南方电网超高压公司运行十年以上500 kV线路复合绝缘子运行性能分析及建议

郑武略，商 犇，张富春，杨 磊，韩玉康，李伟性，林明杰，樊友平

(1.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司广州局，广州 510600； 2.武汉大学电气与自动化学院，武汉 430072; 3.中国电力科学研究院有限公司，武汉 430072)

关键字：超高压线路；老旧复合绝缘子；抽检试验；运行性能；差异化运维

0 引言

在南方电网超高压输电公司下辖500 kV超高压线路中，复合绝缘子的使用量已远超传统陶瓷、玻璃绝缘子，但由于超高压输电技术累积经验较少，500 kV电压等级下复合绝缘子的运行状态及其性能老化特性也一直是南方电网超高压公司运维和研究工作的重点[1]。

统计数据表明[2-4]，复合绝缘子挂网运行寿命一般在7～10年左右，运维规定也要求对运行10年的复合绝缘子必须展开专项抽检，

截至2019年，南方电网超高压输电公司500 kV及以上电压等级线路运行10年以上复合绝缘子共有18 554支，涉及高肇直流、兴安直流等交直流线路44条。主要应用于直线塔悬垂串及耐张塔跳线串，布置型式主要有I型、双I型、V型和双V型。各条线路老旧复合绝缘子挂网情况见图1。

图1 不同线路老旧复合绝缘子挂网使用情况Fig.1 Use of the old composite insulators on different lines

从运行工况来看，这批老旧复合绝缘子包含了所有厂家及型号，且几乎涵盖了超高压公司下辖所有区段。因此，对其进行专项抽检，既是运维工作的要求，又能切实掌握超高压输电公司运行环境下运行10年及以上老旧复合绝缘子的运行性能，消除线路隐患，也为后续其他超(特)高压输电工程复合绝缘子的选型和运维提供指导。

1 抽样及试验设置

1.1 抽样情况介绍

本次抽检根据Q/CSG 1206007-2017《电力设备检修试验规程》相关要求进行抽样，由各分公司根据运维情况具体执行，抽样标注见表1。

表1 专项抽检数目及比例要求Table 1 The number and proportion of special inspections

线路运维中，以“同一厂家采用同批次原料生产的产品”划分为一批次，同时，为保证抽样的全面性和代表性，抽样时遵循以下几点原则：

1)同一线路中同一批次抽检数目按照E2进行抽检。

2)近3年内抽检不合格的线路及批次按E1抽检。

3)抽检数目大于等于1支时，按串型种类将抽检数目重新分配。

4)确定抽检位置时，优先抽检工业区等高污、高湿热区及大档距、大高差等工况下的复合绝缘子。

5)优先遵照各分公司原定的抽检计划。

最终，本次抽检共抽取118支运行十年及以上复合绝缘子，其中直流用复合绝缘子41支，交流用复合绝缘子77支。从线路分布来看，涵盖了高肇直流、天广一回等11条主干网络。从生产厂家来看，共涉及6个厂家，运行年限在10～17年不等，额定负荷包括70 kN～400 kN不等。具体分布见图2。

图2 复合绝缘子抽样情况Fig.2 Sampling situation of composite insulators

从抽样结果来看，所抽取的复合绝缘子占总数的0.6%，覆盖了超高压公司下辖所有运行10年及以上500 kV线路，并涵盖了2003～2010年投运的所有厂家、批次和串型，因此本次抽样的复合绝缘子可以充分代表南方电网超高压输电公司下辖运行十年及以上复合绝缘子运行现状。

1.2 试验项目及分组

为全面、准确评估复合绝缘子性能，抽检试验主要依照DL/T 1000.3-2015《标称电压高于1 000 V架空线路绝缘子使用导则 第3部分：交流系统用棒性悬式复合绝缘子》、Q/CSG 1206007-2017《电力设备检修试验规程》相关要求进行设置，要求试验项目可以充分反映电气、机械、老化等多方面性能，主要包括：外观检查、憎水性测试、密封性能试验、额定机械负荷耐受试验、机械破坏负荷试验、水煮试验、水煮后陡波前冲击耐受电压试验、水煮后干工频电压试验、带护套芯棒水扩散试验等多项试验。

在分组设计时，为了保证试验更有针对性，在DL/T 1000.3-2015标准建议的基础上，同时结合制造企业、运行年限、电压等级等影响因素，在确定送检试品信息的基础上，按照如下分组原则对绝缘子进行分组，并确定各试品开展试验项目。

试验项目及分组见表2。

表2 复合绝缘子运行抽检试验项目及数目Table 2 Operational sampling test items and number of composite insulators

2 试验结果及分析

2.1 整体情况

依照1.2节中设计的试验项目及分组对抽检绝缘子进行分组试验，总体情况见表3。

表3 复合绝缘子抽检试验结果情况Table 3 Results of random inspection test for composite insulators

需要强调的是，复合绝缘子憎水性研究表明，当绝缘子憎水性达到HC6级别时，但考虑到测试伞裙选取的随机性，因此按照达到HC6级的伞裙片数有2片、1片及以上，达到HC5级的片数有3片、2片、1片及以上共5种情况分别作为判据统计憎水性正常率。

从表3结果可以看出：外观测试中，对于运行10年以上的老旧绝缘子，憎水性已出现较大下降，有部分绝缘子憎水性已基本丧失；电气性能测试中，试验结果异常主要表现为水煮后干工频电压试验中绝缘子击穿或者温升较高，以及带护套芯棒水扩散试验中泄漏电流值较大。机械性能测试中，全部外观良好的试品均通过机械破坏负荷试验、端部密封性试验。可见，复合绝缘子机械强度、端部金具密封性能较好，运行10年后仍能满足运行需求。

以下将针对外观及憎水性检查、电气性能、机械性能进行详细分析。

2.2 具体结果及分析

2.2.1 外观检查及憎水性分析

1)外观检查

复合绝缘子长期暴露于户外环境，伞裙会因积污老化出现发黑、粉化甚至破损等情况，尤其是在污秽严重环境下，复合绝缘子放电比较频繁，致使绝缘子伞套表面形成粉化层，出现发白、掉粉等情况。外观检查发现，超过70%的绝缘子存在伞裙粉化、表面发白的情况，约40%绝缘子存在伞裙或杆径表面发黑现象，约50%绝缘子存在伞裙破损的情况,见图3。

图3 复合绝缘子外观典型情况Fig.3 Typical appearance of composite insulators

从破损情况看，有5支有鸟啄迹象，均为兴安直流绝缘子。有12支绝缘子存在较大面积伞裙破损或者大面积脆化现象，主要集中在百色局天平线、柳州局如桂线、曲靖局西百线、梧州局高肇直流等，伞裙破损情况与运行年限无明显关系，部分伞裙破损可能是在送检过程中造成的。

2)憎水性分析

对118支绝缘子开展了憎水性能测试。检测时，每支复合绝缘子抽取高压段、中压段和低压段3段进行测试，每段各取2片伞裙测试，其中高、低压段一般选择第2、3片大伞，中压段一般选取最中间的连续两片大伞。若所测试伞裙中有50%及以上伞裙达到HC6、HC5级，则判定为憎水性试验不通过。最终，有87支样品憎水性测试正常，正常率约为73.7%，试验结果及分析见图4。

图4 憎水性测试结果Fig.4 Result of hydrophobicity test

由图4可以看出，随着运行年限的增加，绝缘子憎水性能呈整体下降的趋势但憎水性变化与运行年限之间并非严格的线性关系。同时也可以看出2004年以前投运的产品憎水性异常率显著高于之后的产品。

不同部位憎水性情况见图5，结果表明，复合绝缘子不同线路、不同部位的憎水性能无明显区别，不同部位未因电场强度、紫外线照射等影响而呈现较大差异。

图5 不同部位憎水性情况Fig.5 Hydrophobicity of different parts

综合以上分析，不同运行年限的复合绝缘子憎水性并无明显差异。从绝缘子的整体憎水性能分析，按照样品的挂网运行时间，绝缘子在投运9～10年后其憎水性能会出现一定程度的下降，投运14～15年后即2004年前投运的产品，其憎水性将出现较大幅度下降。

2.2.2 电气性能

电气性能试验主要涉及水煮试验和水扩散试验。水煮试验包括水煮后的外观检查、水煮后陡波前冲击耐受电压试验及水煮后工频耐受电压试验等3项。

1)水煮试验

水煮试验中利用长时间高温水煮加速模拟工况下水汽侵蚀运行复合绝缘子并破坏交界面的过程，这样可以更好的暴露出其内部隐藏缺陷，水煮后在冲击电压或工频电压下，存在界面缺陷的复合绝缘子内部将发生击穿或异常温升[5-8]。

其试验步骤大致如下：首先将待检绝缘子置于含有0.1%的氯化钠去离子水中煮沸42 h，随后利用幅值法进行陡波试验，要求电极区段长为500 mm，冲击电压不小于30 kV/cm。每个电极区段经受正负极冲击各25次，若不发生击穿则试验通过。对通过陡波试验后的样品进行干工频电压试验，对整支绝缘子施加0.8倍干工频闪络电压值并利用红外检测仪测量温升。不产生击穿或温升不超过20 K则视为通过[9-10]。试验情况见图6。

图6 水煮试验现场情况Fig.6 The scene of the boiling test

本次抽检总共对39支复合绝缘子进行了水煮试验，主要涉及兴安直流等21条线路，出厂年限在2002～2009年之间。试验结果显示，42 h水煮后样品外观均无异常，39支样品均通过陡波冲击试验，仅27支样品通过工频电压试验，正常率约为69.2%。实验分析见图7。

图7 复合绝缘子工频温升情况Fig.7 Power frequency temperature rise of composite insulators

试验结果显示，异常率与运行年限无明显线性相关，但与厂家、来源线路及交直流都有明显的相关关系。异常率随运行年限分布情况，可以看出2006年以前(即运行时间在12年以上)挂网运行的复合绝缘子的异常率显著高于06年以后的试品，说明超过该运行年限的绝缘子，其护套密封、芯棒-护套界面性能老化更明显；厂家中A厂的产品其异常率(43.75%)显著高于B厂(22.73%)；各线路中西百甲线的异常率最高，达100%，其次是贺罗I线，异常率为66.67%；交流电压下运行的复合绝缘子异常率更高，达41.7%而直流电压环境下异常率仅有13.3%。

2)水扩散试验

水扩散试验中，将带护套芯棒试样直接放置于0.1%浓度盐水中水煮100 h，然后在芯棒上施加12 kV工频电压并测量泄漏电流，本次抽检中，将水扩散试验中泄漏电流大于1 mA的绝缘子判定为异常。试验情况见图8。

图8 水扩散试验现场情况

试验共对46支复合绝缘子进行了水扩散试验，涵盖了2000～2013年出厂绝缘子。试验结果显示，共有15支试验异常，整体异常率为32.6%。具体分析见图9。

图9 复合绝缘子水扩散情况Fig.9 Water diffusion of composite insulators

水扩散试验结果显示，抽样结果不能证明异常率与运行年限具有线性相关但2006年以前的样品异常率远高于之后的产品。

另外，综合水煮后工频电压试验和水扩散试验结果可以发现，二者具有较强一致性，试验结果表明，随着运行时间的增加，绝缘子电气性能会出现一定程度的下降，尤其是对于出厂运行时间超过12年的绝缘子，其老化趋势更明显，电气性能下降也较为严重。同时可以看出，工频温升试验、水扩散试验异常绝缘子与生产批次间有较大关系，部分线路的部分批次绝缘子电气性能试验异常率偏高，如西百甲线300 kN、高肇直流160 kN、兴安直流180 kN复合绝缘子，故加强绝缘子批次管理及差异化运维具有重要意义。

2.2.3 密封机械性能

试验共对42支复合绝缘子进行了密封性能试验，对39支复合绝缘子进行了机械破坏负荷试验，涵盖了所有厂家、所有吨位、运行时间最长的绝缘子。所有试品均通过密封性及机械破坏试验。试验结果见表4。

表4 密封及机械破坏负荷试验结果Table 4 Seal test and mechanical damage test results

根据线路设计规程规定，运行后交流、直流复合绝缘子机械破坏负荷不低于额定值的67%、90%即可[11-14]。从表4可以看出，不同吨位试品的破坏负荷与标称值之比均超过1.25，总体均值超过1.5。结果表明运行10年后的复合绝缘子机械性能未出现明显下降。

需要强调的是，试品破坏形式均是金具拉断。同时少量样品出现了连接夹具被破坏的现象，但是其破坏值均高于规程要求。现场情况见图10。

图10 机械破坏负荷试验情况Fig.10 Results of mechanical failure load test

机械破坏负荷试验考察复合绝缘子芯棒、端部压接工艺的老化情况，早期采用的内锲式、外锲式结构均会损坏芯棒，绝缘子机械强度不高，且端部金具密封性能较差。近年来，金具与芯棒的连接方式主要采用不会损伤芯棒的压接式生产工艺，绝缘子机械强度、端部密封性能已大大提高[15-17]。

综上所述，制造厂家对复合绝缘子机械强度、端部密封等生产工艺管控较好，早期应用的复合绝缘子出现的端部密封性等问题已基本解决。送检复合绝缘子的端部金具密封性能、机械性能并未因长期运行而发生明显下降，机械强度仍有较大安全裕度[18]。

3 复合绝缘子运行差异分析及建议

复合绝缘子差异化运维是指针对不同投运年限、线路、厂家、串型等的复合绝缘子采取不同的运维方式，差异化运维既能降低日常运维工作量，减少运维成本，同时也能更精确及时的暴露问题。因此，为了给线路提供准确可行的运维建议，以下将从统计学角度对试验结果的差异进行相关性分析，本节将就投运年限、交直流电压、串型、厂家、线路这5个影响因素分析试验结果的差异并提出运维建议。

3.1 抽检试验结果分析

3.1.1 投运年限的影响

从上述各项结果来看，水煮后电气试验、水扩散试验两项试验结果与运行年限有明显的相关性。见图11，随着运行年限的增加，两项试验的异常率逐渐增加，且出厂投运达到12～13年(即2006年之前)的复合绝缘子，其异常率远大于之后的批次。

图11 不同制造年份样品电气试验异常情况Fig.11 Abnormal situation of water boiling and water diffusion test of samples in different manufacturing years

3.1.2 交直流电压影响

工频温升试验和水扩散试验这两项电气试验与交直流因素影响明显相关，统计结果见图12。

图12 交直流对实验结果的影响Fig.12 The influence of AC and DC on experimental results

工频温升试验和水扩散试验的主要目的都是检查复合绝缘子界面特性，从图12可以看出，工频温升试验中，交流线路复合绝缘子异常率显著高于直流线路复合绝缘子，而水扩散试验中，直流复合绝缘子异常率高于交流复合绝缘子。其原因主要是因为，硅橡胶材料中劣化产生的小分子以及由外界渗入的水分子和硝酸根等离子多属于极性分子，在交流环境下反复极化，从而导致发热更为严重。而在直流环境下其电场方向始终固定，复合绝缘子芯棒内部的场强一般高于护套表面，带相同电荷的小分子、离子始终项同一个方向运动如水分子、硝酸根离子经常带负电荷，因而在电场的作用下一直向交界面运动，最终依附于界面处，长此以往，界面部位不断经受腐蚀，更可能出现异常[7-8,19]，导致直流环境下复合绝缘子的水扩散试验异常率高于交流环境下的复合绝缘子。

3.1.3 串型因素影响

本次抽检的复合绝缘子主要来自于直线串和跳线串两种类型，安装方式也分为单串和双串两种。

直线串和跳线串之间的差异主要体现在工频电压试验中，见图13。

图13 串型对工频电压试验的影响Fig.13 The effect of string type on power frequency voltage test

试验结果显示跳线串异常率较直线串略高，跳线串、直线串电气试验异常率分别为50%、39%。这是由于相比直线串，跳线串绝缘子所处的电磁环境更为复杂。另外，查阅资料显示超高压公司所辖花从线跳线曾发生过一次断串故障，因此，在承受机械荷载明显偏小的情况，跳线串运行老化程度可能比同批次、同环境下直线串绝缘子更显著[7-8]。

采用双串安装的复合绝缘子其老化程度也高于采用单串安装的复合绝缘子。这是由于双串配置下，每支绝缘子均单独使用1个小均压环进行保护，两支并联绝缘子的均压环紧挨在一起，相互影响并干扰电场，导致平行双联串更易发生电场畸变。从断串事故来看，2011年以来超高压公司所发生的复合绝缘子断串均是双串中的一支。见图14。

图14 双串断串事故现场情况Fig.14 The scene of the double string broken string accidents

超高压公司现行抽检要求下，单双串的抽检比例均为10%，建议在后续抽检中，将双串的抽检比例提升至15%。

3.1.4 厂家因素影响

本次抽检中的复合绝缘子主要来自6个厂家，其中厂家A和厂家B出产的复合绝缘子占比90%以上。为了排除试验分散性的影响，仅对憎水性试验、工频电压试验、水扩散试验中试验数超过3支的厂家进行比对分析，见图15。

图15 不同厂家产品的试验情况对比Fig.15 Comparison of test results of products from different manufacturers

从图15(a)可以看出，相较厂家A的产品，在超高压公司辖区运行环境下，厂家B生产的产品其憎水性老化速度更快，而图15(b)、(c)中显示，厂家A的产品运行一定年限后其界面异常率更高，且这一现象在工频电压试验结果与水扩散实验结果中具有一致性。

查阅相关资料，此前的抽检结果中也显示不同厂家的水扩散结果存在差异[20]，因此，在后续运维中，对运行复合绝缘子界面性能的考察中，应着重观察厂家A出厂的产品。

3.1.5 线路分布影响

线路对复合绝缘子的影响本质是不同运行工况造成的复合绝缘子的劣化速度不同，不同线路复合绝缘子样品的试验结果见图16。

从单个试验来看，不同线路之间的试验结果并不存在明显差异，但综合图16可以发现，来自西百甲线的复合绝缘子异常率都较高，其工频试验异常率已达100%，说明西百甲线运行十年及以上复合绝缘子已有较大的失效风险，因此建议对该线运行10年以上复合绝缘子加倍抽检并逐步更换。

3.2 运维建议

综合对118支超高压输电公司运行10年及以上复合绝缘子的抽检结果以及上述对影响因素的分析，笔者提出以下几点建议供运维工作参考：

1)综合憎水性试验结果，建议憎水性测试中，6片伞有2片以上达到HC6可做不合格处理，若同一批次有3支以上出现该情况，同批次建议尽快更换。

2)综合水扩散及工频电压试验结果，若同批次达到3支以上温升超过3 K的绝缘子，应增加5%的测试比例，并安排抽样送检。若登检发现护套蚀损、开裂现象，更换该支绝缘子，并安排抽样送检。

3)试验中西百甲线、徐港线抽检样品不合格率较高，建议对其进行加倍抽检。

4)建议在本次抽检的线路中，以2006年为时间节点，2006年后的样品进行跟踪抽检，2006年以前投运的复合绝缘子批次尽快更换。

4 结论

笔者对超高压公司下辖11条运行10年以上500 kV线路复合绝缘子展开抽检，共抽检118支，充分掌握了超高压公司运行10年以上老旧复合绝缘子运行状态，并从投运年限、交直流电压、串型、厂家、线路5个影响因素对试验结果展开统计学分析，并针对分析结果对复合绝缘子的运维提出了建议，主要结论如下：

1)各项试验中，密封性能试验、机械破坏负荷试验、水煮试验结果正常比例为100%。试验正常比例最低的为水扩散试验，正常比例仅为67.4%。

2)随着运行年限的增长，各项性能都呈下降趋势。总体上讲，绝缘子出厂投运9～10年(即2008～2009年投运)后，性能出现明显下降，出厂运行达到13～14年(即2004～2005年投运)后，性能出现了较大幅度下降。因此建议对线路中2006年以前的投运产品进行逐步更换。

3)基于现有试验结果来看，直流绝缘子性能出现较为明显下降较交流绝缘子略为提前，出现运行性能明显下降的年限分别是：交流12年左右、直流10年左右。

4)从串型影响来看，跳线串比直线串更易老化，双串比单串更易老化。建议对双串的抽检比例从10%提高到15%；从厂家分布来看，试验数据表明不同厂家的产品其运行后性能的确存在差异，例如 A厂家的复合绝缘子界面失效概率高于B厂，而B厂家的硅橡胶老化速度更快。

(5)从线路分布来看，不同线路上同厂家同年限的复合绝缘子劣化程度不同，尤其是西百甲线抽检复合绝缘子已有多项指标不符合运行要求，建议对西百甲线上同批次产品进行加倍抽检。