占比17%。

图8 不同运行时长严重故障发生次数Fig.8 Number of serious faults in different operation time

对于内击穿故障，注明绝缘子运行时长的内击穿故障共发生11次，故障发生次数和运行时长无明显相关性。内击穿故障主要发生在运行时长5～13年内，如图9所示。

图9 不同运行时长内击穿故障发生次数Fig.9 Number of internal breakdown in different operation time

对于断裂故障，注明绝缘子运行时长的断裂故障共43起，绝缘子断裂故障在运行1～12年期间发生故障的次数整体呈上升趋势，发生断裂故障31次，占比72%，并在9～12年达到高峰期。运行时间在13～19年时，故障次数开始下降，发生断裂故障12次，占比28%，这可能与很多单位在复合绝缘子运行十年后将其逐步更换有关。断裂故障发生变化趋势与总体故障发生变化趋势基本一致。

对断裂故障中的各类型故障进行进一步的统计分析。脆断故障如图10所示，注明绝缘子运行时长的脆断故障为22次，从不同运行时长和脆断故障发生次数分布图可以看出，脆断故障的发生与运行时长无明显关系。对于基于应力腐蚀机理的脆断故障，由于应力腐蚀主要是酸性物质腐蚀芯棒，使芯棒老化，最终脆断，目前已经研制出无硼纤维耐酸芯棒，并已经在输电线路中广泛应用。2006年后挂网的复合绝缘子一般采用耐酸芯棒。

图10 不同运行时长脆断故障发生次数Fig.10 Number of brittle fracture in different operation time

以挂网时间2006年作为分界点，对2006年前后发生的脆断故障进行统计，统计结果如图11所示，22次脆断故障中，14次故障为2006年之前挂网的复合绝缘子，占比64%；2006年之后挂网的复合绝缘子发生脆断8次(2010年之后挂网发生5起)，占比36%。明显地，在广泛使用耐酸芯棒后，脆断故障数量有所减少，说明耐酸芯棒能对脆断故障起到一定的预防作用；但另一方面酥断故障数量占比在使用耐酸芯棒后并没有明显减少，说明耐酸芯棒不能解决酥断问题。在调研中还发现，低电压等级下的非耐酸芯棒没有出现酥断问题，说明酥断故障的出现原因可能与高电压等级密切相关。

图11 脆断故障数量Fig.11 Number of brittle fracture

酥断故障运行时长与故障发生次数关系如图12所示。

图12 不同运行时长酥断故障发生次数Fig.12 Number of decay-like fault in different operation time

注明绝缘子运行时长的酥断故障共20起，复合绝缘子运行1～6年无酥断、酥断高发期为7～12年，发生故障16次，占比80%；13～19年故障偶有发生，共4次，占比20%。

大屈曲断裂1起(共2起，其中1起未提供在运时厂)，发生地点为辽宁地区，发生电压等级为500 kV，其投运于2009年，在2015年即运行6年后发生故障。

3 复合绝缘子典型故障原因分析

3.1 脆断故障

在收集的59份复合绝缘子故障信息中，其中23起是由芯棒损坏引起的脆断故障，占总故障调研的39%，芯棒脆断已成为当前复合绝缘子所发生的最严重的事故。因此，复合绝缘子的芯棒断裂事故应引起足够的重视。在调研中发现，复合绝缘子脆断可在投运1～3年内发生，也可在运行8～9年后发生，具有很大的随机性，但是故障点气候与线路电压等级与脆断存在一定联系。在湿润气候条件下，复合绝缘子表面更加容易积污并产生无机酸液，绝缘子局部放电增加，加快伞裙护套硅橡胶的老化，在伞裙护套首先老化产生缺陷后，外界无机酸液可能侵入芯棒内部腐蚀芯棒，绝缘子的承重能力下降。另一方面随着电压等级的提高，复合绝缘子上电压梯度更大，在高压端会形成较大的场强，高场强可以加速芯棒裸露处的饱和水介质向芯棒内部扩散；场强集中位置也更容易发生局部放电，产生酸性物质，增加无机酸液，加速芯棒的腐蚀[17]。脆断故障断裂表面光滑，无任何有机物残渣，断面总是垂直指向芯棒轴线，只有很少的玻璃纤维被拉出。

3.2 酥朽断裂故障

酥朽断裂，或简称酥断，是近年来新出现的一种复合绝缘子异常断裂现象。在59份复合绝缘子故障信息中，22起是由酥断引起的，占比37%，同复合绝缘子脆断故障一样应引起重视。

针对复合绝缘子酥朽断裂的研究尚处于起步阶段，相应的断裂特征、断裂机理、断裂影响因素以及预防措施等关键问题尚无明确结论，但有文献已表明酥朽断裂的特征是起始劣化点在护套-芯棒界面，然后由外向里深入芯棒，护套与芯棒间界面失效是酥朽断裂的主要诱因，酥断与脆断的主要区别在于环氧树脂基体的降解与否[18-20]。从本次调研结果看，酥朽断裂主要发生在潮湿地区、500 kV高电压条件下。潮湿地区的湿度可能会影响侵入酸性液体的腐蚀能力，而高电压会在绝缘子高低压侧造成高场强，高场强会在绝缘子内部出现缺陷的情况下使缺陷出更易发生电晕放电，腐蚀环氧树脂，加快劣化速度。酥朽断裂芯棒会出现严重劣化，表现出来与脆断相反的断口表面不光滑，芯棒粉化质地变酥，芯棒-护套界面失效，并且在酥断故障发生前会伴有复合绝缘子的异常温升，同时异常温升也是检测潜在酥朽断裂的有效方法。

3.3 大屈曲断裂及内击穿故障

1)大屈曲断裂是复合绝缘子在发生屈曲变形时，破坏应力超过屈曲破坏应力而导致的绝缘子屈曲断裂。2次大屈曲断裂均发生在500 kV电压等级V串中，其主要原因为500 kV相较于110、220 kV其复合绝缘子串更长，V串背风侧绝缘子更容易在大风影响下发生大屈曲，当其最大弯曲应力超过了允许应力值，就会导致绝缘子发生大屈曲断裂。

2)内击穿故障以调研中某复合绝缘子为例，该绝缘子芯棒与金具连接部位为楔形结构，端部密封不良，长期运行后芯棒进水劣化，绝缘性能下降。受连续阴雨天气影响，芯棒受潮严重，导致内部泄露电流增大、内绝缘击穿，引起跳闸，而内绝缘击穿为永久性故障，导致重合不成。