输电线路复合绝缘子温升现象及其成因分析

王晓杰,许 军 ，林朝晖，李 特，王天意

(1.国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福州，350007；2.国网福建省电力有限公司检修公司，福州，350011;3.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州，310014)

0 引言

由于复合绝缘子在防污闪方面具备优异的性能，且机械性能良好，安装简便，自20世纪80年代开始，便逐步应用到电力系统中。经历30余年的发展，复合绝缘子已在电力系统中大规模应用。据统计，当前全国复合绝缘子的总用量已超过900万支[1]。

多年来复合绝缘子经历工艺和技术变革，如金具压接工艺、耐酸芯棒等技术的改进，产品质量稳步提升。然而近年来复合绝缘子在运行过程中，出现了酥朽断裂的故障现象，并呈现出逐年增多的趋势。酥朽断裂是指复合绝缘子在受潮、放电、电流、酸性介质、机械应力共同作用下的绝缘子异常断裂现象[2-3]。随着复合绝缘子用量的逐步增大，芯棒酥朽断裂故障及其引发的温升缺陷已成为输电线路运维的面临的主要难题。

复合绝缘子在酥朽发展过程中，宏观上呈现出温升现象，因此红外测温技术已成为当前绝缘子酥朽检测的主要技术手段[4-10]。然而在福建、广东等沿海省份，环境湿度大，在污染严重地区常出现绝缘子沿面放电现象，宏观上也将表现出绝缘子温升。此外运行过程中绝缘子出现的温升现象还包括绝缘子高压端护套温升，阳光不均匀直射引起的局部温升等。

当前红外检测的技术手段包括人工红外测温、直升机红外测温。受限于拍摄距离和仪器参数限制，人工红外测温难以得到清晰的绝缘子红外图谱，易误判绝缘子运行状态；直升机红外巡检周期长，难以及时对复合绝缘子运行状态进行检测。随着无人机技术发展，无人机载红外测温技术也逐步应用于绝缘子缺陷检测，并取得一定的效果。然而现场复合绝缘子温升原因多种多样，基于红外温升图谱判断绝缘子缺陷类型，可能存在一定的误判情况。

本研究首先从复合绝缘子红外测温图谱出发，统计分析绝缘子缺陷类型及其对应的红外图谱特征，包括热点部位和温升数值。其次根据有限元分析方法和检测试验，分析复合绝缘子主要缺陷类型的温升原因和机理。最后根据统计分析结果、检测实验和仿真分析，总结基于红外温升图谱的绝缘子缺陷识别规则，为现场绝缘子缺陷识别提供理论依据。

1 复合绝缘子红外图谱特征

在生产现场，引起复合绝缘子温升现象的成因主要包括4种：绝缘子芯棒酥朽、沿面积污放电、高压端护套吸水受潮和阳光不均匀照射。不同温升类型的复合绝缘子在宏观上表现出不同的红外图谱特征。作者收集生产现场常见温升现象的复合绝缘子，统计分析各类温升形式的红外图谱特征。

1.1 阳光不均匀照射引起的温升

阳光不均匀照射绝缘子后，阳光直射绝缘子的表面温度大于未直射表面的温度，不同角度进行红外温升拍摄时，红外图谱上将表现出温升差异，见图1。绝缘子同一部位，其向阳面温度约为21 ℃，背阴面温度约为20 ℃。向阳面温度明显高于背阴面温度。由于阳光照射后，绝缘子不同侧面温差较小，因此此类温升现象主要影响线路绝缘子红外拍摄图谱特征，并未对绝缘子运行产生影响。

1.2 沿面放电缺陷绝缘子

复合绝缘子表面积污后，在潮湿天气时表面泄漏电流增加，在局部伞裙间出现放电电弧，宏观上也将表现出温升现象。作者取110 kV山某线沿面放电现象的绝缘子，分析其红外图谱特征，见图2。(a)、(b)串复合绝缘子温升特点见表1。(a)串绝缘子存在3处热点，温升分别为8.6 K、5.6 K、3.3 K；(b)串绝缘子方向存在3处热点，温升分别为5.6 K、5.6 K、4.8 K。山某线绝缘子伞裙为大—小伞裙结构，共19组。(a)、(b)串绝缘子热点均只跨越相邻2片伞裙。同时杆塔上所有复合绝缘子均出现同类型温升现象。由于环境积污的随机性，沿面放电的复合绝缘子，其温升热点的位置取决于绝缘子沿面积污的部位，存在随机性，与酥朽绝缘子热点均接近高压侧不同，积污发热绝缘子热点部位可能接近于高压侧或者低压侧。

图2 沿面放电绝缘子红外温升图谱

表1 沿面放电绝缘子红外温升特征

1.3 高压侧温升现象的绝缘子

在运行电压作用下，绝缘子高压侧护套部位老化受潮后，可能出现明显极化损耗，在宏观上表现出温升现象。作者取220 kV和500 kV复合绝缘子，分析其红外图谱特征，见图3和表2。500 kV江某I路和220 kV旗某变复合绝缘子在运行电压作用下，沿绝缘子均只存在1处热点，为高压侧至第1片伞裙间部位，温升分别为2.3 K和6.5 K。

图3 绝缘子红外温升图谱

表2 绝缘子红外温升特征

1.4 芯棒酥朽缺陷绝缘子

复合绝缘子芯棒在不同酥朽缺陷发展过程，宏观上表现出不同的温升特征。以芯棒酥朽缺陷发展的长度(与绝缘长度对比)为衡量尺度，取2支不同酥朽长度的500 kV复合绝缘子，比较不同酥朽程度条件下的红外图谱特征，见图4。

图4 酥朽绝缘子红外温升图谱

卓某I路绝缘子存在4处分散的热点分布，热点最远处为第15—16片大伞范围(大—小—小—大伞裙结构，共44组)，与芯棒酥朽长度最远处对应(芯棒酥朽范围从高压侧至第16片大伞范围)；温升最大值达到47.6 K(沿绝缘子参考温度为15.5 ℃)；绝缘子热点位置均连续跨越多片伞裙。

紫某I路绝缘子存在1处热点分布，为第3—4片大伞范围(大—小—中—小—大伞裙结构，共38组)，与芯棒酥朽长度最远处对应(芯棒酥朽范围从高压侧至第4片大伞范围)；温升最大值达到8.3 K(沿绝缘子参考温度为14.3 ℃)。

酥朽长度较长的卓某I路绝缘子，存在分散的多处热点，分布于芯棒酥朽段中间、酥朽段和正常芯棒段过渡区域，每处热点均跨越多片伞裙；对于酥朽长度较短的紫某I路绝缘子，热点分布于酥朽段和正常段芯棒间过渡区域，每处热点均跨越多片伞裙。因此酥朽缺陷绝缘子热点跨越多片伞裙，是区别于沿面积污发热绝缘子只跨越相邻两片伞裙的热点特征。

表3 酥朽绝缘子红外温升特征

2 沿面放电复合绝缘子温升原因分析

复合绝缘子是污闪风险地区主要的外绝缘材质选型，然而在重污秽地区，复合绝缘子表面积污后仍可能发生复合绝缘子沿面放电现象和跳闸风险。以图2中110 kV山某线绝缘子为例，分析绝缘子沿面积污后，在潮湿天气时发生温升和沿面放电现象。

图5 绝缘子沿面积污

复合绝缘子出现沿面放电并引起温升时，由于同塔所有绝缘子所处环境相同，一般同时存在温升现象。但是绝缘子表面积污存的部位具有一定的偶然性，因此红外图谱温升部位同样存在偶然性的特点。见图2，该基杆塔所有绝缘子均存在发热现象，且热点位置随机。复合绝缘子长期存在沿面放电时，由于硅橡胶材料漏电起痕和电蚀损性能限制，绝缘子护套表面将出现蚀损现象，严重者引发绝缘子内击穿或沿面闪络故障。

3 绝缘子护套受潮引起温升的原因分析

复合绝缘子硅橡胶在潮湿条件下具有一定的吸水受潮特点，硅橡胶吸水受潮后，其相对介电常数将增大。当硅橡胶吸水增重0.17%时，相对介电常数增大1[11-14]。本研究以110 kV复合绝缘子模型为例，分析绝缘子高压端护套吸水增重，相对介电常数增大后，沿硅橡胶护套的电场强度变化情况，见图6。

图6 绝缘子护套缺陷仿真模型

正常干燥护套介质相对介电常数取6，当吸水受潮后护套相对介电常数增大，对比护套相对介电常数增大至10和30两种情况下电场分布的变化规律，见图7。高压端护套吸水后，该处的护套电场分布发生明显畸变现象，吸水现象越严重，护套增重越大，电场畸变越大，最大电场强度同时增大。护套介质的极化损耗主要取决于相对介电常数和电场强度大小。由于水分相对介电常数为81，受潮部位的护套中水分极化损耗较高，护套部位在宏观上表现出温升的现象。

图7 绝缘子护套电场分布

4 酥朽复合绝缘子温升原因分析

根据1.4酥朽绝缘子红外检测结果显示，红外温升数值由3 K至47.6 K不等。绝缘介质在交流电场中的焦耳热损耗主要来自电导损耗和极化损耗；在介质出现局部放电情况下，放电电弧产生的焦耳热损耗同样使绝缘子出现红外温升现象。因此下文从酥朽芯棒的介电特性测试和有限元分析两方面分析酥朽绝缘子温升机理。

4.1 酥朽芯棒阻容特性测试

取500 kV东某I路酥朽绝缘子芯棒，截取4段长度为20 cm，酥朽程度不同的芯棒短段进行介电特性测试。样品芯棒见图8，芯棒(a)为绝缘子高压侧酥朽最严重的短段，芯棒(b)为酥朽次严重短段，芯棒(c)为酥朽段和正常芯棒的过渡段，芯棒(d)为低压侧正常芯棒段。以电阻电容并联模型(见图9)表征绝缘子芯棒短段，对每一个芯棒短段施加交流10 kV电压，得到表4中所示的阻容参数。绝缘子芯棒介电特性变化是引起绝缘子温升的重要原因，并可作为评估芯棒劣化的重要变量之一[15-17]。

图8 绝缘子芯棒样品

图9 等效电路模型

由表4可知，芯棒段(d)绝缘良好，绝缘电阻达到25 GΩ，介质损耗角正切值为3.036%，芯棒呈现出接近容性的阻抗；芯棒段(a)绝缘性能明显下降，绝缘电阻仅为5.001 MΩ，功率因素角仅为1.855°，芯棒呈现出接近电阻性的阻抗。对于次严重状态芯棒(b)和过渡状态的芯棒(c)，绝缘电阻逐步增大，功率因素角逐步增大，芯棒逐步由阻性状态转变为容性状态。芯棒(a)酥朽状态最为严重，电容值为20.48 pF，正常状态芯棒(d)电容值为8.49 pF。随着酥朽状态减轻，电容值逐步减小。

表4 绝缘子芯棒阻容参数

4.2酥朽芯棒电压电流测量

取图8中芯棒短段芯棒(a)和芯棒(d)，施加交流电压同时记录电流波形，并分析电压电流波形相位差，见图10。对于酥朽状态最严重的芯棒短段(a)，电压、电流波形接近于同相位，呈现电阻性的特点；对于正常状态的芯棒短段(d)，电流超前电压相位接近90°，呈现电容性的阻抗特点。波形分析同表4结果相同。

图10 绝缘子芯棒样品电压电流波形

4.3 酥朽芯棒电场仿真

根据上文分析，严重酥朽状态芯棒绝缘电阻大幅下降，呈现接近导电的状态；正常芯棒绝缘良好，呈现电容性的阻抗。以110 kV复合绝缘子高压端添加一缺陷间隙，以导电状态间隙模拟严重酥朽状态，以受潮半导电间隙模拟过渡酥朽状态，模型见图11。着重研究复合绝缘子芯棒内部电场分布情况，为简化分析，建模时忽略了杆塔、导线及金具结构等外部因素[18-20]。电场分布见图12。

图11 绝缘子仿真模型

图12 绝缘子电场分布

对于正常芯棒，高压端为电场强度最大值部位；当高压端产生缺陷，缺陷起始为受潮半导电状态时，电场强度最大值仍为高压端部位，而缺陷芯棒和正常芯棒分界面电场强度明显增大，介质极化损耗较正常段增大。红外图谱中酥朽芯棒和正常芯棒分界面上表现出明显温升现象，见图4(b)；当酥朽段芯棒由受潮半导电状态逐步劣化为导电状态，缺陷芯棒和正常芯棒分界面电场强度出现明显畸变，此处芯棒的极化损耗将继续增大；当高压侧芯棒酥朽状态继续发展，酥朽芯棒长度增加，酥朽段芯棒部位同时存在导电状态、半导电受潮状态和正常状态芯棒，见图8东某I路芯棒样品所示。此时导电状态和半导电受潮状态芯棒分界面、半导电受潮状态和正常芯棒分界面均为电场强度畸变部位，介质极化损耗均大于正常部位。因此酥朽严重的芯棒段，温升现象不仅出现在酥朽段和正常段芯棒分界面，在酥朽段芯棒中间部位也将出现温升现象，酥朽部分芯棒可能出现局部放电现象，温升数值继续增大，见图4(a)。

5 结论及建议

在生产现场，引起复合绝缘子温升的成因包括了芯棒酥朽、绝缘子表面积污放电、护套吸水受潮等原因。本研究通过对复合绝缘子温升现象进行统计分析，总结复合绝缘子温升主要的红外图谱特征，分析其温升的热点部位分布特点、温升数值等。其次，基于有限元分析和检测试验，分析各温升现象的成因和机理。最后基于现场统计分析的红外图谱特征、检测试验和仿真分析，总结温升缺陷复合绝缘子温升特点：

1)芯棒缺陷绝缘子红外温升特征：集中发热点集中在绝缘子一处或者分散多处，且均接近于绝缘子高压侧；每处热点连续跨越绝缘子多片伞裙。

2)沿面放电绝缘子红外温升特征：集中发热点分散在绝缘子多处，位置随机接近高压侧或者低压侧；每处热点位于相邻2片伞裙之间；同塔绝缘子均同时出现同类型温升现象。

3)高压端护套发热的绝缘子红外温升特征：集中发热点仅存在一处，即高压侧金具至第一片伞裙间的护套部位。

4)阳光直射引起发热的绝缘子：同一部位绝缘子不同角度(如向阳面和背阴面)红外图谱存在温升差异。输电杆塔通常分布于人迹罕至的野外，红外测温作业时间难以选择夜晚或阴天天气。因此如何筛查阳光直射引起绝缘子局部温升是现场判断绝缘子温升类型的难点之一。

通过本研究总结的复合绝缘子红外图谱特征，能够指导生产现场判断绝缘子运行状态，为复合绝缘子运维策略的制定和优化提供了理论指导。