湖南電網架空線路復合絕緣子的運行現狀

查方林， 黎剛， 巢亞鋒， 岳一石， 萬濤

(國網湖南省電力有限公司電力科學研究院， 湖南 長沙410007)

0 引言

復合絕緣子因具有優良的憎水性和憎水遷移特性, 耐污閃能力顯著, 在架空輸電線路中被廣泛應用[1-2]。 據統計, 湖南省110～500 kV 電壓等級交、直流輸電線路掛網的絕緣子約有103. 2 萬支, 其中復合絕緣子約22. 1 萬支, 占比21. 4%。 隨著掛網運行年限的增長, 復合絕緣子會逐漸出現傘套粉化開裂、 憎水性消失等老化現象, 導致閃絡跳閘、 絕緣擊穿甚至斷裂掉串等事故, 影響電網輸電安全。湖南歷年的運行抽檢結果顯示, 復合絕緣子在運行6 年后就出現了較普遍的粉化、 憎水性嚴重下降等老化情況。 2015 年以來, 湖南省先后發生了4 起復合絕緣子芯棒斷裂掉串事故[3]。

針對湖南地區復合絕緣子的運行現狀, 本文分析了原料品質、 氣候環境等因素對復合絕緣子老化的影響, 并從原料質量監督, 運行管理等方面提出了改進建議, 期望有助于提升湖南電網復合絕緣子的運維管理水平。

1 湖南電網復合絕緣子運行現狀

1.1 運行年限

不同電壓等級的復合絕緣子運行年限分布情況如圖1 所示, 110 kV 復合絕緣子運行年限主要分布在6 ～15 年間, 占比68. 6%； 6 年以內占比16. 9%, 運行年限15 年以內占比85. 5%。 220 kV復合絕緣子運行年限6 年以內占比27. 4%, 6 ～15年占比62. 4%, 運行年限15 年以內占比89. 9%。按照復合絕緣子一般設計壽命15 ～20 年分析, 湖南電網復合絕緣子整體運行年限處在正常范圍。

圖1 復合絕緣子運行年限分布圖

1.2 運行質量抽檢

為掌握在役復合絕緣子的運行狀態, 湖南電網每年對全省運行年限6 年以上的復合絕緣子進行質量抽檢。 2008—2018 年的抽檢結果顯示, 運行復合絕緣子的電氣性能良好, 歷年的濕工頻耐受電壓、 干工頻溫升、 陡波沖擊耐受電壓等測試項目合格率均為100%。 存在不合格項的試驗項目主要包括外觀檢查、 憎水性試驗和芯棒性能試驗, 歷年抽檢中的不合格率見表1。 其中外觀檢查的不合格項目主要是指傘裙粉化, 芯棒試驗包括染料滲透試驗和芯棒帶護套水擴散試驗。 早期, 芯棒材料的質量不佳, 在抽檢中有部分芯棒檢測不合格, 但隨著生產工藝的不斷完善, 芯棒質量不斷提升, 自2011年后檢測合格率均為100%。

表1 2008—2018 年運行抽檢試驗結果統計

1.3 芯棒斷裂掉串

2015—2018 年, 湖南電網先后發生了4 起絕緣子芯棒斷裂掉串事故。 護套老化龜裂、 護套與端部金具交界面密封失效是芯棒斷裂的外部因素[4]。圖2 是掉串復合絕緣子的照片, 芯棒斷裂形式有酥朽斷裂和脆性斷裂。 芯棒斷裂處的護套有明顯的老化開裂, 并伴有嚴重的電流燒蝕痕跡。 高電壓等級輸電線路產生的強電場能使空氣中的N2發生電離產生NO2, NO2滲透性強, 能穿透老化龜裂的護套到達芯棒表面, 并與水化合形成HNO3。 在HNO3和空氣、 水分的共同作用下, 部分玻璃纖維發生腐蝕斷裂[5], 芯棒的整體抗拉強度下降, 如遇導線風偏、 舞動等異常機械負荷波動時, 則可能發生芯棒掉串事故。

圖2 湖南電網近幾年復合絕緣子芯棒斷裂照片

1.4 存在的問題

結合上述統計結果分析, 湖南電網復合絕緣子最普遍的問題是傘裙護套材料, 即硅橡膠的老化。在戶外運行條件下, 硅橡膠遭受光、 熱、 污穢、 雨水等作用發生降解, 傘裙的憎水性基團含量降低、微觀結構遭受破壞, 材料逐步老化。 老化導致的硅橡膠粉化會削弱護套對芯棒的保護作用, 空氣和水分更容易侵入到達芯棒表面, 引起異常放電甚至內絕緣擊穿[6]。 老化導致的憎水性下降會增加復合絕緣子的閃絡頻率, 電流額燒灼又會進一步加劇傘裙的粉化[7-8]。

2 復合絕緣子老化原因分析

硅橡膠的老化, 本質上是硅氧烷分子的斷裂、重組、 氧化等化學反應過程。 原料配方、 氣候環境等因素都是影響硅橡膠老化的重要因素。

2.1 原料配方

硅橡膠的主要成分為甲基乙烯基硅橡膠生膠(PDMS)、 氫氧化鋁和白炭黑, 三者合計占硅橡膠總質量的(90±5)%。 PDMS 是硅橡膠的基礎骨架,PDMS 分子主鏈通過硫化相互交織形成三維網狀結構。 分子末端的—CH3呈疏水性, 使硅橡膠具有憎水性。 白炭黑(即SiO2微粒) 是硅橡膠的補強添加劑, 其作用是增強硅橡膠的機械強度, 使材料結構更加密實[9]。 氫氧化鋁是硅橡膠的阻燃劑, 當發生閃絡時, 氫氧化鋁吸收電弧產生的熱量發生熱分解, 生成水蒸氣, 達到滅弧的作用[10]。 上述原料的配比會直接影響硅橡膠的耐老化性能與使用壽命, 其中PDMS 和氫氧化鋁的比例尤為關鍵。

國內A、 B 兩廠生產的新品復合絕緣子硅橡膠的熱失重曲線, 如圖3 所示。 熱失重法的原理是利用PDMS、 氫氧化鋁熱分解溫度的差異, 通過稱量不同溫度區間重量的損失來計算各組分的含量比例。 通過熱失重曲線計算得到A、 B 兩廠復合絕緣子硅橡膠各組分的含量, 見表2。 在實驗室對A、B 廠復合絕緣子進行1 000 h 紫外老化后硅橡膠表面的SEM 照片如圖4 所示。 PDMS 含量更高的A廠硅橡膠在老化后表面結構依然致密, 而B 廠硅橡膠老化后表面出現了密集的孔隙, 結構疏松化。一般而言, PDMS 含量越高, 則硅橡膠的結構密實程度越好, 耐老化能力越強。 但目前尚無相關技術標準對硅橡膠各成分的含量作規定, 各廠商的配方呈保密狀態。 采取熱失重方法長期跟蹤不同配方運行復合絕緣子的老化狀態, 可作為評價硅橡膠配方優劣的方法之一。

圖3 A、 B 廠硅橡膠的熱失重曲線

表2 A、 B 廠硅橡膠各組分的含量 %

圖4 A、 B 廠硅橡膠紫外老化1 000 h 后的SEM 照片

2.2 氣候環境

復合絕緣子的憎水性源自材料中富含的小分子硅氧烷, 小分子硅氧烷降低了硅橡膠的表面能, 使水呈分散的水珠狀, 無法形成有效的放電通道[11]。湖南屬亞熱帶氣候, 雨水充沛, 雨水會沖刷傘裙表面的小分子硅氧烷。 硅橡膠中小分子硅氧烷被大量消耗后, 憎水性快速下降直至完全喪失。

另外, 長期濕熱、 多雨的氣候還會增加絕緣子閃絡的幾率, 放電電流產生的熱量會導致硅氧烷分子斷裂, 誘發甲基水解氧化[12]。 老化到一定程度后,復合絕緣子傘套開始起粉、 龜裂、 憎水性下降[13]。

2.3 其他因素

復合絕緣子傘裙表面積聚的污穢也會加速硅橡膠的老化。 一方面污穢中的部分化合物能直接參與硅氧烷的老化反應, 加劇反應過程； 另一方面, 污穢被雨水濕潤后容易引起污閃, 污閃電流會促進硅氧烷分子的斷裂, 燒蝕硅橡膠[14]。

為避免復合絕緣子高壓端局部電場強度過于集中, 一般會采用均壓環均衡電場分布。 安裝均壓環能減緩高壓端護套與端部金具交界面處硅橡膠的老化, 但均壓環縮短了復合絕緣子的有效絕緣距離,使閃絡風險增加, 高壓端以外的傘裙護套的老化會有所加劇。 另外, 如果均壓環選型不合理或安裝不正確會適得其反, 加速硅橡膠的老化。

3 措施與建議

3.1 原料品質的監督

加強PDMS、 氫氧化鋁、 白炭黑等原料品質的監督是確保硅橡膠長期耐用的基礎。 PDMS 的分子量、 —CH ═C H2的含量、 氫氧化鋁的粒度、 白炭黑的粒度與pH 等指標會直接影響硅橡膠的品質。 PDMS、 白炭黑和氫氧化鋁的質量要求可參考表3 所列技術標準。

表3 硅橡膠原料質量技術標準

3.2 老化狀態評估

外觀檢查和憎水性測試是現場快速評價復合絕緣子老化程度的有效手段。 當傘裙出現明顯的粉化或憎水性明顯下降時, 意味著復合絕緣子已老化到較嚴重的程度。 為保障輸電線路的安全可靠, 須采用更準確的評估方法, 以便在老化初期及時掌握復合絕緣子的運行狀態并采取相應的防范措施。 目前, 可用于老化狀態準確評價的方法有: 傅里葉紅外光譜法、 熱失重法、 掃描電鏡法等等。

硅橡膠分子由Si—O、 Si—C、 C—H 等共價鍵組成, 硅橡膠的老化過程實質上是這些化學鍵的斷裂過程。 Si—O 鍵的斷裂是硅橡膠立體框架結構崩塌、 傘裙粉化的根源, C—H 鍵斷裂是憎水性下降的原因。 上述化學鍵對特定波長的紅外光有特征吸收, 在紅外光譜圖上會產生相應的吸收峰, 吸收峰的峰面積與對應化學基團的含量成正比關系[15]。圖5 為某220kV 線路運行復合絕緣子的紅外光譜。通過計算表層硅橡膠吸收峰面積與里層峰面積的比值, 即可定量評價傘裙的老化程度, 其比值越小,代表表層硅橡膠的有效基團含量越低, 老化程度越嚴重。熱失重法也可作為評價硅橡膠老化程度的定量方法。 利用熱失重法測量得到的運行復合絕緣子傘裙里層與外層硅橡膠的組分含量見表4。 測試結果顯示運行復合絕緣子傘裙外層的硅橡膠發生了老化, PDMS 含量均有不同程度降低, 降低的幅度與硅橡膠的老化程度成正比。

圖5 某線路運行復合絕緣子傘裙紅外光譜圖

表4 運行復合絕緣子硅橡膠的熱失重測試結果

掃描電鏡法(SEM) 通過直接觀察硅橡膠的表面微觀狀況, 定性評價硅橡膠的老化程度。 另外, 熱刺電流法、 電導電流法、 飛行時間二次離子質譜等方法也可用于硅橡膠老化程度的評價, 相關文獻豐富, 這里不再一一贅述。

4 總結及展望

通過調研分析發現, 傘裙硅橡膠材料的老化是目前湖南電網復合絕緣子運維面臨的普遍問題。 硅橡膠成分配比監督手段的缺失導致入網復合絕緣子質量參差不齊, 湖南濕熱的氣候加速了材料的老化。 監督對比各生產廠家硅橡膠原料品質, 采用傅里葉紅外光譜、 熱失重法等手段對老化程度精確評估是提升湖南電網復合絕緣子運維水平的關鍵。

為進一步嚴格規范復合絕緣子的入網檢測和運行監督, 中國電力科學研究院正牽頭制定相應的抽檢試驗管理辦法。 參照管理辦法完善試驗檢測能力, 并對入網復合絕緣子進行嚴格把關是湖南電網復合絕緣子管理的下一步工作重點。